基于matlab的通信系統(tǒng)仿真

1、創(chuàng)新實(shí)踐報(bào)告報(bào) 告 題 目：基于matlab的通信系統(tǒng)仿真學(xué) 院 名 稱：信息工程學(xué)院姓 名：班 級(jí) 學(xué) 號(hào)：指 導(dǎo) 老 師：二O一四年十月十五日一、引言現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展要求通信系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)，性能越來越高，構(gòu)成越來越復(fù)雜；另一方面，要求通信系統(tǒng)技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)縮短周期，降低成本，提高水平。這樣尖銳對(duì)立的兩個(gè)方面的要求，只有通過使用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)技術(shù)和工具才能實(shí)現(xiàn)。 在這種迫切的需求之下，MATLAB應(yīng)運(yùn)而生。它使得通信系統(tǒng)仿真的設(shè)計(jì)和分析過程變得相對(duì)直觀和便捷，由此也使得通信系統(tǒng)仿真技術(shù)得到了更快的發(fā)展。 通信系統(tǒng)仿真貫穿著通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的全過程，對(duì)通信系統(tǒng)的發(fā)展起著舉足輕重的作

2、用。通信系統(tǒng)仿真具有廣泛的適應(yīng)性和極好的靈活性，有助于我們更好地研究通信系統(tǒng)性能。 通信系統(tǒng)仿真的基本步驟如下圖所示：二、仿真分析與測(cè)試（1）隨機(jī)信號(hào)的生成利用Matlab中自帶的函數(shù)randsrc來產(chǎn)生0、1等概分布的隨機(jī)信號(hào)。源代碼如下所示：global NN=300;global pp=0.5;source=randsrc(1,N,1,0;p,1-p); （2）信道編譯碼1、 卷積碼的原理 卷積碼(convolutional code)是由伊利亞斯(p.Elias)發(fā)明的一種非分組碼。在前向糾錯(cuò)系統(tǒng)中，卷積碼在實(shí)際應(yīng)用中的性能優(yōu)于分組碼，并且運(yùn)算較簡(jiǎn)單。 卷積碼在編碼時(shí)將k比特的信息段編

3、成n個(gè)比特的碼組，監(jiān)督碼元不僅和當(dāng)前的k比特信息段有關(guān)，而且還同前面m=(N-1)個(gè)信息段有關(guān)。 通常將N稱為編碼約束長度，將nN稱為編碼約束長度。一般來說，卷積碼中k和n的值是比較小的整數(shù)。將卷積碼記作(n,k,N)。卷積碼的編碼流程如下所示。可以看出：輸出的數(shù)據(jù)位V1,V2和寄存器D0,D1,D2,D3之間的關(guān)系。根據(jù)模2加運(yùn)算特點(diǎn)可以得知奇數(shù)個(gè)1模2運(yùn)算后結(jié)果仍是1，偶數(shù)個(gè)1模2運(yùn)算后結(jié)果是0。2、 譯碼原理 卷積碼譯碼方法主要有兩類：代數(shù)譯碼和概率譯碼。代數(shù)譯碼主要根據(jù)碼本身的代數(shù)特性進(jìn)行譯碼，而信道的統(tǒng)計(jì)特性并沒有考慮在內(nèi)。目前，代數(shù)譯碼的主要代表是大數(shù)邏輯解碼。該譯碼方法對(duì)于約束長

4、度較短的卷積碼有較好的效果，并且設(shè)備較簡(jiǎn)單。概率譯碼，又稱最大似然譯碼，是基于信道的統(tǒng)計(jì)特性和卷積碼的特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，維特比譯碼是目前使用最廣泛的概率譯碼方法。維特比譯碼算法基本原理是：將接收到的信號(hào)序列和所有可能的發(fā)送信號(hào)序列比較，選擇其中漢明距離最小的序列認(rèn)為是當(dāng)前發(fā)送序列。 維特比譯碼的前提是建立合適的網(wǎng)格圖，以便尋找最優(yōu)路徑?；蛘呖梢哉J(rèn)為，維特比譯碼的關(guān)鍵是尋找最優(yōu)路徑。在實(shí)際的譯碼操作過程中，怎樣建立網(wǎng)格以及建立網(wǎng)格后的路徑的選擇是譯碼的關(guān)鍵問題。（3） 調(diào)制與解調(diào) 1）BPSK的調(diào)制原理 在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，當(dāng)正弦載波的相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散變化時(shí)，則產(chǎn)生二進(jìn)

