数字通信系统的MATLAB设计与仿真.doc 60页

'湖南工程学院毕业设计（论文）数字通信系统的MATLAB设计与仿真摘要：现代社会发展要求通信功能越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂；另一方面，要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期，降低成本，提高水平。这样尖锐对立的两方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。现代计算机科学技术快速发展，已经研发出新一代的可视化仿真软件。这些功能强大的仿真软件，使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展。本文首先介绍了通信系统仿真的基本内容，包括通信系统仿真的一般步骤MATLAB中的一种可视化仿真工具Simulink以及S-函数的相关概念。从理论上对通信系统进行深入细致的研究是非常必要的。本文对通信系统中的一些重要环节，包括信道、噪声、模拟信号的数字化传输、信道编码以及信号调制的原理、方法和过程进行了详细的阐述。理论知识是用来指导具体实践的。本文在深刻理解通信系统理论的基础上利用MATLAB强大的仿真功能，设计了许多具体的通信系统仿真模型。在仿真模型设计过程中，本文对模型设计的目的、具体的结构组成、仿真流程以及仿真结果都给出了具体详实的分析和说明。最后，本文对所做的研究工作进行了总结，并且提出了今后的工作和研究方向。关键词：MATLAB；数字通信；系统设计。59 湖南工程学院毕业设计（论文）DigitalCommunicationSystemDesignandSimulationMATLABAbstract:Thedevelopmentofmodernsocietyrequirescommunicationssystemhasmorepowerfulfunction,higherperformanceandcomplicatedstructure.Ontheotherhand,theresearchoftechnologyanddevelopmentofproductshouldtruncatecycle,cutcostsandincreaseproductionlevels.Wecanresolvetheconflictbyusingthecomputeraideddesigntechnologyandtools.Therapiddevelopmentofcomputersciencecausesthesuccessfulresearchanddevelopmentofnewgenerationvisualsimulationsoftware.Thesimulationsoftwareispowerfulwhichmakestheprocessofdesignandanalysisofcommunicationssystemsimulationmoreintuitionalandconvenient.Today,thecommunicationssystemsimulationisrapiddeveloping.Thepaperfirstlyintroducesthebasiccontentofcommunicationssystemsimulation,whichincludecommonstepsofsimulation,visualsimulationtoolcalledSimulinkandtheconceptofS-function.Itisnecessarytoresearchthetheoryofcommunicationssystemintensively.Thepaperexpandssomeimportantlinksofthecommunicationssystemwhichincludechannel,noise,digitaltransmissionofanalogsignal,channelencodeandsignalmodulation.Theoryaimstoguidepractice.Onthebaseofdeepcomprehensionofcommunicationssystemtheory,thepaperdesignsmanyconcretesimulationmodelsIntheprocessofmodelsdesign,thepaperanalysestheintention,configuration,simulationlinksandsimulationresults.Intheend,thepapersummarizesmaincontentoftheresearchandsomefollowingstudyandresearchobjectsaresuggested.KeyWords:MATLAB,DigitalCommunication,SystemDesign59 湖南工程学院毕业设计（论文）前言在过去的几十年里，通信和信号处理系统的复杂程度显著地提高了。与此同时出现了一系列新的技术，如：用于数字信号处理的价格不高但速度很快的硬件、光纤光学器件、集成光学设备和单片微波集成电路，这些对通信系统的实现均有重要影响。通信系统复杂度的提高使得用来分析和设计系统的时间和精力也相应提高了，然而在商用产品中引入新技术要求设计能做到短时、高效、省力，而这些要求只有通过使用强大的计算机辅助分析和设计工具才能实现。所以，通信系统仿真在通信系统工程设计中起着举足轻重的作用。虽然软件实验不像硬件实验那样让人感到“真实”，但对于许多通信问题的研究来说的确非常有效。与硬件实验相比，软件实验具有如下一些优点：(1)软件实验具有广泛的适应性和极好的灵活性。在硬件实验中改变系统参数也许意味着要重做硬件，而在软件实验中则是改一、两个数据，甚至只是在屏幕上按几下鼠标。(2)软件实验更有助于我们较为全面地研究通信系统。有许多问题，通过硬件实验来研究可能非常困难，但在软件实验中却易于解决。（3）硬件实验的精确度取决于元器件及工艺水平，软件实验的精度取决于CPU的运算速度或者说是程序的运算量。(4)软件实验建设开发周期短，成本低。而且近年来，随着计算机硬件性能的不断提升和计算机软件技术的飞速发展，利用计算机进行实验系统仿真成为一种国际潮流。国内也逐步开始了这一方面的工作，并正取得积极的成果。59 湖南工程学院毕业设计（论文）第一章MATLAB与通信仿真1.1MATLAB简介Matlab软件系列产品是一套高效强大的工程技术数值运算和系统仿真软件，广泛应用于当今的航空航天、汽车制造、半导体创造、电子通信、医学研究、财经研究和高等教育答领域，被誉为“巨人肩膀上的工具”，研发人员借助Matlab软件能迅速测试设计构想，综合评测系统性能，快速设计出更好的方案来确保更高技术的要求。同时，Matlab也是国家教委重点提倡的一种计算工具。综合起来，Matlab有以下几个特点：（1）友好的工作平台和编程环境Matlab由一系列工具组成。这些工具方便用户使用Matlab的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括Matlab桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着Matlab的商业化以及软件本身的不断升级，Matlab的用户界面也越来越精致，更加接近Windows的标准界面，人机交互性更强，操作更简单。而且新版本的Matlab提供了完整的联机查询、帮助系统，极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析。（2）简单易用的程序语言Matlab一个高级的距阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序(M文件)后再一起运行。新版本的MATLAB语言是基于最为流行的C＋＋语言基础上的，因此语法特征与C＋＋语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是Matlab能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。（3）强大的科学计算机数据处理能力Matlab是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++。在计算要求相同的情况下，使用Matlab的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集合59 湖南工程学院毕业设计（论文）包括从最简单最基本的函数到诸如距阵，特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。（4）出色的图形处理功能Matlab自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和距阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的Matlab对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使他不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），Matlab同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，Matlab也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的Matlab还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。（5）应用广泛的模块集合工具箱Matlab对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，他们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，Matlab已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域，诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP与通讯、电力系统仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）实用的程序接口和发布平台新版本的Matlab可以利用Matlab编译器和C/C++数学库和图形库，将自己的Matlab程序自动转换为独立于Matlab运行的C和C++代码。允许用户编写可以和Matlab进行交互的C或C＋＋语言程序。另外，Matlab网页服务程序还容许在Web应用中使用自己的Matlab数学和图形程序。Matlab的一个重要特色就是他有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是Matlab函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。（7）应用软件开发（包括用户界面）59 湖南工程学院毕业设计（论文）在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5。1.2通信仿真仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型的仿真结果来推断原系统的性能，从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，防止对系统中某些功能部件造成过量的负载，优化系统的整体性能，因此，仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统做出的任何改变(如改变某个参数的设置、改变系统的结构等)都可能影响到整个系统的性能和稳定。