基于MATLAB的通信系統(tǒng)傳輸信道性能仿真研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于MATLAB的通信系統(tǒng)傳輸信道性能仿真研究畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 緒論 通信就是把信息從一地有效地傳遞到另一地,及消息傳遞的全過程。通信是由通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的,通信系統(tǒng)是只完成信息傳遞的傳輸介質(zhì)和全部設(shè)備的總稱。現(xiàn)代通信系統(tǒng)主要借助電磁波在自由空間的傳播或在導(dǎo)引媒體中的傳輸機(jī)理來實(shí)現(xiàn),前者稱為無線通信系統(tǒng),后者稱為有線通信系統(tǒng)。1.1 課題的研究背景及意義1.1.1 通信系統(tǒng)研究背景實(shí)際的通信系統(tǒng)是一個功能結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng),對這個系統(tǒng)作出的任何改變?nèi)绺淖兡硞€參數(shù)的設(shè)置、改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等都可能影響到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。因此,在對原有的通信系統(tǒng)作出改進(jìn)或建立一個新系統(tǒng)之前,通常需要對這個系統(tǒng)進(jìn)行建模和

2、仿真,通過仿真結(jié)果衡量方案的可行性,從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)置,然后再應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中,這個過程就是通信系統(tǒng)仿真1。 在通信技術(shù)快速發(fā)展的今天,人們對通信系統(tǒng)的性能以及造價都提出了比較高的要求,于是通信仿真便應(yīng)運(yùn)而生。仿真是衡量系統(tǒng)性能的工具,它通過仿真模型的仿真結(jié)果來推斷原系統(tǒng)的性能,從而為新系統(tǒng)的建立或原系統(tǒng)的改造提供可靠的參考。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展,已經(jīng)研發(fā)出了新一代的可視化的仿真軟件。這些功能強(qiáng)大的仿真軟件,使得通信系統(tǒng)仿真的設(shè)計(jì)和分析過程變得相對直觀和便捷,由此也使得通信系統(tǒng)仿真技術(shù)得到了更快的發(fā)展2。通過仿真.可以降低新系統(tǒng)失敗的可能性,消除系統(tǒng)中潛在的弊端,防止對系

3、統(tǒng)中某些功能部件造成過量的負(fù)載,優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能,因此,仿真是科學(xué)研究和工程建設(shè)中不可缺少的方法。 計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展十分迅速,出現(xiàn)了大量實(shí)用仿真軟件與工具,并應(yīng)用于通信系統(tǒng)建模、分析和設(shè)計(jì),使得通信系統(tǒng)仿真發(fā)展很快。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)基本上有兩大類,一是基于公式的方法,用計(jì)算機(jī)計(jì)算復(fù)雜的公式;二是用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的信號波形,即波形級仿真。 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展,新一代的可視化的仿真軟件的使用使得通信系統(tǒng)仿真的設(shè)計(jì)和分析過程變得相對直觀和便捷,推動了通信系統(tǒng)仿真的快速發(fā)展。1.1.2 通信系統(tǒng)仿真的意義 通信系統(tǒng)仿真應(yīng)用到了通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的各個階段,無論是從早期的概念設(shè)計(jì),

4、還是實(shí)現(xiàn),測試,使用等各個階段。在概念定義階段,通信系統(tǒng)仿真獲得項(xiàng)層指標(biāo);在接下來的設(shè)計(jì)和研發(fā)中,通信系統(tǒng)仿真確定硬件研發(fā)的指標(biāo),檢驗(yàn)己完成子系統(tǒng)對整個系統(tǒng)性能的影響;在運(yùn)行階段,通信系統(tǒng)仿真可以用來確定解決問題的方法;通信系統(tǒng)仿真還可以預(yù)測系統(tǒng)的使用壽命。 通信系統(tǒng)仿真實(shí)質(zhì)上就是把硬件實(shí)驗(yàn)搬進(jìn)了計(jì)算機(jī),可以把它看成是一種軟件實(shí)驗(yàn)。在硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,用各種電子元器件制作出通信系統(tǒng)中的理論模型所規(guī)定的各個模塊,再把它們通過導(dǎo)線或電纜等接在一起,然后用示波囂、頻譜議、誤碼儀等通信儀表得到各種測量,最后分析測量結(jié)果。 在軟件實(shí)驗(yàn)中我們也是這樣做,只不過所有通信模塊及通信儀表的功能都是用程序來實(shí)現(xiàn)的,