5、制移相鍵控2PSK信號(hào)。通常用已調(diào)信號(hào)載波的0度和180度分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的1和0。二進(jìn)制移相鍵控信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為 其中，與2ASK和2FSK時(shí)的不同，在2PSK調(diào)制中，應(yīng)選擇雙極性，即當(dāng)發(fā)送概率為P，當(dāng)發(fā)送概率為1-P, 。若是脈寬為、高度為1的矩形脈沖，則有 當(dāng)發(fā)送概率為P時(shí)， （式22）發(fā)送概率為1-P時(shí)， （式23）由（式22）和（式23）可以看出，當(dāng)發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)1時(shí)，已調(diào)信號(hào)取0度相位，當(dāng)發(fā)送二進(jìn)制符號(hào)為0時(shí)，取180度相位，則有，其中發(fā)送符號(hào)1，發(fā)送符號(hào)0，。這種以載波的不同相位直接表示相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)的調(diào)制方式，稱為二進(jìn)制絕對(duì)移向方式。下面為2PSK信號(hào)調(diào)制原

6、理框圖2.1所示：S(t)碼型變換乘法器圖2.1:2PSK信號(hào)的調(diào)制原理圖（模擬調(diào)制方法）2） BPSK解調(diào)原理2PSK信號(hào)的解調(diào)通常都采用相干解調(diào)，解調(diào)器原理如圖2.3所示，在相干解調(diào)過程中需要用到和接收的2PSK信號(hào)同頻同相的想干載波。帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器定時(shí)脈 沖 輸出abcde圖2.3：BPSK相干解調(diào)圖2.4 BPSK解調(diào)各點(diǎn)時(shí)間波形Ts1010 tb1 tt ttt11100adec2） QPSK調(diào)制與解調(diào)（1）QPSK的調(diào)制原理：四相相移鍵控是MPSK的一種特殊情況，它是利用載波的4個(gè)不同相位來描述數(shù)字信息的調(diào)制方式，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。QPSK的表達(dá)式可以寫為

7、：其中，是角頻率，是第K個(gè)碼元的載波相位取值，TS是一個(gè)發(fā)送碼元的持續(xù)時(shí)間，它將取可能的四種相位之一，g（t）是發(fā)送的波形函數(shù)。將上式展開可以得到：從式中可以看出，四相調(diào)制的波形，可以看成是對(duì)兩個(gè)正交載波進(jìn)行二進(jìn)制幅度調(diào)制信號(hào)之和。從XN和YN的取值，容易發(fā)現(xiàn)兩者具有一定的適量約束關(guān)系。保證兩者合成的矢量點(diǎn)落在同一圓周上。這個(gè)關(guān)系意味著，系統(tǒng)的非線性失真對(duì)QPSK系統(tǒng)的可靠性影響很小。（2）QPSK的解調(diào)原理：正交電路和同相電路分別設(shè)置兩個(gè)相關(guān)器（或匹配濾波器），得到I(t)和Q(t)，經(jīng)過電平判決和串并轉(zhuǎn)換即可恢復(fù)原始信號(hào)。（4） 信道1） 加性高斯白噪聲信道加性高斯白噪聲（AWGN）從統(tǒng)計(jì)