因此，在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真，通仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中。这个过程就是通信仿真。1.2.1通信仿真的概念通信仿真是衡量通信系统性能的工具。通信仿真可以分成离散事件仿真和连续仿真。在离散事件仿真中，仿真系统只对离散事件做出响应，而在连续仿真中，仿真系统对输入信号产生连续的输出信号。离散事件仿真是对实际通信系统的一种简化，它的仿真建模比较简单，整个仿真过程需要花费的时间也比连续仿真少。虽然离散事件仿真舍弃了一些仿真细节，在有些场合显得不够具体，但仍然是通信仿真的主要形式。与一般的仿真过程类似，在对通信系统实施仿真之前，首先需要研究通信系统的特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型。图1—1所示是关于通信系统仿真流程的一个示意图。从图中可以看到，通信系统仿真是一个循环往复的过程，它从当前系统出发，通过分祈建立起一个能够在一定程度上描述原通信系统的仿真模型，然后通过仿真实验得到相关的数据。通过对仿真数据的分析可以得到相应的结论，然后把这个结论应用到对当前通信系统的改造中。如果改造后通信系统的性能并不像仿真结果那样令人满意，还需要重新实施通信系统仿真，这时候改造后的通信系统就成了当前系统，并且开始新一轮的通信系统仿真过程。59 湖南工程学院毕业设计（论文）当前系统仿真建模仿真实验仿真分析结论分析改造后的系统实际系统仿真系统图1.1通信系统仿真流程图1.2.2通信仿真的基本步骤通信仿真系统一般分为3个步骤，即：仿真建模、仿真实验和仿真分析。应该注意的是，通信仿真是一个螺旋式发展的过程，因此这3个步骤可能需要循环执行多次之后才能够获得令人满意的仿真结果。1、仿真建模仿真建模是根据实际通信系统建立仿真模型的过程，它是整个通信仿真过程中的—个关键步骤，因为仿真模型的好坏直接影响者仿真的结果以及仿真结果的真实性和可靠性。仿真模型是对实际文件系统的一种模拟和抽象，但又不是完全的复制。简单的仿真模型容易被理解和操作，但是由于它忽略了很多关于实际系统的细节，因而在一定程度上影响了仿真的可靠性。如果仿真模型比较复杂，虽然它是对实际系统的—种忠实反映，但是其中包含了过多的相互作用因素，这些因素不仅需要消耗过多的仿真时间，而且使仿真结果的分析过程变的相当复杂。因此，仿真模型的建立需要综合考虑其可行性和简单性。在仿真建模过程中，我们可以先建立一个相对简单的仿真模型，然后再根据仿真结果和仿真过程的需要逐步增加仿真模型的复杂度。仿真模型一般是一个数学模型。数学模型有多种分类方式，包括确定性模型和随机模型，静态模型和动态模型。确定性模型的输入变量和输出变量都有固定数值，而在随机模型中，至少有—59 湖南工程学院毕业设计（论文）个输入变量是随机的。静态模型个需要考虑时间变化因素，动态模型的输入输出变量则需要考虑时间变化因素。一般情况下通信仿真模型是一个随机动态系统。在仿真建模过程中，首先需要分析实际系统存在的问题或设立系统改造的目标，并且把这些问题和目标转化成数学变量和公式。例如，我们可以设定改造后系统或新系统在达到系统最大容量时的误码率，或者是通信系统的最大呼损率，等等。有了这些具体的仿真目标之后，下一步是获取实际通信系统的各种运行参数，如通信系统占用的带宽及其频率分布，系统对于特定的输入信号产生的输出等。同时，对于通信系统中的各个随机变量，可以采集这些变量的数据，然后通过数学工具来确定随机变量的分布特性。有了上面的准备工作，下一步就可以通过仿真软件来建造仿真模型了。最简单的工具是采用c语言等编程工具直接编写仿真程序，这种方法的优点是效率高，缺点则是不够灵活，没有一个易于实现的人机交互界面，不便于对仿真结果进行分析。除此之外，还可以采用专门的仿真软件建造仿真模型，比较常用的仿真软件包括Matlab、0PNET、NS2等，这些软件具有各自不同的特点，适用于不同层次的通信仿真。例如，物理层仿真通常采用Matlab，而网络层仿真则适用采用0PNET。在完成仿真模型的软件实现之后，还需要对这个仿真模型的有效性进行初步的验证。一种简便的验证方法是采用特定的已知输入信号，这个输入信号分别通过仿真模型和实际系统，产生两种输出信号。如果仿真模型的输出信号与实际系统的输出信号比较吻合，说明这个仿真模型与原系统具有较好的相似性。当这两种输出信号差别很大时，最好先检查一下仿真模型的内部连接和设置，找出造成这种差异的原因。仿真建模的最后一步是做好仿真模型的文档工作，这是最容易被大家忽略的。很多情况下，我们在完成系统的设计之后就迫不及待地运行仿真程序，待发现仿真结果与预期目标相差甚远时才回过头来焦头烂额地检查仿真模型的内部结构。这时候，往往原先的很多参数设置和条件假设都变得不可理解，这非常不利于修改多数和结构，不利于找错和排错。2、仿真实验仿真实验是一个或一系列针对仿真模型的测试。在仿真实验过程中，通常需要多次改变仿真模型输入信号的数值，以观察和分析仿真模型对这些输入信号的反应，以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能。需要强调的一点是，仿真过程中使用的输入数据必须具有一定的代表性，即能够从各个角度显著地改变仿真输出信号的数值。59 湖南工程学院毕业设计（论文）实施仿真之前需要确定的另外一个因素是性能尺度。性能尺度指的是能够衡量仿真过程中系统性能的输出信号的数值(或根据输出信号计算得到的数值)，因此，在实施仿真之前，首先需要确定仿真过程中应该收集哪些仿真数据，这些数据以什么样的格式存在，以及收集多少数据。在明确了仿真系统对输入信号和输出信号的要求之后，最好把这些设置整理成一份简单的文档。编写文档是一个好习惯，它能够帮助我们回亿起仿真设计过程的一些细节。当然，文档的编写不一定要求很规范，并且文档大小应该视仿真设计的规模而定。最后，还应该明确各个输入信号的初始设置以及仿真系统内部各个状态的初姑值。仿真的运行实际上是计算机的计算过程，这个过程一般不需要人工干预，花费的时间由仿真的复杂度确定。如果需要比较仿真系统在不同参数设置下的性能，应该使仿真系统在取不同参数值时具有相同的输入信号(或相同的随机输入信号)，这样才能够保证分析和比较的客观性和可靠性。对于需要较长时间的仿真，应该尽可能地使用批处理方式，使得仿真过程在完成—种参数配置的仿真之后能够自动启动针对下—个参数配置下—个仿真。这种方式减少了仿真过程中的人工下颈，提高了系统利用率利仿真效率。3、仿真分析仿真分析是—个通信仿真流程中的最后—个步骤。在仿真分析过程个，用户已经从仿真过程中获得了足够多的关于系统件能的信息，这是这些信息只是一些原始数据，一般还需要经过数值分析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度，从而获得对仿真系统件能的一个总体评价。常用的系统性能尺度包括平均值、方差、标准差、最大值和最小值等，它们从不同的角度描绘了仿真系统的性能。如果仿真过程需要一定的时间才能够达到平衡状态，在对输出数据进行分析和处理时一般要忽略最初的若干个数据，而只考虑平衡之后的输出。对于仿真尺度不随时间变化的平衡系统(StationarySystem)，还可能涉及到对输出变量稳定状态的求解。另外一个需要注意的地方是，即使仿真过程中收集的数据正确无误，由此得到的仿真结果并不一定就是难确的。造成这种结果的原因可能是输入信号恰好与仿真系统的内部特性相吻合，或者输入的随机信号不具有足够的代表性。图表是最简洁的说明工具，它具有很强的直观性，便于分析和比较，因此仿真结果一般绘制成图表形式。我们使用的仿真工具—股都具有很强的绘图功能，能够便捷的绘制各种类型的图表。以上就是通信仿真的一个循环。应该强调的是，仿真分析并不—定意味着通信仿真过程的完全结束。如果仿真分析得到的结果达不到预期的目标，用户还需要重新修改通信仿真模型，这时候仿真分析就成为了另外一个循环的开始。59 湖南工程学院毕业设计（论文）1.2.3通信系统仿真的重要作用在过去的几十年里，通信和信号处理系统的复杂程度显著地提高了。与此同时出现了一系列新的技术，如用于数字信号处理的价格不高但速度很快的硬件、光纤光学器件、集成光学设备和单片微波集成电路，这些对通信系统的实现均有重要影响。通信系统复杂度的提高使得用来分析和设计系统的时间和精力也相应提高了，然而在商用产品中引入新技术要求设计能做到短时、高效、省力，而这些要求只有通过使用强大的计算机辅助分析和设计工具才能实现。所以，通信系统仿真在通信系统工程设计中起着举足轻重的作用。1.3通信系统仿真问题的提出、研究价值及研究现状1.3.1通信系统仿真问题的提出通信系统的性能可以用基于公式的计算方法、波形级仿真或通过硬件样机研究和测量来估计得到。以简化模型为基础的公式法只能应用于一些理想化和过于简单的例子，要想估计出复杂通信系统的性能是非常困难的。基于测量的性能估计方法通常代价很高，并且很不灵活。用基于仿真的方法来估计性能时，系统可以用任何所期待的细节(主观的，当然有一定局限)来模拟。与公式法或测量法相比较，仿真的方法能更好的利用设计空间，很容易将数字和经验模型结合起来，并结合设备和真实信号的特点进行分析和设计。1.3.2通信系统仿真问题的研究价值通信系统仿真实质上就是把硬件实验搬进了计算机，可以把它看成是一种软件实验。在硬件实验系统中，用各种电子元器件制作出通信系统中的理论模型所规定的各个模块，再把它们通过导线或电缆等接在一起，然后再用示波器、频谱议、误码仪等通信仪表做各种测量，最后分析测量结果。在软件实验中我们也是这样做，只不过所有通信模块及通信仪表的功能都是用程序来实现的，通信系统的全过程在计算机中仿真运行。虽然软件实验不像硬件实验那样让人感到“真实”，但对于许多通信问题的研究来说的确非常有效。与硬件实验相比，软件实验具有如下一些优点：(1)59 湖南工程学院毕业设计（论文）软件实验具有广泛的适应性和极好的灵活性。在硬件实验中改变系统参数也许意味着要重做硬件，而在软件实验中则是改一、两个数据，甚至只是在屏幕上按几下鼠标。(2)软件实验更有助于我们较为全面地研究通信系统。有许多问题，通过硬件实验来研究可能非常困难，但在软件实验中却易于解决。（3）硬件实验的精确度取决于元器件及工艺水平，软件实验的精度取决于CPU的运算速度或者说是程序的运算量。(4)软件实验建设开发周期短，成本低。1.3.3通信系统仿真问题的研究现状计算机辅助分析和设计技术发展十分迅速，出现了大量实用仿真软件与工具，并应用于通信系统建模，分析和设计，使得通信系统仿真发展很快。计算机辅助技术基本上有两大类，一是基于公式的方法，用计算机计算复杂的公式：二是用计算机仿真系统的信号波形，即波形级仿真。通信系统仿真应用到了通信系统工程设计的各个阶段，无论是从早期的概念设计，还是实现、测试、使用等各个阶段。在概念定义阶段，通信系统仿真获得顶层指标；在接下来的设计和研发中，通信系统仿真确定硬件研发的指标，检验已完成子系统对整个系统性能的影响；在运行阶段，通信系统仿真可以用来确定解决问题的方法；通信系统仿真还可以预测系统的使用寿命。现代计算机软硬件技术的快速发展，新一代的可视化的仿真软件的使用使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，推动了通信系统仿真的快速发展。1.4本论文的主要研究内容现代社会发展要求通信系统功能越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂；另一方面，要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期，降低成本，提高水平。