5、通信系統(tǒng)的全過程在計(jì)算機(jī)中仿真運(yùn)行。與硬件實(shí)驗(yàn)相比,軟件實(shí)驗(yàn)具有如下一些優(yōu)點(diǎn): 1 軟件實(shí)驗(yàn)具有廣泛的適應(yīng)性和極好的靈活性。在硬件實(shí)驗(yàn)中改變系統(tǒng)參數(shù)也許意昧著要重傲硬件,而在軟件實(shí)驗(yàn)中是改一、兩個數(shù)據(jù),甚至只是在屏幕上按幾下鼠標(biāo)。 2 軟件實(shí)驗(yàn)更有助于我們較為全面地研究通信系統(tǒng)。有許多問題,通過硬件實(shí)驗(yàn)來研究可能非常困難,但在軟件實(shí)驗(yàn)中卻易于解決。 3 硬件實(shí)驗(yàn)的精確度取決于元器件及工藝水平,軟件實(shí)驗(yàn)精度取決于cpu的運(yùn)算速度或者說是程序的運(yùn)算量。 4 軟件實(shí)驗(yàn)建設(shè)開發(fā)周期短,成本低。 隨著通信和信號處理系統(tǒng)的復(fù)雜程度的提高,同時出現(xiàn)了一系列新的技術(shù)。如用于數(shù)字信號處理的價格不高但速度很快的硬

6、件、光纖光學(xué)器件、集成光學(xué)設(shè)備和單片微波集成電路,這些對通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)均有重要影響。通信系統(tǒng)復(fù)雜度的提高使得用來分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時間和精力也相應(yīng)提高了,然而在商用產(chǎn)品中引入新技術(shù)要求設(shè)計(jì)能做到短時,高效、省力,而這些要求只有通過使用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)工具才能實(shí)現(xiàn)。所以,通信系統(tǒng)仿真為通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持,在通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中起著舉足輕重的作用。1.1.3 通信系統(tǒng)仿真流程 與一股的仿真過程類似,在對通信系統(tǒng)實(shí)施仿真之前,首先需要研究通信系統(tǒng)的特性,通過歸納和抽象建立通信系統(tǒng)的仿真模型。圖1.1是關(guān)于通信系統(tǒng)仿真流程的一個示意圖3。 圖1.1 通信系統(tǒng)仿真的流程1.1.4 通

7、信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 進(jìn)入20世紀(jì)以來,隨著晶體管、集成電路的出現(xiàn)與普及、無線通信迅速發(fā)展。特別是在20世紀(jì)后半葉,隨著人造地球衛(wèi)星的發(fā)射,大規(guī)模集成電路、電子計(jì)算機(jī)和光導(dǎo)纖維等現(xiàn)代技術(shù)成果的問世,通信技術(shù)在以下幾個不同方向都取得了巨大的成功。 1. 微波中繼通信使長距離、大容量的通信成為了現(xiàn)實(shí)。 2. 移動通信和衛(wèi)星通信的出現(xiàn),使人們隨時隨地可通信的愿望可以實(shí)現(xiàn)。 3. 光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)更是將通信容量提高到了以前無法想象的地步。 4. 電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)將通信技術(shù)推上了更高的層次,借助現(xiàn)代電信網(wǎng)和計(jì)算機(jī)的融合,人們將世界變成了地球村。 5. 微電子技術(shù)的發(fā)展,使通信終端的體積越來越小,成本越來越

8、低,范圍越來越廣。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,人們對通信的要求越來越高,各種技術(shù)會不斷地應(yīng)用于通信領(lǐng)域,各種新的通信業(yè)務(wù)將不斷地被開發(fā)出來。1.2 通信系統(tǒng)的基本內(nèi)容1.2.1 通信系統(tǒng)簡介 通信系統(tǒng)是用以完成信息傳輸過程的技術(shù)系統(tǒng)總稱?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)主要借助電磁波在自由空間的傳播或在導(dǎo)引媒體中的傳輸機(jī)理來實(shí)現(xiàn)。前者稱為無線通信系統(tǒng),后者稱為有限通信系統(tǒng)。當(dāng)電磁波的波長達(dá)到光波范圍時,這樣的通信系統(tǒng)稱為光通信系統(tǒng),其他電磁波范圍的通信系統(tǒng)則稱為電磁通信系統(tǒng),簡稱為電信系統(tǒng)。由于光的導(dǎo)引媒體采用特制的玻璃纖維,因此有線光通信系統(tǒng)又稱光纖通信系統(tǒng)4。一般電磁波的導(dǎo)引媒體是導(dǎo)線,按其具體結(jié)構(gòu)可分為電纜通信系