8、上而言是隨機(jī)無線噪聲，其特點(diǎn)是其通信信道上的信號(hào)分布在很寬的頻帶范圍內(nèi)。加性高斯白噪聲在通信領(lǐng)域中指的是一種各頻譜分量服從均勻分布（即白噪聲），且幅度服從高斯分布的噪聲信號(hào)。因其可加性、幅度服從高斯分布且為白噪聲的一種而得名。該噪聲信號(hào)為一種便于分析的理想噪聲信號(hào)，實(shí)際的噪聲信號(hào)往往只在某一頻段內(nèi)可以用高斯白噪聲的特性來進(jìn)行近似處理。由于AWGN信號(hào)易于分析、近似，因此在信號(hào)處理領(lǐng)域，對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)（如濾波器、低噪音高頻放大器、無線信號(hào)傳輸?shù)龋┑脑肼曅阅艿暮?jiǎn)單分析(如：信噪比分析)中，一般可假設(shè)系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪音或受到的噪音信號(hào)干擾在某頻段或限制條件之下是高斯白噪聲。這種噪聲假設(shè)為在整個(gè)信道帶寬

9、下功率譜密度(PDF)為常數(shù)，并且振幅符合高斯概率分布。2） 瑞利信道在無線通信信道中，由于信號(hào)進(jìn)行多徑傳播達(dá)到接收點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)來自不同傳播的路徑，各條路徑延時(shí)時(shí)間是不同的，而各個(gè)方向分量波的疊加，又產(chǎn)生了駐波場(chǎng)強(qiáng)，從而形成信號(hào)快衰落稱為瑞利衰落。瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）是一種無線電信號(hào)傳播環(huán)境的“統(tǒng)計(jì)模型(statistical model)”。這種模型假設(shè)信號(hào)通過無線信道之后，其信號(hào)幅度(amplitude)是隨機(jī)的，即“衰落(fading)”，并且其包絡(luò)(envelope)服從瑞利分布（Rayleigh distribution）。 這一信道模型能夠描

10、述由電離層和對(duì)流層反射的短波信道，以及建筑物密集的城市環(huán)境。12瑞利衰落只適用于從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)不存在直射信號(hào)（LoS，Line of Sight）的情況，否則應(yīng)使用萊斯衰落信道（Ricean fading channel）作為信道模型。 （5）多徑合并1）MRC方式最大比合并是對(duì)等增益合并的改進(jìn)，即各個(gè)支路加權(quán)系數(shù)與該支路信噪比成正比，各支路信噪比越大，其相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)越大，該支路對(duì)合并信噪比的貢獻(xiàn)也越大。假定每個(gè)支路的平均噪聲功率相等，可以證明當(dāng)各個(gè)支路加權(quán)系數(shù)為Gi=Ai/2時(shí)，分集合并后的平均輸出信噪比最大。 其中，Ai為第i條支路信號(hào)幅度；2為每條支路噪聲平均功率。合并后的輸出信號(hào)幅

11、度為2）EGC方式當(dāng)支路加權(quán)系數(shù)設(shè)定為G1=G2=GN時(shí)，稱為等增益合并，但需要對(duì)每個(gè)支路的信號(hào)進(jìn)行同相化處理。（6）采樣判決由于從匹配濾波器出來的信號(hào)的點(diǎn)數(shù)8倍于原來信息的點(diǎn)數(shù)，為了恢復(fù)出原信號(hào)，所以需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣。從匹配濾波器出來時(shí)，首先要剔除卷積過程中冗余的點(diǎn)，接著抽取現(xiàn)在信號(hào)中的第1個(gè)，第9個(gè)，第8k1個(gè)點(diǎn)，源代碼如下：function y1,y2=pick_sig(x1,x2,ratio)y1=x1(ratio*3*2+1:ratio:length(x1);y2=x2(ratio*3*2+1:ratio:length(x1);經(jīng)過前邊的匹配濾波器解調(diào)或者稱為相關(guān)解調(diào)產(chǎn)生了一組向