这样尖锐对立的两个方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。通信系统仿真贯穿通信系统工程设计的全过程，对通信系统的发展起着举足轻重的作用。本论文针对通信系统仿真的研究主要做了以下的工作：(1)介绍了通信系统仿真的相关内容，包括通信系统仿真的一般步骤、Matlab中的一种可视化仿真工具Simulink以及S-函数的相关概念。(2)对通信系统中的主要环节，包括通信系统信道、噪声、模拟信号的数字传输系统、信道编码以及信号调制的原理、方法和过程进行了详细的阐述。(3)在理解通信系统理论的基础上，利用Matlab59 湖南工程学院毕业设计（论文）强大的仿真功能，设计了具体的通信系统模型。在模型的设计过程，对模型设计的目的、具体的结构组成、仿真流程以及仿真结果都给出了具体详实的说明和分析。59 湖南工程学院毕业设计（论文）第二章simulink入门simulink是Matlab中的一种可视化仿真工具，广泛应用于线性系统、数字控制、非线性系统以及数字信号处理的建模和仿真中。simulink采用模块化方式，每个模块都有自己的输入／输出端口，实现一定的功能。在simulink中，仿真模型表现为若干个仿真模块的集合以及这些模块之间的连接关系，这就使得仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷，同时有利于仿真模型的扩充。2.1simulink简介动态系统是输出信号随时间变化的系统。要描述这种系统的特性，传统的建模方法是先对系统的输入信号和输出信号进行分析，得到它们的系统方程，然后编写程序进行仿真。这种仿真方法有两个缺点：首先是不够直观，缺乏足够的人机交互。由于所有的输入信号和输出信号都被抽象成数值之间的关系，仿真表现为一种计算过程，因此难以对仿真的过程进行控制，也难以对仿真的输出数据进行直观的描述和分析。另外，这种方法缺乏系统性，尤其是在对复杂系统的处理过程中，难以采用模块化方法，从而降低了仿真程序的可读性和可扩展性。simulink是Matlab提供的用于对动态系统进行建模、仿真和分析的工具包。simulink提供了专门用于显示输出信号的模块，可以在仿真过程中随时观察仿真结果。同时，通过simulink的存储模块，仿真数据可以方便地以各种形式保存到工作区或文件中，供用户在仿真结束之后对数据进行分析和处理。另外，simulink把具有特定功能的代码组织成模块的方式，并且这些模块可以组织成具有等级结构的子系统，因此具有内在的模块化设计要求。基于上述优点，simulink称为一种通用的仿真建模工具，广泛应用于通信仿真、数字信号处理、模糊逻辑、神经网络、机械控制和虚拟现实等领域。根据输出信号与输入信号的关系，simulink提供3种类型的模块：连续模块、离散模块和混合模块。连续模块是指输出信号随着输入信号发生连续变化的模块，离散模块则是输出信号以固定间隔变化的模块。对于连续模块，simulink采用积分方式计算输出信号的数值，因此，连续模块主要涉及导数的计算及其积分。离散模块的输出信号在下一个抽样时刻到来之前保持恒定，这时simulink只需以一定的间隔计算输出信号的数值。混合模块是根据输入信号的类型来确定输出信号类型的，它既能够产生连续输出信号，也能够产生离散输出信号。59 湖南工程学院毕业设计（论文）2.2simulink的工作环境当采用simulink进行建模和仿真时，一般是从simulink模型库中提供的模块出发，通过组合各种模块来完成模块的设计。simulink模型库提供了一种模块的集成环境，通过它可以快速地开发各种仿真模型。2.2.1simulink的模型库在matlab的工作区中输入“simulink”或是单击matlab工具栏上的，就进入如2-1图所示的模型库界面图2.1simulink模型库simulink模型库中的仿真模块组织成—个三级树型结构，例如，图2—159 湖南工程学院毕业设计（论文）所示：Smulink于模型库包含了Continuous、Discontinuities、Discrete等下一级的模型库，其中Continuous模型库中包含了若干个模块，这些模块可以直接加入到自己的仿真模型中。2.2.2设计仿真模型在matlab或simulink窗口的工具栏中依次选择“file”︱“new”︱“model”，自动生成一个空白的仿真模型模型窗口，如图2-2所示图2.2空白仿真模型在设计仿真模型的过程中，如果在simulink模型库中包含了仿真模型所需的模块，则在simulink模型库中选中这个模块，单击鼠标右键，从浮动菜单中选择“Addtountitled”(或直接把模块拖到仿真模型中)，这时候就把这个选中的模块加入到仿真模型中了。simulink模型库窗口提供了模块查找功能。在simulink模型库窗口的工具栏上单击按钮，弹出如图2—3所示的模块查找对话框。输入所需查找的模块名称的关键字，单击“findNext”按钮，则simulink自动搜索整个模型库。图2.3simulink搜索模型59 湖南工程学院毕业设计（论文）simulink模型库中的模块一般具有各种参数设置。在仿真模型窗口中双击模块，弹出该模块的参数设置对话框，这时候可以修改模块中各个参数的数值。通常情况下，仿真模块的设计过程就是对simulink模型库中各个模块的一种组合。如果simulink模型库中没有所需的模块，这时候可以通过s—函数构造自己的模块，并且把这个模块与其他simulink模块合起来，实现相应的仿真功能。关于S—函数的内容，将在后面进行详细论述。2.2.3运行仿真仿真模型有两种运行方式：菜单方式和命令行方式。在simulink中打开仿真模型，然后在菜单栏中依次选择“simulation”“start”，或者在工具栏上单击缺钮，则仿真模型将以菜单方式运行。菜单方式的优点在于它的交互性，通过在仿真模型中设置示波器模块(Scope)或显示模块(Display)可以在仿真过程中观察输出信号的数值。同时，有些仿真模块还允许用户在不中断仿真进程的条件下随时更改模块的参数设置。命令行方式一般用于执行批处理方式的仿真，它是通过MATLAB命令“sim”启动仿真进程，例如，在matlab工作区中输入“sim(‘rayleighfading’)”命令后，simulink开始运行仿真模型rayleighfading。如果需要多次运行仿真程序，可以把这些命令编写成—个M文件，然后在matlab工作区中执行这个M文件就可以了。用命令行方式启动仿真模型后，simulink并不自动打开相应的模型，因此不能直接观察仿真的进程，但是仍然可以通过各种显示不模块观察输出信号。matlab把工作区和simulink集成在一起，因此仿真模型的两种运行方式可以交互使用。一般情况下，仿真结果保存到上作区中，用户可以在仿真结束之后对仿真结果进行分析和加工，并且根据仿真数据绘制各种图表。2.2.4建立子系统在Simulink中，若干个仿真模块可以组合起来构成—个子系统(subsystem)，以减少每个仿真模型窗口中显示的仿真模块的数日。采用子系统的另外一个好处是可以把复杂的仿真模型按照功能关系组织成等级结构，使得每个子系统都是—个相对独立的功能实体，这些子系统组合起来构成一个功能更强的子系统。Simulink子系统可以按照自顶向下的方式进行构造。首先，在仿真模型中添加一个子系统模块(subsystem)，设置这个子系统模块的名称，然后双击该模块，待打开该模块之后就可以对子系统的功能进行设计了。子系统的输入、输出分别由Simulink59 湖南工程学院毕业设计（论文）模型库中的输入端口模块(in)和输出端口模块(out)构造，在设计子系统的过程中可以根据需要添加若干个这样的输入输出模块。另外—个构造子系统的方法是自底向上，即先在同—个窗门中添加各个Simulink模块，当模块的数目增加到一定的限度时，可以选中其中若干个模块(按住shift键后单击各个需要组合的模块)，然后单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择CreateSubsystem，这时候就创建了一个子系统，并且Simulink自动为这个于系统设置了输入端口和输出端口。在Simulink中，子系统和输入、输出端口的名称都可以由用户自行设置。子系统的命名方式类似于系统目录的命名，每个子系统的名称是它所在上一级系统名称与子系统名称的组合，中间以反斜杠(“／”)分隔。例如，“preject5_1／source”，表示preject5_1模型中名为source的子系统。用户可以设置子系统在双击之后的打开万式。选择菜单栏上的“file”︱“Preferences…”命令打开如图2—4所示的对话柜，在左边的列表框中选择“Simulink”，这时候可以在右边面板的“windowreuse”下拉列表中选择所需的方式。图2.4matlab的preferences对话框如果把“windowreuse”设置为“none”，双击子系统时，simulink在新窗口中打开子系统，原窗口保持不变：如果“windowreuse”设置为“reuse”，simulink在当前窗口中打开子系统：如果“windowreuse”设置为“replace”，simulink在新窗口中打开子系统，同时原窗口消失：如果“windowreuse”设置为“mixed”，simulink在新窗口中打开子系统，同时保持原窗口不变，这种方式与none的差别在于，当在于系统中选择菜单栏上的“VIew”︱“gotoparent”命令返回上一级系统时，none59 湖南工程学院毕业设计（论文）方式中这个子系统窗口不会消失，而mixer方式的子系统窗口被自动隐藏。2.2.5封装子系统simulink模块库中的每一个模块部有它独特的图标和参数设置对话框。对于用户自己创建的子系统，也可以通过simulink来设置该模块的图标和参数。选中某个子系统，单击右键后从弹出式菜单中选择“Masksubsynem”，这时候就创建了一个封装子系统(Maskedsubsynem)。需要注意的是，对于一个已经被封装的子系统，它的Masksubsynem命令无效。子系统转化成封装子系统之后，simulink弹出一个封装编辑器对话框，这时候可以设置封装子系统的图标和模块参数。封装编辑器共有4个属性页，分别用与设置模块的图标、参数、初始化代码以及文档信息。在Icon属性页中，读者可以设置模块的外观属性，并且可以在Drawingcommands编辑框中输入代码，以绘制模块的图标。我们可以通过MATLAB命令行“disp(‘source’)”在模块中显示一行文字“Source”。通过Parameters属性页我们可以设置封装子系统的白定义参数，这些参数将出现在封装子系统的参数设置对话框中。对于每一个自定义参数，它有一个用于在参数设置对话框中显示的名称(prompt)和—个变量名称。每个自定义参数可以通过编辑框(edit)、复选框(checkbox)或者是下拉列表(Popup)设置参数值。如果选择了Evaluate复选框，则该参数的输入将自动转化成数值传递给相应的变量；否则，simulink自动把字符串传递给这个变量。如果选择了tunable复选框，则该参数的数值可以在仿真过程中动态改变。例如，对于名为samplesPersymbl的白定义参数，它的内部变量名为samplesPersymbl，用户可以通过下拉列表“popup”来选择该参数的数值2、3或4，同时simulink传递给变量samplesPersymbl—个数值，并且该参数可以在仿真过程中动态改变。2.3S函数及其简介S-函数是系统函数（System-functions）的简称。在很多情况下，Simulink模型库（SimulinkLibrary）中的模块不能完全满足用户的要求，这时候需要由用户自己来编写相应的代码。