9、統(tǒng)和明線通信系統(tǒng);無線電通信系統(tǒng)按其電磁波的波長則有微波通信系統(tǒng)與短波通信系統(tǒng)之分。另一方面,按照通信業(yè)務(wù)的不同,通信系統(tǒng)又可分為 通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、 通信系統(tǒng)和圖像通信系統(tǒng)等。由于人們對通信的容量要求越來越高,對通信的業(yè)務(wù)要求越來越多樣化,所以通信系統(tǒng)正迅速向著寬帶化方向發(fā)展,而光纖通信系統(tǒng)將在通信網(wǎng)中發(fā)揮越來越重要的作用。1.2.2 基本的通信系統(tǒng)基本的通信系統(tǒng)一般由信源、信宿(收信者)、發(fā)端設(shè)備、收端設(shè)備和傳輸媒介等組成。圖 1.2 通信系統(tǒng)的基本模型信源(信息源):信息的發(fā)出者,通常將信息轉(zhuǎn)化為基帶信號的電路?？煞譃槟M信源和離散信源。發(fā)送設(shè)備:匹配信源與傳輸媒介,調(diào)制,功率放大

10、,以及各種信號處理功能。傳輸設(shè)備:信號的傳輸媒介,可稱為信道。接收設(shè)備:發(fā)送設(shè)備的逆過程,小信號放大,解調(diào)。信宿:消息的接收者,將基帶型號轉(zhuǎn)化為信息的電路。噪聲源:信號傳輸時所受的干擾,信道的噪聲。通信設(shè)備的噪聲,電源噪聲,干擾統(tǒng)稱為噪聲。 通信系統(tǒng)的分類:按業(yè)務(wù)分為 通信系統(tǒng),數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),電報(bào)通信系統(tǒng),圖像通信系統(tǒng)等。按傳輸媒介分為:有線和無線通信系統(tǒng)。有線通信系統(tǒng)包括光纖通信,電纜通信等;無線通信包括移動通信,微博接力通信,衛(wèi)星通信等。按信號特征分類:按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號,可相應(yīng)地吧通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。按照信道中傳輸?shù)男盘柺欠窠?jīng)過調(diào)制,可將通信系統(tǒng)分

11、為基帶傳輸和頻帶傳輸系統(tǒng)5?；鶐鬏斚到y(tǒng)是將未調(diào)制的信號直接傳輸;頻帶傳輸是將基帶信號經(jīng)調(diào)制后送入信道傳輸。按通信復(fù)用方式分類,通信系統(tǒng)有頻分復(fù)用(FDM通信系統(tǒng),時分復(fù)用(TDM通信系統(tǒng),碼分復(fù)用(CDMA通信系統(tǒng)。 通信方式分為:單工方式,半雙工方式,全雙工方式通信。 評價一個通信系統(tǒng),往往要設(shè)計(jì)到很多性能指標(biāo)。但要從研究信息傳輸方面考慮,通信的有效性和可靠性是通信系統(tǒng)中最主要的性能指標(biāo)。有效性是指信息傳輸?shù)摹八俣取眴栴},而可靠性主要是指信息傳輸?shù)摹百|(zhì)量”問題。有效性和可靠性相互矛盾又相互聯(lián)系。提高有效性降低可靠性,反之亦然。因此在設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)時,對二者應(yīng)統(tǒng)籌考慮6。1.2.3 數(shù)字通信系