12、量，在這里就是一個(gè)一維的向量，根據(jù)最大后驗(yàn)概率（MAP）準(zhǔn)則（由于各個(gè)信號(hào)的先驗(yàn)概率相等，所以頁可以認(rèn)為是最大似然準(zhǔn)則），得到了最小距離檢測(cè)。具體在本仿真系統(tǒng)中，判斷為各個(gè)信號(hào)的門限如表2所示。判決后得到的數(shù)據(jù)再按照格雷碼的規(guī)則還原成0、1信號(hào)，最終將兩路0、1信號(hào)合成一路0、1信號(hào)，用來同最初的信號(hào)一起決定誤碼率。表2判決電平對(duì)應(yīng)表判決前的信號(hào)的幅度對(duì)應(yīng)的判決后的幅度3113（7） 理論值與仿真結(jié)果的對(duì)比在仿真完成之后，把得出的仿真結(jié)果與理論結(jié)果相互對(duì)比，了解仿真與理論的差異。三、系統(tǒng)仿真分析（一）有信道編碼和無信道編碼的的性能比較1、信道編碼的仿真第一步：產(chǎn)生隨機(jī)序列，執(zhí)行隨機(jī)序列生成程序

13、，得出隨機(jī)序列：0 1 1 0 1 0 1 1。第二步：對(duì)隨機(jī)序列進(jìn)行卷積編碼得：0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0第三步：在接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，結(jié)果如下：第四步：對(duì)相干解調(diào)之后的信號(hào)進(jìn)行解碼得出下圖所示信號(hào)：總結(jié)：有以上四圖看出，發(fā)送信號(hào)與接收端解調(diào)出的信號(hào)一樣，說明無線通信的目的就是無失真的傳遞信息；信道的功能就是盡可能無失真的傳輸信息。2、有信道編碼和無信道編碼的比較信道編碼的實(shí)質(zhì)是在信息碼中增加一定數(shù)量的多余碼元(稱為監(jiān)督碼元)，使它們滿足一定的約束關(guān)系，這樣，由信息碼元和監(jiān)督碼元共同組成一個(gè)由信道傳輸?shù)拇a字。一旦傳輸過程中發(fā)生錯(cuò)誤，則信息碼元和監(jiān)督碼

14、元間的約束關(guān)系被破壞。在接收端按照既定的規(guī)則校驗(yàn)這種約束關(guān)系，從而達(dá)到發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤的目的。 為了分析誤碼率隨著信噪比的編碼所呈現(xiàn)出來在有信道編碼和無信道編碼的差別，首先產(chǎn)生的隨機(jī)的10000*128個(gè)符號(hào)數(shù)，snr噪聲為0到15d。bitcoded=channelcoding(sym,G,4); %信道編碼，（7,4）碼bitdecoded=channeldecoding(Rstream,Etab,Smatrix,H,7,4);根據(jù)仿真曲線圖可以看出，有信道編碼的曲線的誤碼率比沒有信道編碼的誤碼率低，并且隨著信噪比的增大而明顯。說明信道編碼提高了信息傳輸?shù)目煽啃裕嵘送ㄐ畔到y(tǒng)的傳輸性能。（

15、二）BPSK與QPSK調(diào)制方式對(duì)通信系統(tǒng)性能的比較1、調(diào)制過程的仿真對(duì)（一）部分中卷積產(chǎn)生的序列 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0進(jìn)行調(diào)制得出下示波形：2、不同調(diào)制方式的誤碼率分析BPSK調(diào)制data1=data.*2-1;data2 = oversamp( data1, nd , IPOINT); data3 = conv(data2,xh); % conv: built in functionQPSK調(diào)制ich,qch=qpskmod(data1_q,1,nd,2);ich1,qch1= compoversamp(ich,qch,length(ich),IPOIN