M文件虽然能够用来编写MATLAB函数代码，但是它不具备与Simulink的接口，因此难以与Simulink其他模块一起使用。S-函数则提供了函数代码与Simulink之间的接口，使得用户编写的代码既能够像Simulink模型库中的模块那样具有统一的仿真接口，同时能够实。各种灵活的控制和计算功能。从这个意义上说，S-函数是对Simulink模块库功能的扩展。S-函数的代码既可以用MATLAB59 湖南工程学院毕业设计（论文）语言编写，也可以用其他通用的编程语言（如C、C++、Ada或Fortran等）编写，后者具有更强的控制能力，它们被编译成MEX（MATLABEXecutable）文件，并且在仿真过程中动态装载。通过S-函数可以方便地编写仿真代码以创建自己的Simulink模块，因此，S-函数是对Simulink模块库功能的扩展。根据S-函数代码使用的编程语言，S-函数可以分成M文件S-函数（即用MATLAB语言编写的S-函数）、C语言S-函数、C++语言S-函数、Ada语言S-函数以及Fortran语言S-函数等。通过S-函数创建的模块具有与Simulink模型库中的模块相同的特征，它可以与Simulink求解器进行交互，支持连续状态和离散状态模型。2.3.1S函数工作原理每个Simulink模块都可以表示成输入信号x、输入信号y以及内部状态u之间的关系，如图3-1所示。内部状态u输出y输入x图2.5simulink模块基本模型在某个时刻t，Simulink模块的内部状态u由两部分组成：连续状态和离散状态，且u=+，此时输出信号，连续状态的导数，离散状态。Simulink根据连续状态导数方程进行积分运算，得到各个连续状态的数值，同时通过离散状态方程计算离散状态的当前值。这样，Simulink就可以得到各个时刻的状态及其输出信号，实现对仿真结果的求解。在仿真过程中，每个Simulink模块的执行过程可以分成3个阶段：初始化阶段、仿真循环阶段和仿真结束阶段。在初始化阶段，Simulink把各个模块调入内存，检查模块的数据类型和长度，设置仿真时间间隔，制订仿真模块的执行顺序，以及内存分配。在仿真循环阶段，Simulink按照初始化阶段制定的顺序依次执行各个模块，计算当前时刻的离散状态和输出信号，以小步长积分的方式计算各个连续状态的数值以及由此产生的输出。这个过程一直持续到仿真过程结束，然后Simulink进入仿真结束阶段，清理各种已经分配的资源，同时保存仿真过程中产生的数据。59 湖南工程学院毕业设计（论文）初始化计算下一个抽样时间更新离散状态计算过零点计算连续状态导数计算连续状态导数计算输出信号循环仿真仿真结束图2.6simulink模块仿真流程对应于仿真流程中的每一个步骤，Simulink中的S-函数调用预先设定的函数来实现相应的功能。例如，我们可以编写一个mdlInitializeSizes函数实现S-函数的初始化操作，通过mdlDerivatives和mdlUpdate函数在每一个抽样时刻分别计算连续状态变量的导数和更新离散状态的数值，在mdlOutputs函数中计算S-函数的输出信号等。需要指出的是，这些函数的名称都可以由用户自己设定。用户需要在S-函数的主体部分对这些函数进行注册，Simulink通过回调函数（CallbackFunction）的方式在不同事件发生的时候调用相应的函数。2.3.2S函数基本概念在编写S-函数的时候经常涉及到的概念有3个：直接反馈（Directfeedthrough）、可变长度输入（Dynamicallysizedinputs）以及抽样时刻和偏移（Settingsampletimesand59 湖南工程学院毕业设计（论文）offsets），它们是编写S-函数的基础。1．直接反馈简单说来，直接反馈（Directfeedthrough）指的是输入信号是否直接影响着输出信号和仿真的抽样时间。在计算S-函数输出信号的过程中，如果输出信号（包括仿真过程中绘制的图形）是输入信号的函数，那么这个S-函数存在直接反馈。同样地，如果在可变步长的仿真过程中，S-函数的输入信号影响着对下一个仿真时刻的计算，这个S-函数也存在直接反馈。Simulink根据模块中的S-函数是否存在直接反馈来确定仿真模型中各个模块的执行顺序。如果S-函数不存在直接反馈，在计算该模块的输出信号时这个模块就可以不等待前一个模块的输出信号，因而有可能先于前面的模块执行。在编写S-函数的过程中，首要的是确定本模块的直接反馈类型。2．可变长度输入S-函数输入信号的长度既可以是固定的，也可以在仿真过程中根据输入信号的长度动态设定。同时，输入信号长度的动态变化也影响着S-函数的连续状态、离散状态以及输出信号的长度，从而给S-函数的设计提供了很大的灵活性。对于M文件S-函数构成的模块，它只有一个输入信号端口，只能接受一维输入向量，但是这个输入向量的长度可以是动态确定的。C语言S-函数则可以有多个输入、输出端口，每个端口的长度都是可变的。如果S-函数把它的连续状态、离散状态或输出信号也设置为可变长度信号，Simulink将根据输入信号的长度来确定它们的长度，并且这些信号的长度与输入信号的长度相同。3．抽样时刻和偏移在Simulink中，由S-函数构造的模块的抽样时间既可以是固定的，也可以是连续的；既可以是连续的，也可以是离散的。抽样时间一般表示成“sample_time，offset_time”的形式，其中sample_time表示抽样周期，offset_time表示每个抽样周期内的时间偏移。归纳起来，S-函数模块的抽样时间有以下几种：连续抽样时间（Continuoussampletime）、连续时间固定间隔（Continuousbutfixedinminortimestepsampletime）、离散抽样时间（Discretesampletime）、可变抽样时间（Variablesampletime）、继承抽样时间（Inheritedsampletime）。59 湖南工程学院毕业设计（论文）第三章通信系统信道和噪声研究及其仿真3.1通信系统信道模型及其分类各种发送信息传送到既定的信宿，可选用适于传输的物理媒体，完成通信功能。连接发信号与收信号设备、适用于不同类型通信业务的各种物理媒体通称为信道。信道可分为有界与无界两大类，即通常所说的有线信道与无线信道。前者如双绞线、电缆、光纤、波导等，后者为自由空间提供的各种频段或波长的电磁波传播信道。根据各种信道不同的特征和参量及其变化情况，又将它们分为恒参信道和随参信道。前者如有线信道、微波与卫星信道等，后者如无线系统的短波和超短波散射信道。一般地，如单指传输媒体而言称为狭义信道。在具体的通信系统构成中，往往把信源发出的模拟信号和数字编码基带信号视为信息部分，从调制器到接收端解调器这一中间变换历程中。经过了包括物理媒体在内的线路设备(如交换、放大、中继等中间部件)传输路径，因此将图3-1所表示的调制信道和编码信道称为广义信道。编码器调制器线路设备译码器解调器信源收信者调制信道编码信道图3.1信道结构图3.1.1恒参信道恒参信道是指由架空明线、电缆、中长波地波传输，超短波及微波视距传输，人造卫星中继，光导纤维以及光波视距传输等传输媒体构成的信道。恒参信道以有线信道为最典型，其特征参数主要是频率特征，如幅度频率特征与相位频率特征及频率漂移等。反映在时域，如信道时延、抖动，尚有电平波动和非线性等。其中，幅度频率特性，就理想而言，可表示为理想传输函数。59 湖南工程学院毕业设计（论文）3.1.2随参信道随参信道包括短波电离层反射、超短波流星余迹散射，超短波及微波对流层散射，超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等传输媒质所分别构成的信道。随参信道的特性比恒参信道要复杂的多。由于地面以上不同高度大气的电离层浓度不同，并随机流性变化，对短波传输具有反射作用，对超短波具有对流层散射作用。乘性干扰的现象表现为各种类型的衰落，在多径信道中，发送端发出的信号通过多个反射之后沿多条路径到达接收端，这些路径具有不同的时延和不同的接收强度，它们之间的相互作用就形成了衰落。衰落可分为以下三种情况：(1)慢衰落。它是由电离层随机变化引起的衰落。(2)快衰落。它是由于短波信道的多径引起的衰落，对信号的影响更为严重。由于发射电磁波束传播到不同的电离层，反射后到地面构成不同的信号路径而至接收天线，也可能是地面反射回电离层经两次反射后到达接收天线。(3)选择性衰落。频率选择性衰落是由于多径衰落导致的幅度随机性起伏衰落和相位随机性变化所引起的。下面我们来介绍两个非常重要的衰落信道。(1)瑞利衰落信道。瑞利衰落信道是移动通信中相当重要的衰落信道，它在很大程度上影响着移动通信系统的质童。在移动通信中，发送端和接收端都可能处在不停的运动状态之中，发送端和接收端之间的相对运动将产生多普勒频移。多普勒频移与运动速度和方向有关，它的计算公式为式(3-1)。（3-1）其中，v是发送端和接收端的相对运动速度，是运动方向与发送端和接收端连线之间的夹角，是载波的波长。(2)伦琴衰落信道。在移动通信系统中，如果发送端和接收端存在一条占优势的视距传播路径，这种信道就可以模拟成伦琴衰落信道。当发送端和接收端既存在视距传播路径，又有多条反射路径时，它们之间的信道可以利用Simulink中的伦琴衰落信道模块和多径瑞利衰落信道模块的组合来进行仿真。59 湖南工程学院毕业设计（论文）3.2通信系统中噪声概述及高斯白噪声3.2.1噪声概述信号在信道中传输，要受到信道特性及噪声的影响，致使信号接收造成某些差错。此时受到干扰及噪声影响的信号可称为受扰信号。加性干扰的噪声其来源可分为人为噪声、自然噪声和内部噪声三个方面。通常将宇宙噪声、散弹噪声和热噪声归为起伏噪声，它们的统计特性基本上是高斯分布。3.2.2高斯白噪声在研究通信系统时，为了分析方便，把噪声假想成一种理想化的形式，认为它通信的频段不受限于实际通信系统的频段，并包括电磁辐射全部可见频率，这种噪声称为白噪声。由于高斯过程的普遍存在和高斯噪声过程在通信中的重要意义，我们归纳它们的统计特征的特点。高斯随机过程的一维统计特性只取决于均值和方差，二维统计特性主要取决于自协方差或自相关函数。高斯过程若广义平稳，则同时也严格平稳。窄带高斯噪声及其同相、正交分量均值皆为0，方差均等于窄带高斯噪声本身的方差，同相分量与正交分量不相关且统计独立。窄带噪声包络为瑞利分布，相位为均匀分布。载波信号加窄带噪声一般为赖斯分布，当信号幅度很大时，为高斯分布：幅度很小时，接近于瑞利分布；信号包络与噪声包络相差不大时，为赖斯分布。3.3仿真系统设计－－BFSK在三种传输信道中的传输性能分析(1)BFSK信号概述由于实际通信中不少信道都不能直接传输基带信号，因此，必须用基带信号对载波波形的某些参数进行控制，使载波的这些参量随基带信号变化而变化，即所谓载波调制。以正弦波作为载波的数字调制系统有调幅、调频和调相三种基本形式。设信息源发出的由二进制符号0、1组成的序列，且假定0符号出现的概率为P，1符号出现的概率为1-P，它们彼此独立。BFSK信号是。符号对应于载频，而1符号对应于载频(与不同的另一载频)的已调波形，而且和的改变是瞬间完成的。根据以上BFSK信号的产生原理，已调信号的数学表示为：59 湖南工程学院毕业设计（论文）（3-2）式中，g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为，，是的反码，，分别为第n个码元的初相位。(2)仿真模型设计目的探讨BFSK信号在高斯白噪声信道、多径瑞利信道和多径伦琴信道中的传输性能。(3)仿真模型设计分析及其组成结构图3.2BFSK信号在高斯白噪声信道中传输系统图3.3BFSK信号在多径瑞利信道中传输系统模型图3.4BFSK信号在多径瑞利信道中传输系统信源模型59 湖南工程学院毕业设计（论文）图3.5BFSK信号在多径瑞利信道中传输系统信道模型图3.6BFSK信号在多径瑞利信道中传输系统信宿模型图3.7BFSK信号在多径伦琴信道中传输系统图3.8BFSK信号在多径伦琴信道中传输系统信源模型图3.9BFSK信号在多径伦琴信道中传输系统信道模型59 湖南工程学院毕业设计（论文）图3.10BFSK信号在多径伦琴信道中传输系统信宿模型这三个传输系统的信源都是随机整数产生器(RandomIntegerGenerator)，在接收端解调后的信号通过误码率计算器(ErrorRateCalculation)计算信号的误比特率。利用加性高斯白噪声信道(AWGNChannel)模块，在输入信号中加入高斯白噪声；利用多径瑞利衰落信道(MultipathRayleighFadingChannel)模块，实现基带信号的多径瑞利信道仿真。它的输入信号是标t形式或帧格式的复信号，输入信号被延迟一定时间之后形成多径信号，这些多径信号分别乘以相应的增益，迭加之后就形成了瑞利衰落信号。利用伦琴衰落信道(RicianFadingChannel)模块对基带信号的伦琴衰落信道进行仿真，它的输入信号是标量形式或帧格式的复信号。(4)仿真模型运行结果及其分析图3.11BFSK信号在高斯白噪声信道中的传输性能图3.12BFSK信号在多径瑞利衰落信道中的传输性能59 湖南工程学院毕业设计（论文）图3.13BFSK信号在伦琴衰落信道中的传输性能上图中X轴表示信噪比(单位：dB)，Y轴表示信号的误比特率(对数坐标)。从图中可以看出，在三个信道中，BFSK调制信号的误比特率随着信噪比的增加而降低。对于相同的信噪比，伦琴信道的误比特率明显优于多径瑞利衰落信道。当信号的信噪比低于6dB时，伦琴信道的误比特率甚至优于只存在加性高斯白噪声的信道。当信噪比等于156dB时，加性高斯白噪声信道的误比特率远远低于此时瑞利衰落信道的误比特率。这样，如果在瑞利衰落信道中获得与高斯白噪声信道相同的传输效果，就需要增加信号的信噪比。在移动通信中，瑞利衰落是不可以避免的，因此需要采取其它措施来提高通信系统的性能。在都市环境中，由于众多建筑物的阻挡，移动台和基站之间很难存在一条视距传输路径，信号主要通过反射和折射到达接收端，仿真过程中一般将信道看作是多径瑞利衰落信道。对于郊区或农村，由于视距传播路径的存在，同样的发射功率可以获得更好的传输效果，这时候采用伦琴衰落信道就显得更加恰当。因此，不同的环境需要采用不同的信道模型进行仿真。59 湖南工程学院毕业设计（论文）第四章模拟信号的数字传输研究及其仿真4.1模拟信号的数字传输模型及抽样定理4.1.1模拟信号的数字传输模型通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统，如果我们在发送端的信息源中包括一个模/数转换装置，在接收端包含一个数/模转换装置，则可以在数字系统中传输模拟信号。采用最早的和目前使用比较广泛的模/数转换方法是脉冲编码调制，即PCM（简称脉码调制)。采用脉码调制的模拟信号数字传输系统如图4-1。译码和低通滤波数字传输系统抽样量化编码模拟信息源m(t){}{}图4.1模拟信号数字传输系统4.1.2抽样定理抽样定理是指一个频带限制在(0，)赫兹内的时间连续信号m(t)，如果在秒的间隔对它进行等间隔抽样，则m(t)可以所得到的抽样值完全确定。抽样定理告诉我们，如果对某一个带宽有限的时间连续信号(模拟信号)进行抽样，且抽样速率达到一定数值时，那么根据这些抽样值就能够准确地确定原信号。这就是说，若要传输模拟信号，不一定要传输模拟信号本身，可以只传输抽样定理得到的抽样值。因此，该定理就为模拟信号的数字传输提供了理论基础。模拟信号进行抽样以后，其抽样值是随信号幅度连续变化的，即抽样值m(kT)可以取无穷多个可能值，如果用N个二进制数字信号来代表该样值的大小，以便利用数字传输系统来传输该样值信息，那么N个二进制数字信号只能同个电平样值相对应，而不能同无穷多个电平样值相对应。这样一来，抽样值必须被划分成M个离散电平，此电平被称为量化电平。59 湖南工程学院毕业设计（论文）利用预先给定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程被称为抽样。抽样是把一个时间连续的信号变换成时间离散的信号，而量化则是将取值连续的抽样变成取值离散的抽样。4.2模拟信号的量化4.2.1均匀量化把输入信号的取值区域按等距离分割的量化称为均匀量化。均匀量化的每个量化区间的量化电平均取在个区间的中点。量化间隔取决于输入信号的变化范围和量化电平数。4.2.2非均匀量化非均匀量化的方法通常是将抽样值通过压缩再进行均匀量化。通常使用的压缩器中，大多数采用对数式压缩，即。广泛采用的两种对数压缩率是u压缩律和A压缩律。美国采用u压缩律，我国和欧洲各国均采用A压缩律。U压缩率0（4-1）A压缩率，，（4-2）式中，Y－归一化的压缩器输出电压；X－归一化的压缩器输入电压；U，A－压扩参数，表示压缩的程度。实际中，往往都采用近似于A律函数规律的13折线(A=87.6)的压扩特性。这样，它基本上保持了连续压扩特性曲线的优点，又便于用数字电路实现。13折线形成的方法是把x轴的0-1分成8个不均匀段，而Y轴的0-1均匀地分成八段，与x轴的八段一一对应。至于当x在-1－0及Y在-1－0的第三象限中，压缩特性的形状与以上讨论的第一象限压缩特性的形状相同，且它们以原点为奇对称，所以负方向也有八段直线，合起来共有1659 湖南工程学院毕业设计（论文）个线段。由于正向一、二两段和负向一、二两段的斜率相同，这四段实际上为一条直线，因此正、负双向的折线总共由13条直线段构成，故称其为13折线。13折线和A律(A=87.6)压扩特性的近似程度，可以由表4-1看出。表4-1y01/82/83/84/85/86/87/81X101/1281/60.61/30.61/15.61/7.791/3.931/1.981X201/1281/641/321/161/81/41/2/段落12345678斜率161684211/21/4u律15折线形成如下。把Y坐标从。到1之间划分为八个均匀等分，对应于分界点Y坐标i/8的x坐标，根据律压缩特性得到(u＝255)，共14个斜率发生变化的分界点，将其分成15段直折线。其具体值可见表4-2：表4-2I012345678Y=i/801/82/83/84/85/86/87/8101/2553/2557/25515/25531/25563/255127/2551相对斜率11/21/41/81/161/321/641/128段落123456784.3脉冲编码调制及差分脉冲编码调制原理4.3.1脉冲编码调制(PCM)原理模拟信息源输出的模拟信号需经过抽样和量化后得到输出电平序列{}，才可以将每一个量化电平用编码方式传输。所谓编码就是将量化后的信号变换成代码，其相反过程称为译码。这里编码和译码属于信源编码的范畴，差错控制编码和译码属于信道编码。将模拟信号的抽样量化值变换成代码，称为脉冲编码调制(PCM)。PCM通信系统方框图如下：59 湖南工程学院毕业设计（论文）抽样量化编码信道低通滤波译码A/D变换m(t)干扰图4.2PCM通信系统方框图图中，输入的模拟信号经抽样、量化、编码后变成了数字信号(PCM信号)，经信道传输到达接收端，由译码器恢复出抽样值序列，再由低通滤波器滤出模拟A带信号。通常，将量化与编码的组合称为模/数变换器（A/D变换器)；而译码与低通滤波的组合称为数/模变换器(D/A变换器)。前者完成由模拟信号到数字信号的变换，后者则相反，即完成数字信号到模拟信号的变换。4.3.2差分脉冲编码调制（DPCM）原理差分脉冲编码调制DPCM是一种结合了脉冲编码调制PCM和增量调制DM的调制方式它首先把输入信号转换成增量信号，然后对这些信号进行PCM调制抽样量化编码低通滤波信道译码积分DPCM信号译码积分图4.3DPCM系统的组成4.4仿真系统设计4.4.1A律十三折与u律十五折量化误差分析(1)仿真模型设计目的如果在发送端的信息源中包括一个模/数转换装置，而在接收端包含一个数/59 湖南工程学院毕业设计（论文）模转换装置，则可以在数字系统中传输模拟信号。抽样定理为模拟信号的数字传输提供了理论基础。在完成对模拟信号进行抽样后，就要对抽样值进行量化。量化可以分为均匀量化和非均匀量化，在非均匀量化中，存在A律十三折曲线与u律十五折曲线两种近似的量化方式，而量化误差是衡量量化效果的重要指标。在本仿真模型中，我们将通过量化误差的大小来比较这两种量化方式的效果。(2)仿真模型设计分析及其组成结构图4.4A律十三折与u律十五折量化误差分析模型本仿真模型采用一个SineWave产生一个正弦型信号，这个信号分别通过两个抽样量化编码器按照A律十三折曲线和u律+五折曲线产生量化输出信号，然后把这两个量化器计算得到的量化误差的均方值通过一个Mux(复用器)输入到Scope(示波器)，这时候从示波器上就可以观察到这两种量化编码器产生的误差。抽样量化编码器根据量化间隔和量化码本把输入的模拟信号转换成数字信号，并且输出量化指标、量化电平以及误差的均方值。为了比较量化之前和量化之后的正弦信号，正弦信号产生器和两个抽样量化编码器的第二个输出端口的输出信号通过另外一个复用器连接到Scopel(示波器)。(3)仿真模型运行结果及其分析图4.5示波器Scope1的运行结果示波器ScPoel的运行结果中X轴表示时间(单位：s)，Y59 湖南工程学院毕业设计（论文）轴表示信号幅值。从图中可以看出，抽样量化后的信号与原来的连续信号之间存在着一定的量化误差，同时A律十三折曲线和u律十五折曲线在处理大信号的方式相似，两者的差别在于对小信号的量化编码方式上。图4.6示波器Scope的运行结果示波器Scope2的运行结果中X轴表示时间(单位：S)，Y轴表示信号的量化误差。从图中可以看出，在处理小信号时u律十五折曲线比A律十三折曲线效果好；而在处理大信号时，u律十五折曲线要比A律十三折曲线效果差。59 湖南工程学院毕业设计（论文）第五章通信系统信道编码研究及其仿真5.1信道编码概念信道编码是现代通信系统广泛采用的一种差错控制措施。在信道编码过程中，发送端通过某种方式对信息序列进行计算，得到相应的检错/纠错编码，然后把这个检错/纠错编码附加到信息序列中，经过载波调制之后发射出去。接收端对这个序列实施信道编码的逆过程之后，就得到了所需要的信息序列，同时也知道了该序列是否存在着传输错误。如果信道编码只具有检错能力，它可以通过发送端的重传过程来纠正这个错误；如果信道编码还具有一定的纠错能力，它就可能纠正这个错误，但是前提是接收信号中误码的个数没有超出信道编码的纠错能力。5.2信道编码分类5.2.1分组编码分组码是把若干个输入信号变成一个更长的输出序列的编码方式，它通过提供编码的冗余度来实现对信号的检错和纠错。假设输入信号是一个长度为k的向量x，经过分组编码之后的输出信号是一个长度为n的向量Y，则这个分组编码表示为(n，k)，其中信息位的长度等于k，码长为n，监督位的长度r=n-k，编码效率等于k/n=1-r/n。对于分组码，输出序列Y一般可以表示成输入向量x与生成矩阵G的乘积，其中G是一个k行n列的矩阵。BCH码是一种特别重要的分组编码。它是根据3个发明人的名字Bose，Chaudhuri和Hocguenghem命名的。BCH码的重要性在于它解决了生成多项式与纠错能力之间的关系问题，可以方便地纠正多个随机错误。对于特定的码子长度n，BCH码只能对特定的长度为k的信息序列进行编码。Reed-Solomon码是一种具有很强纠错能力的多进制BCH码〔简称RS码)，它是以两个发明人的名字Reed和Solomon命名的。对于一个M进制RS码，它的输入和输出信号的范围都等于[0，M-1]，其中M=。RS码的码长度n=M-1=-1，如果信息位的长度等于k假设它能够纠正t个错，则监督位的长度r=n-k。另外，RS码具有很强的纠错能力，则RS码的监督位长度r和t之间应该满足关系r=n-k=2t。因此，RS码的长度与信息位长度之间的差值应该是一个偶数，同时，RS码的最小码元距离为：59 湖南工程学院毕业设计（论文）（5－1）RS码的输入信号还可以用二进制符号来表示，每个M进制符号可以表示成m位二进制符号。