16、T); ich2,qch2= compconv(ich1,qch1,xh);將BPSK和QPSK在同樣的高斯信道下傳輸，在相同的信噪比和發(fā)碼速率的情況下，仿真兩種調(diào)制方式產(chǎn)生的誤碼率曲線如下所示：從誤碼率圖可以看出，BPSK比QPSK的誤碼率低，BPSK性能較好。在相同的信道下，BPSK調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率小于QPSK調(diào)制，因此相同系統(tǒng)情況下BPSK優(yōu)于QPSK。（三）高斯信道和瑞利衰落信道下的比較1、信道加噪仿真將經(jīng)過調(diào)制的模擬信號(hào)通過加高斯噪聲的信道傳輸后，信號(hào)會(huì)被噪聲干擾，波形發(fā)生變化，如下圖所示：然而，在不同的信道下，波形受損的程度是不一樣的，在同一類型的信道下，不同信噪比的受損程度也不相

17、同。因此我們對(duì)高斯信道和瑞利衰落進(jìn)行了對(duì)比分析。2、不同信道下的誤碼分析衰落信道ifade,qfade=sefade(data3,zeros(1,length(data3),itau,dlvl,th1,n0,itnd1,now1,length(data3),tstp,fd,flat);itnd1 = itnd1+ itnd0;高斯白噪聲信道inoise_0=randn(1,length(data3).*attn; % randn: built in functiondata4_0=data3+inoise_0;data5_0=conv(data4_0,xh2); % conv: built i

18、n function將同樣的信號(hào)分別送入僅含有高斯白噪聲的信道和還有瑞利衰落與高斯白噪聲組合起來的信道，繪制出了如下圖的誤碼率曲線：由圖可看出，經(jīng)過瑞利衰落的信道誤碼率比高斯噪聲信道更高。（四）不同合并方式下的對(duì)比1、MRC不同信噪比下的誤碼分析由上圖分析可得：天線越多，誤碼率越小。信噪比越大，誤碼率也越小。因此可得出結(jié)論：系統(tǒng)的信息傳輸質(zhì)量與信噪比和天線的數(shù)量是正相關(guān)的。2、EGC不同信噪比下的誤碼分析由上圖看出：等增益合并方式與最大比合并方式的基本規(guī)律一樣，也是天線越多，誤碼率越小。信噪比越大，誤碼率也越小。因此可得出結(jié)論：系統(tǒng)的信息傳輸質(zhì)量與信噪比和天線的數(shù)量是正相關(guān)的。3、MRC、EG

19、C分別在2根、4根天線下的對(duì)比 從上圖可以看出，最大比值合并比等增益合并的誤碼率更小，最大比值合并就是通過最優(yōu)化的加權(quán)進(jìn)行的接收，它們隨著天線數(shù)量的增大，誤碼率減?。恍旁氡仍酱?，誤碼率下降，其中最大比值隨信噪比的誤碼率變化尤為明顯。（5） 理論數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的區(qū)別下圖為BPSK的理論誤碼率與仿真誤碼率的曲線圖，通過比較BPSK信道的理論誤碼率與仿真誤碼率的差別可看出，它們的差別很小，近似為一樣的。 4、 設(shè)計(jì)小結(jié)經(jīng)過這段時(shí)間的MATLAB通信系統(tǒng)仿真的學(xué)習(xí)，使我對(duì)通信原理及仿真實(shí)踐有了更深層次的理解。在學(xué)習(xí)過程中，我了解了MATLAB的語言基礎(chǔ)以及應(yīng)用的界面環(huán)境，基本操作和語法，讓我在分析通信系統(tǒng)的性能時(shí)更加方便。在學(xué)習(xí)當(dāng)中，我明白了通信系統(tǒng)仿真的現(xiàn)實(shí)意義，系統(tǒng)模型是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的一種抽象，是對(duì)系統(tǒng)本質(zhì)的一種描述。通過仿真技術(shù)和方法，可以迅速構(gòu)成一個(gè)通信系統(tǒng)模型，提供一個(gè)便捷，高效和精確的仿真平臺(tái)。學(xué)習(xí)過程中，我再次系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)中送信源產(chǎn)生信息，再到通過發(fā)信機(jī)對(duì)信息進(jìn)行信源編碼和信道編碼，再到在信道上（移動(dòng)通信系