5.2.2循环冗余码循环冗余码CRC(Cyclicredundancycheck)是一种使用相当频繁的检错码。与分组码不同的是，循环冗余码不具有纠错能力。当接收端检测到传输错误时，它并不去纠正这个传输错误，而是要求发送端重新发送这个信号序列。在循环冗余码的编码过程中，发送端对一个特定长度的信息序列计算得到一个循环冗余码，并且把这个循环冗余码附加到原来信息序列的末尾一起发送出去。接收端接收到带有循环冗余码的信号后，从中分离出信息序列和循环冗余码，然后根据接收到的信息位序列重新计算循环冗余码。如果这个重新计算得到的循环冗余码与分离出来的循环冗余码不同，则接收信号序列存在着传输错误。这时候接收端会要求发送端的重新发送这个信号序列，通过这个过程实现对信号的纠错。5.2.3卷积编码卷积编码与分组编码不同。在分组编码中，任何一段规定时间内编码器的输出完全决定于这段时间中的输入信号；而在卷积码中，任何一段规定时间的n个码元不仅取决于这段时间内的k个信息位，而且还取决于前N-1段时间内的信息位，这个N就成为卷积码的约束长度。卷积编码器的表示有两种方式：用多项式表示以及用Trellis图表示。卷积编码器的多项式表示由3部分组成：约束长度、生成多项式以及反馈多项式。如果卷积编码器只有一个输入时，它的约束长度是一个标童，并且等于卷积编码器中储存的信息位的个数(包括移位寄存器的个数以及当前的输入信号)。如果卷积编码器有多个输入，则约束长度是一个向量，其中的每一个元素对应于一个输入信号在卷积编码器中存储的信息位的个数。假设卷积编码器有k个输入信号和n个输出信号，则这个卷积编码器的生成多项式是一个k行n列的矩阵G=，其中的每一个元素，表示第i个输入信号对第j个输出信号的影响。如果第i个输入信号对第/个输出信号有影响，则=1，否则，=0。对于带反馈的卷积编码器，还需要指定相应的反馈多项式。如果卷积编码器只有一个输入信号，则反馈多项式是一个标量。当卷积编码器有多个输入信号时，反愤多项式是一个向量，它的长度等于卷积编码器输入信号的个数。59 湖南工程学院毕业设计（论文）5.3仿真系统设计5.3.1RS编码纠错性能分析(1)仿真模型设计目的在早期的移动通信系统中，数据在传输过程中出现错位之后一般是通过前向纠错来纠正的，即在传输信号中引入一定的冗余度来实现信号的纠错功能。由于RS具有较强的纠错能力，因此在移动通信系统中得到了广泛的应用。本仿真模型将对第二代无绳电话系统(CT2)数据业务中采用的RS编码进行仿真，由此来分析RS编码的纠错能力。(2)仿真模型设计分析及其组成结构第二代无绳电话系统(CT2)最早起源于英国，主要应用于家庭、商业以及公共电话系统，一般使用864.1MHz和868.1MHz之问的频段，采用FDMA方式，每个信道占用l00kHz的带宽，可支持40个信道。CT2系统中基站的发射功率较小，手机最大发送功率为10dBW，调制方式为频移键控(FSK)，标准覆盖半径为40-200米。本仿真模型由3个部分组成：Source(信源模块)、BinarySymmetricChannel(信道模块)以及Sink(信宿模块)。信源模块产生一个随机二进制数据帧，这些数据帧通过RS编码之后进入二进制对称信道，然后在信宿模块中进行RS解码，最后计算编码信号的误比特率，绘制信号误比特率与信道质量之间的关系图。图5.1仿真模型结构图图5.2信源模块结构图59 湖南工程学院毕业设计（论文）图5.3信宿模块结构图(3)仿真模型运行结果及其分析图5.4模型仿真结果在仿真运行结果中，x轴表示信道的误比特率，Y轴表示编码信号的误比特率。从图中可以看出，当信道中的误比特率低误1%时，RS编码具有较好的效果。信道误比特率增大之后，接收信号中的误码个数将超过RS编码的纠错能力，因此，当信道误比特率较高时，还要联合采用其他方法才能保证信号的正确接收。59湖南工程学院毕业设计（论文）5.3.2CRC-16编码检错性能分析(1)仿真模型设计目的循环冗余码CRC是一种使用相当频繁的检错码。当接收端检测到传输错误时，它并不去纠正这个传输错误，而是要求发送端重新发送这个信号序列。在循环冗余码的编码过程中，发送端对一个特定长度的信息序列计算得到一个循环冗余码，并且把这个循环冗余码附加到原来信息序列的末尾一起发送出去。本仿真模型将对DECT数据业务中采用的CRC编码进行仿真来分析CRC编码的检错能力。(2)仿真模型设计分析及其组成结构DECT(DigitalEuropeanCordlessTelephone)是一种新的无绳电话通信标准，它是由欧洲电信标准化协会(ETSI，EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute)于1992年在工SDN和GSM的基础上制定的。59 湖南工程学院毕业设计（论文）DECT可用于家庭、商业通信系统及公共网的接入。它使用的频段在1880MHz和1900MHz之间。DECT的接入方式为TDMA/TDD，每个物理信道分成24个时隙，这24个时隙称为一帧，帧长10毫秒。每个时隙可传输480个比特信息，其中包括32bit的同步前缀，388bit的数据以及60bit的保护间隔。在388bit的数据中，DECT只对48bit的头部进行CRC校验，产生16bit的校验位，剩余的数据直接传输。本仿真模型结构如下。Source(信源模块)每隔10毫秒产生一个数据帧，数据帧在CRC校验和填充之后长度等于480bit。数据帧在Channel(信道模块)中传输，这个信道是一个二进制对称信道。Sink(信宿模块)对接收到的信号进行CRC译码。这里我们关心的是CRC的校验能力，因此我们对CRC编码原始信号与通过信道传输后的信号进行比较，检查这个数据帧中是否存在传输错误。同时，CRC检测器也产生一个关于这个数据帧的质量报告。如果这两种判断方法得到的结果相同，则表示CRC的检测结果是正确的。否则，要么是传输过程中发生的错误比特的个数超过了CRC的检错能力，要么是信息位本身没有错误，但是CRC校验位出现了传输错误导致错误的判决。这样，我们就能够获得错误判决帧所占的比例与信道误比特率之间的关系。图5.5仿真模型结构图图5.6信源模块结构图59 湖南工程学院毕业设计（论文）图5.7信宿模块结构图图5.8信号比较模块(3)仿真模型运行结果及其分析图5.9CRC_16编码检错性能分析模型仿真结果在仿真运行结果中，X轴表示信道的误比特率，Y轴表示编码信号的误比特率。从图中可以看出，CRC检测的性能是相当理想的，不管信道的误比特率是多高，CRC检测器发生的错误判决的比例都低于，即每10000个数据帧中只有一个帧在发生传输错误时未能被CRC检测器检查出来。因此，CRC编码广泛的应用于移动通信系统中，用于实现自动求重传(ARQ，AutomaticRetransmissionRequest)功能。59 湖南工程学院毕业设计（论文）第六章通信系统信号调制研究及其仿真6.1信号调制的概念信号调制是根据输入信号改变传输信号，使之能够在特定的频率范围之内和特定条件的信道中传输的过程。信号解调是信号调制过程的逆过程，它把某种特定形态的传输波形还原为发送端调制前的信号。根据调制前的信号是模拟信号还是数字信号可以把信号调制方式分成两类：模拟调制方式和数字调制方式。另外，根据调制信号是否存在载波还可以把模拟调制方式分为基带调制和频带调制，其中基带调制方式不需要载波，频带调制方式则把基带信号调制到更高频率的载波上进行传输。我们这里着重研究数字信号调制。6.2信号调制6.2.1脉冲振幅调制（PAM）除了正弦型信号外，在时间上连续的脉冲串，同样可以作为载波，这时的调制是用基带信号去改变脉冲的某些参数而达到的，人们常把这种调制称为脉冲调制。通常，按基带信号改变脉冲参数(幅度、宽度、时间位置)的不同，把脉冲调制又分为脉幅调制(PAM)、脉宽调制(POM)和脉位调制(PPM)等。这里我们着重研究一下脉冲振幅调制(PAM)。所谓脉冲振幅调制(PAM)，即是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。如果脉冲载波是由冲激脉冲组成的，则抽样定理就是脉冲振幅调制的原理。但是，实际上的真正的冲激脉冲串并不能实现，而通常只能采用窄带脉冲串来实现。因而，研究窄带脉冲作为脉冲载波的PAM方式，将具有实际意义。设基带信号m(t)是一个频带限制在(0，)赫兹内的时间连续信号。脉冲载波为S(t)。它是由脉宽为T秒、重复周期为T秒的矩形脉冲串组成，T是按抽样定理确定的，即T=1/2秒。抽样信号是基带信号m(t)与S(t)的乘积。抽样信号的频谱可表示为：（6-1）59 湖南工程学院毕业设计（论文）6.2.2正交振幅调制(QAM)正交振幅调制(QAM)是以载波的幅度和相位两个参量同时载荷一个比特或一个多元符号的信息。因此，它比单一参量受控数字符号的频带传输方式更富有抗干扰能力。同时QAM的多元技术MQAM，M值可能很大，如M=1024(即1024QAM)其频带利用率大大提高，这对无线传输的频带资源有很大的节省。正交振幅调制(QAM)信号的一般表达式为：（6-2）式中，是宽度为的单个基带脉冲。乘法器乘法器相移串/并加法器电平转换图6.1QAM信号的构成6.2.3数字频率调制(1)最小频移键控(MSK)信号频偏指数的定义是为：n=1，2……(6-3)显然，频偏指数的意义是，在保证传号与空号信号正交的条样下，FSK采用的两个载波频率之差的取值大小，可由h取值来决定。最小频移键控(MSK)信号是由满足正交条件且频偏指数h=1/2的两个载波构成的CPFSK信号，带宽最小频移键控(MSK)信号恒定包络，功率谱性能好，具有较强的抗噪声干扰能力，特别是MSK的几种改进技术，大量用于移动通信，抗衰落性能好。(2)高斯最小频移键控(GMSK)信号59 湖南工程学院毕业设计（论文）MSK调制方式的突出优点是信号具有恒定的振幅及信号的功率谱在主瓣以外衰减较快。然而，在一些通信场合，例如移动通信中，对信号带外辐射功率的限制是十分严格的，比如，必须衰减70-80dB以上。MSK信号仍不能满足这样苛刻的要求。高斯最小频移键控(GMSK)就是针对上述要求提出来的。GMSK信号是在MSK调制之前加入一高斯低通滤波器。高斯低通滤波器作为MSK调制的前置滤波器，它的作用是使基带方波的“棱角”加以圆滑NRZ波形高斯滤波器VCO{}图6.2GMSK调制信号系统高斯低通滤波器必须满足一定的要求：带宽窄，且是锐截止的；具有较低的过脉冲响应；能保持输出脉冲的面积不变。以上的要求分别是为了抑制高频成分，防止过量的瞬间频率偏移以及进行相干检测所需要的。GMSK信号的解调与MSK信号完全相同。6.2.4数字相位调制(1)四相绝对相移键控(QPSK)信号四相绝对相移键QPSK调制是利用载波的四种不同相位来表征数字信息。由于每一种载波相位代表两个比特信息，故每个四进制码元又称为双比特码元。乘法器乘法器相移串/并加法器双极性不归零码图6.3QPSK信号产生框图(2)四相相对相移键控(DQPSK)信号四相相对相移(DQPSK)调制是利用前后码元之间相对相位变化来表示数字信息。要得到DQPSK信号，只需要在调制QPSK的系统中的串/并变换器加入一个码变换器，将绝对码变成相对码，然后把从码变换器输出的双比特码进行四相绝对相移调制，则输出的信号便是四相相对相移信号。(3)偏移正交调相(OQPSK)信号59 湖南工程学院毕业设计（论文）从QPSK信号数学表达式和星座图明显看出，4个各不同相位的已调载波的相位在符号交替时的跳变值可能是0，土/2，，由于士/2及反相波形的相位突变值，必定会使包络失去“恒包络”特征，甚至出现反相点的突变，可能导致出现零包络，这对于由识别相位进行解码是非常不利的。另外，QPSK信号功率谱也会扩展，而造成信号限带失真，或邻道干扰，或符号间干扰。改进方法是利用偏移正交调相OQPSK信号。所谓偏移是在QPSK调制系统中的一个支路(如Q支路)加入1bit的延迟单元，然后进入乘法器。OQPSK系统中的I与Q支路的两个基带数据流不像QPSK那样在时间上完全同步，而是相差1比特间隔=T/2，这样进行正交调制之后的两支路已调波，就不会同时进行符号交替，即已调载波的相位转换任何时间只有其中之一，而不会像QPSK那样同步(同时)转换。于是，其两支路合成输出波形中，原来QPSK可能出现的二相值突变，成为只可能为0，土/2的相位变化。乘法器乘法器相移串/并加法器电平转换图6.4OQPSK信号产生框图6.3仿真系统设计6.3.1PAM和QAM抗噪声性能分析(1)仿真模型设计目的脉冲振幅调制(PAM)是脉冲载波的幅度随基带信号变化的一种调制方式。正交振幅调制(QAM)是以载波的幅度和相位两个参量同时载荷一个比特或一个多元符号的信息，它比单一完全受控数字符号的频带传输方式更富有抗干扰能力。本仿真模型将考察这两种调制方式的抗噪声性能。(2)仿真模型设计分析及其组成结构在PAM调制的仿真模型中，RandomIntegerGenerator(随机整数产生器)59 湖南工程学院毕业设计（论文）产生一个八进制整数序列，这个整数序列通过M-PAMModulatorBaseband(PAM基带调制模块)进行调制，得到基带调制信号。PAM荃带调制器模块产生的基带调制信号经过AWGNChannel(加性高斯白噪声信道模块)后由M-PAMDemodulatorBaseband(PAM基带解调器模块)进行解调。ErrorRateCalculation(误码率统计模块)对原始信号和解调信号进行比较，统计得到PAM调制的误码率。图6.5PAM仿真模型结构图QAM调制的仿真模型与PAM调制的仿真模型非常相似，它只是把PAM基带调制器模块和解调器模块分别换成QAM基带调制模块和QAM基带解调模块。在QAM调制的仿真模型中，信源、信道和信宿都与PAM仿真模型保持一致，这样便于在相同条件下比较两种调制方式的性能。图6.6QAM仿真模型结构图59 湖南工程学院毕业设计（论文）(3)仿真模型运行结果及其分析图6.7仿真结果在仿真运行结果中，x轴表示信道的信噪比，Y轴表示编码信号的误比特率。其中实线表示PAM调制的误码率，虚线表示QAM调制的误码率。从图可以看出，这两种调制方式的误码率是比较相近的，而PAM的抗噪声性能略优于QAM。6.3.2QPSK在IS-95前向信道中的应用(1)仿真模型设计目的本仿真模型将对IS-95前向业务信道中采用QPSK调制方式进行仿真，以衡量QPSK信号在高斯白噪声信道中的性能。(2)仿真模型设计分析及其组成结构在本仿真模型中，BernoulliBinaryGenerator(贝努利二进制序列产生器)产生一个二进制向量，向量的长度等于2，分别代表QPSKModulatorBaseband(QPSK调制器)的两个输入信号。QPSK调制器产生的调制信号首先经过一个AWGNChannel(加性高斯白噪声信道模块)，然后进入QPSKDemodulatorBaseband(QPSK解调模块)进行解调。由于贝努二进制序列产生器的输出信号是长度为2的二进制向量，而QPSK基带解调器模块的输出信号是一个二进制序列，因此，在对它们进行比较之前，首先通过两个数值转换模块(BitIntegerConverter1和BitIntegerConverter2)把它们转换成四进制整数。最后，两个数值转换模块的输出信号进入一个误码率统计模块(ErrorRateCalculation)，以统计QPSK解调信号的误码率。59 湖南工程学院毕业设计（论文）图6.8仿真模型结构图(3)仿真模型运行结果及其分析图6.9仿真结果在仿真运行结果中，X轴表示信道的信噪比，Y轴表示信号的误码率。图中的4条曲线分别表示当QPSK调制器和解调器的SamplesperSymbol参数等于1，2，3，4时QPSK信号的误码率性能。从图中可以看出，SamplesperSymbol参数的设置在很大程度上影响着QPSK信号的解调性能，SamplesperSymbol参数值越大，信号的误码率越低，但仿真需要的时间也会延长，所以应当合理设置其值。6.3.3DQPSK在USDC中的应用(1)仿真模型设计目的四相相对相移键控(DQPSK)是利用前后码元之间的相对相位变化来表示数字信息。本仿真模型将对美国数字蜂窝系统(USDC，UnitedStatesDigitalCellularSystem)中采用DQPSK调制方式进行仿真，以考察DQPSK调制信号的抗噪声性能，并且与QPSK调制信号的误码率进行比较。59 湖南工程学院毕业设计（论文）(2)仿真模型设计分析及其组成结构美国数字蜂窝系统(USDC，UnitedStatesDigitalcellularsystem)是继AMPS之后的又一种蜂窝通信系统，它采用数字调制方式，因此又被称为数字AMPS系统(D-AMPS)。由于采用了数字调制方式，USDC系统的容量是AMPS的六倍，在很大程度上满足了移动用户数量上快速增长的要求。USDC系统的话音信道采用/4DQPSK调制方式，信道传输速率可以达到48.6kbit/s。在DQPSK调制的仿真模型中，BernoulliBinaryGenerator(贝努利二进制序列产生器)产生一个二进制向量，这个二进制向量的长度等于2，分别代表DQPSK调制器两个支路的输入信号。我们采用DQPSKModulatorBaseband(DQPSK基带调制模块)对这个信号进行调制，产生DQPSK基带调制信号。基带调制信号首先经过一个AWGNChannel(加性高斯白噪声信道模块)，然后由DQPSKDemodulatorBaseband(DQPSKAWGNChannel(加性高斯白噪基带解调器模块)对其实施解调。这个DQPSK基带解调器的参数设置和DQPSK基带调制器保持一致，它们具有相同的相位偏移和抽样个数，并且输出整数形式的解调信号。贝努利二进制序列产生器的输出信号在通过BittoIntegerConverter(数值转换模块)转换成整数之后，与DQPSK解调信号一起进入ErrorRateCalculation(误码率统计模块)。编写M文件对仿真模型中的各个变量进行赋值，然后依次改变信号的信噪比，循环执行仿真文件，最后根据仿真的结果绘制曲线。图6.10仿真模型结构图(3)仿真模型运行结果及其分析59 湖南工程学院毕业设计（论文）图6.11仿真结果在信噪比较高的条件下，如果仿真的时间不够长，这时候仿真得到的误比特率通常等于零。为此，我们把贝努利二进制序列产生器的抽样间隔xSampleTime设置为1/100000，同时把仿真时间xSimulation设置为10秒，从而在一个仿真循环中产生了个调制信号，以此提高仿真数据的精度。由此带来的另外一个问题是仿真时间需要较长的执行时间，这个时间还取决于计算机的运算速度；仿真结束之后我们得到了如图的误码率曲线，x轴表示信道的信噪比，Y轴表示QPSK调制信号和DQPSK调制信号的误码率。从图中可以看到，在相同的条件下(相同的数据源、相同的信噪比以及相同的调制信号抽样数)，QPSK调制信号的性能优于DQPSK。6.3.4OQPSK在IS-95反向信道中的应用(1)仿真模型设计目的IS-95前向信道采用QPSK调制方式，而在反向信道中则采用了OQPSK，其中Q支路信号比I支路信号落后半个码片周期，以提高调制信号的整形和同步效果。本仿真模型将对QPSK和OQPSK两种调制方式的抗噪声性能进行比较.(2)仿真模型设计分析及其组成结构在OQPSK调制和解调系统中，贝努利二进制序列产生器(BernoulliBinaryGenerator)产生一个长度为2的二进制向量，它们分别表示OQPSK基带调制器模块{OQPSKModulatorBaseband)两个支路的输入信号。为了考察OQPSK的抗噪声性能，基带调制信号先经过一个加性高斯白噪声信道模块(AWGNChannel)，然后由OQPSK基带解调器模块(OQPSKDemodulatorBaseband)对其实施解调OQPSK基带解调器的输出信号是一个四进制整数，为此需要把贝努利二进制序列产生器的输出信号换成整数，这是通过数值转换模块(BittoIntegerConverter)实现的。此后误码率统计模块(ErrorRateCalculation)59 湖南工程学院毕业设计（论文）统计CQPSK调制信号的误码率，并且把误码率统计结果保存在工作区变量xErrorRate中。图6.12仿真模型结构图最后，编写M文件，通过这个脚本程序对仿真模型的各个变量进行赋值，然后计算不同信噪比条件下QPSK和OQPSK的误码率，并且根据仿真的结果绘制曲线图。得到的两条曲线图分别表示QPSK调制和OQPSK调制的误码率。(3)仿真模型运行结果及其分析图6.13仿真结果在仿真运行结果中，X轴表示信道的信噪比，Y轴表示QPSK调制和OQPSK调制的误码率。从图中可以看出，在相同的数据源和信噪比条件下，OQPSK调制信号的性能优于QPSK调制信号。例如，当信噪比等于10分贝时，QPSK调制信号的误码率约等于0.6%，而OQPSK调制信号的误码率则只有0.002%。6.3.5GMSK在GSM中的应用(1)仿真模型设计目的GMSK信号是在MSK调制之前加入一高斯低通滤波器作为MSK59 湖南工程学院毕业设计（论文）调制的前置滤波器。高斯低通滤波器的作用是使基带方波的“棱角”加以圆滑。本仿真模型将对GSM(GlobalSystemforMobilecommunication)中采用的GMSK调制和解调过程进行仿真，以分析GMSK调制信号误码率与信道信噪比之间的关系。(2)仿真模型设计分析及其组成结构GSM(GlobalSystemforMobilecommunication)是目前世界上应用最为广泛的一种数字移动通信系统，它采用TDMA/FD方式，信道数据传输速率达到270.833kbit/s，每个信道的带宽等于200kHz。在本仿真模型中，BernoulliBinaryGenerator(贝努利二进制序列产生器)产生一个二进制序列，然后通过GMSKModulatorBaseband(GMSK基带调制器模块)得到基带调制信号。GMSK基带调制信号首先通过一个AWGNChannel〔加性高斯白噪声信道模块)，然后由GMSKDemodulatorBaseband(GMSK基带解调器模块)对其实施解调，得到二进制解调信号，最后由ErrorRateCalculation(误码率统计模块)统计GMSK调制信号的误码率。图6.14仿真模型结构图(3)仿真模型运行结果及其分析图6.15仿真结果在仿真运行结果中，K轴表示信道的信噪比，Y轴表示GMSK调制的误码率。从图中可以看出，随着信道的信噪比的增加，GMSK59 湖南工程学院毕业设计（论文）调制信号的误码率也越来越低。当信噪比达到8dB以上时，GMSK调制的误码率低于，此时系统的性能状态已经非常好。59 湖南工程学院毕业设计（论文）小结现代社会中通信系统功能加强，性能越来越高，构成越来越复杂，但是另一方面，要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期，降低成本，提高水平。这样尖锐对立的两个方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实观。而大量优秀的计算机仿真软件的研发成功，对通信系统仿真的发展定了极大的推动作用。通信系统仿真在通信系统工程设计中发挥着越来越重要的作用。本文介绍了通信系统仿真的相关自容，包括通信系统仿真的一般步骤、MATLAB中的一种可规化仿真工具simulink以及S—函数的相关概念等。对于通信系统中的各个具体环节包括通信系统信道、噪声、模拟信号的数字传输系统、信通编码以及信号调制的原理。方法和过程本文也进得了详细的阐述。在理解通信系统理论的基础上，利用MATLAB强大的仿真功能，本文设计了许多具体的通信系统模型，并且对模型设计的目的、具体的结构组成、仿真流程以及仿真结果都给出了具体详细的分析。仿真模型的设计与分析，为实际系统的构建提供了很好的依据。经过论文的研究工作，我深深感到通信系统仿真领域需要研究的内容还非常多，自己演剧的内容在许多的地方还需要不断的改进，有以下几个方面要继续改进或深入的分析：（1）本文在深刻理解通信系统理论的基础上设计了大量的仿真模型，但是这些模型大部分是针对通信系统某一方面的性能而设计的，虽然能说明一定的问题，但整体规模比较小，今后应该研究比较复杂的通信系统，按照实际的要求，构建较大规模的通信系统仿真模型。（2）本文在设计仿真模型时，主要是针对当系统的信噪比发生变化时，系统性能变化状况。虽然信噪比是研究通信系统性能非常重要的参量，它对通信系统的影响是很大的，但还可以拓宽思路，结合通信系统的其他的重要参量，设计仿真模型，对系统性能进行改进。59 湖南工程学院毕业设计（论文）参考文献[1]齐欢,王小平.系统建模与仿真仁[M].北京:清华大学出版社，2004.[2]康凤举.现代仿真技术与应用[M].北京:国防工业出版社，2001.[3]肖冬荣.系统控制论[M].武汉:武汉科技出版社，1995.[4」刘兴堂.吴晓燕.现代系统建模与仿真技术[M].西安:西北工业大学出版社，2001.[5]MichelC.Jeruchim等.通信系统仿真、建模、方法和技术[M].北京:国防工业出版社，2004.[6]陈平等.现代通信实验系统的计算机仿真[M].北京:国防工业出版社，2003.[7]肖冬荣.系统科学及其当前存在的问题[J].系统工程理论与践,1990.5:3-7.[8]李建新等.现代通信系统分析与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社，2000[9]孙屹.MATLAB通信与仿真开发手册[M].北京:国防工业出版社，2005.[10]JohnG.Proakis,MasoudSalehi.现代通信系统:使用MATLAB[M].西安:西安交通大学出版社，2001.[11]陈桂明等.应用MATLAB建模与仿真[M].北京:科学出版社，2001.[12]邓华等.MATLAB通信仿真及应用实例详解[M].北京:人民邮电出版社，2003.[13]黄文梅.系统分析与仿真[M].长沙:国防科技大学出版社，1999.[14]薛定宇,陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社，2002.[15]张葛祥,李娜.MATLAB仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社，2003.[16]邱晓林.基于MATLAB的动态模型与系统仿真工具[M].西安:西安交通大学出版社，2003.[17]影乐等.MATLAB仿真应用详解[M].北京:人民邮电出版社，2001.[18]刘卫国等.MATLAB程序设计与应用[M].北京:高等教育出版社，2002.[19]孙亮.MATLAB语言与控制系统仿真[M].北京:北京工业大学出版社，2001.[20]Gardner,J.F.机构动态仿真:使用MATLAB和SIMGLINK[M].西安:西安交通大学出版社，2002.59 湖南工程学院毕业设计（论文）致谢时间茬再，四年的大学生活即将结束，在这一年里，我的老师张细政给予我很大的启发和帮助。在论文选题、系统方案设计以及系统调试过程中，导师给予了精心的指导。在此，谨向老师张细政表示衷心地感谢！感谢所有教过我的老师，感谢他们的辛勤的付出!感谢我的同学候茂茂、周世银、江涛、孙波，感谢他们给我的帮助和陪伴，在我仿徨时给予我的支持。感谢我的父母、家人和朋友，感谢他们一直以来的信任、关心与支持。59 湖南工程学院毕业设计（论文）附录A（1）BFSK在高斯白噪声信道中传输的性能分析程序x=0:15;y=x;FrequencySeqaration=24000;BitRate=10000;SimulationTime=10;SamplesPerSymbol=2;fori=1:length(x)SNR=x(i);sim("BFSKgaosi");y(i)=mean(BitErrorRate);endholdoff;semilogy(x,y,"r");ylabel("BitErrorRate");xlabel("SNR(db)");title("BFSK在高斯白噪声信道中的传输性能");（2）BFSK在多径瑞利衰落信道中的传输性能分析程序x=0:15;y=x;FrequencySeparation=24000;BitRate=10000;SimulationTime=10;SamplesPerSymbol=2;Velocity=40;LightSpeed=3*10^8;Frequency=825*10^6;WaveLength=LightSpeed/Frequency;Fd=Velocity*10^3/3600/WaveLength;fori=1:length(x)SNR=x(i);sim("BFSKruili");y(i)=mean(BitErrorRate);endsemilogy(x,y,"b");ylabel("BitErrorRate");xlabel("SNR(db)");title("BFSK在多径瑞利信道中的传输性能");（3）BFSK在伦琴衰落信道中的传输性能分析程序x=0:15;y=x;FrequencySeparation=24000;59 湖南工程学院毕业设计（论文）BitRate=10000;SimulationTime=10;SamplesPerSymbol=2;Velocity=40;LightSpeed=3*10^8;Frequency=825*10^6;WaveLength=LightSpeed/Frequency;Fd=Velocity*10^3/3600/WaveLength;fori=1:length(x)SNR=x(i);sim("BFSKlunqin");y(i)=mean(BitErrorRate);endsemilogy(x,y,"b");ylabel("BitErrorRate");xlabel("SNR(db)");title("BFSK在伦琴衰落信道中的传输性能");（1）RS编码纠错性能分析程序x=[0.00010.0010.0050.010.020.030.040.050.10.2];y=x;BitRate=22000;SimulationTime=1;CodewordLength=60;MessageLength=44;PrimitivePolynomial=[100011101];FrameLength=64;fori=1:length(x)ChannelErrorRate=x(i);sim("RS");y(i)=SymbolErrorRate(1);endloglog(x,y);ylabel("CodeSymbolErrorRate");xlabel("ChannelErrorRate");title("RS编码能力");（2）CRC_16编码检错性能分析程序x=[0.000010.00010.0010.0050.010.020.030.040.050.10.20.30.40.5];y=x;ProtectedData=48;FrameInterval=0.010;BitPeriod=FrameInterval/ProtectedData;ProtectedDataWithCRC=ProtectedData+16;FrameLength=480;SimulationTime=1000;TotalFrameNumber=SimulationTime/FrameInterval;fori=1:length(x)59 湖南工程学院毕业设计（论文）ChannelErrorRate=x(i);sim("CRC_16");y(i)=MissedFrameNumber(length(MissedFrameNumber))/TotalFrameNumber;endloglog(x,y,"black");ylabel("MissedFrameRate");xlabel("ChannelErrorRate")title("信道误比特率与CRC校验错误比例之间的比例曲线");（1）PAM和QAM抗噪性能分析程序xSignalLevel=8;xSampleTime=1/100000;xSimulationTime=10;xInitialSeed=37;x=0:10;y1=x;y2=x;fori=1:length(x)xSNR=x(i);sim("pam");y1(i)=xErrorRate(1);end;fori=1:length(x)xSNR=x(i);sim("QAM");y2(i)=xErrorRate(1)endsemilogy(x,y1,"b",x,y2,"r");（2）QPSK在IS-95前向信道中的应用程序xSampleTime=1/100000;xSimulationTime=10;xInitialSeed=[6171];xPhaseOffset=pi/4;x=0:10;y=x;holdoff;forindex=1:4xSamplesPerSymbol=index;switchindexcase1xReceiveDelay=0;color="r";case2xReceiveDelay=1;color="g";case3xReceiveDelay=1;59 湖南工程学院毕业设计（论文）color="b";case4xReceiveDelay=1;color="m";endfori=1:length(x)xSNR=x(i);sim("QPSK")y(i)=xErrorRate(1);endsemilogy(x,y,color);holdon;endylabel("SymbolErrorRate");xlabel("SNR(db)");title("QPSK调制信号的误码率");（1）DQPSK在USDC中的应用程序xSampleTime=1/100000;xSimulationTime=10;xInitialSeed=[6171];xPhaseOffset=pi/4;xSamplesPerSymbol=1;xReceiveDelay=0;x=0:10;y1=x;y2=x;fori=1:length(x)xSNR=x(i);sim("DQPSK");y1(i)=xErrorRate(1);sim("QPSK");y2(i)=xErrorRate(1);endsemilogy(x,y1,"r",x,y2,"b");ylabel("SymbolErrorRate");xlabel("SNR(db)");title("DQPSK的误码率性能");（2）OQPSK在IS-95反向信道中的应用程序xSampleTime=1/10000;xSimulationTime=10;xInitialSeed=[6171];xPhaseOffset=pi/4;xSamplesPerSymbol=1;xReceiveDelay=0;x=0:10;y1=x;59 湖南工程学院毕业设计（论文）y2=x;fori=1:length(x);xSNR=x(i);sim("OQPSK");y1(i)=xErrorRate(1);sim("QPSK");y2(i)=xErrorRate(1);end;semilogy(x,y1,"r",x,y2,"b");ylabel("SymbolErrorRate");xlabel("SNR(db)");title("OQPSK调制性能分析");（1）GMSK在GSM中的应用程序xSampleTime=1/10000;xSimulationTime=10;xInitialSeed=61;xTracebackLength=4;x=0:10;y=x;fori=1:length(x)xSNR=x(i);sim("GMSK");y(i)=xErrorRate(1);end;semilogy(x,y);ylabel("BitErrorRate");xlabel("SNR(db)");title("GMSK调制信号的误码率");59'