12、統(tǒng) 按信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號,可相應(yīng)的將通信系通分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。圖 1.3 數(shù)字通信系統(tǒng)的模型 信源和信宿:信源的作用是將信息轉(zhuǎn)化為原始電信號,完成非電/電的轉(zhuǎn)換。信宿的作用是將原始的電信號還原為信息,完成電/非電的轉(zhuǎn)換。 信源編碼和信源解碼:信源編碼器對原始電信號進(jìn)行數(shù)字化編碼(A/D變換),數(shù)據(jù)壓縮,以減少數(shù)據(jù)的冗余量。信源解碼是信源編碼的逆過程。 信道編碼和信道解碼:數(shù)字信號在信道中傳輸時,要受到噪聲干擾,會引起差錯。為使數(shù)字信號適應(yīng)信道所進(jìn)行的變換稱為信道編碼。信道編碼的目的就是提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力,盡量控制差錯,保證通信質(zhì)量。信道解碼是信道編碼的反變換

13、。 調(diào)制和解調(diào):調(diào)制是將原始電信號變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?。解調(diào)是反變換。 信道:信號傳輸?shù)耐ǖ馈Ｐ诺婪譃橛芯€信道和無線信道。數(shù)字通信系統(tǒng)的性能指標(biāo):1 有效性用碼元速率,信息速率及系統(tǒng)頻帶利用率則三個性能指標(biāo)來描述。(1)碼元速率RB又稱馬原傳輸速率或傳碼率。它被定義為每秒所傳輸?shù)拇a元數(shù)目,單位為波特,常用符號Baud表示。(2)信息速率Rb又稱信息傳輸速率或數(shù)據(jù)傳輸率。它被定義為每秒所傳輸?shù)男畔⒘?單位為比特/秒,或記為bit/s。(3)系統(tǒng)頻帶利用率是一個系統(tǒng)效率的指標(biāo)。在比較兩個通信系統(tǒng)的有效性時,僅從傳輸速率上衡量是不夠的,還應(yīng)衡量系統(tǒng)所占頻帶的大小。2 可靠性主要用誤碼率Pe誤

14、信率Pb來衡量。誤碼率是指通信過程中,通信系統(tǒng)傳輸錯誤碼元的數(shù)量與所傳輸?shù)目偞a元數(shù)量之比,也就是傳錯碼元的概率。誤信率又稱誤信息率、誤比特率,是指錯誤接受的信息量與傳輸?shù)目傂畔⒘康谋戎怠?.2.4 模擬通信系統(tǒng) 區(qū)別于數(shù)字通信系統(tǒng),模擬通信系統(tǒng)少了信源編碼和信源解碼,信道編碼和信道解碼。 圖 1.4 模擬通信系統(tǒng)模型 在模擬通信系統(tǒng)中:有效性是利用信息傳輸速度或者有效頻帶來衡量。同樣的消息采用不同的調(diào)制方式,則需要不同的頻帶寬度。頻帶寬度越窄,則對頻帶的有效(利用)性越好。可靠性是用接收端輸出的信噪比(輸出信號平均功率與噪聲平均功率的比值)來衡量7。信噪比越高,通信質(zhì)量越好。1.3 本論文的主

15、要研究內(nèi)容本文對通信系統(tǒng)的仿真研究主要做了一下的工作:介紹了通信系統(tǒng)仿真的基本概念和仿真的相關(guān)內(nèi)容,其中包括通信系統(tǒng)仿真的一般步驟,matlab的一種可視化的仿真工具simulink以及對matlab模型庫進(jìn)行擴(kuò)展的s函數(shù)的相關(guān)概念。對通信系統(tǒng)模型中的主要環(huán)節(jié),包括通信系統(tǒng)信道、噪聲、模擬信號的數(shù)字傳輸系統(tǒng)、信道編碼以及信號調(diào)制的原理、方法和過程都進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。(3 在理解通信系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上,利用MATLAB強(qiáng)大的仿真功能,設(shè)計(jì)了具體的通信系統(tǒng)模型。在具體模型的設(shè)計(jì)過程中,對模型的組成機(jī)構(gòu),仿真流程以及仿真結(jié)果的分析都做了詳細(xì)的闡述。1.4 本章小結(jié) 本章首先介紹了通信系統(tǒng)的基本內(nèi)容,其

16、次介紹了通信系統(tǒng)仿真的研究背景和意義,最后對本論文要研究的內(nèi)容作了說明。2 通信系統(tǒng)仿真基本內(nèi)容2.1 通信系統(tǒng)仿真的基本步驟 通信系統(tǒng)仿真一般可分為三個步驟,分別是仿真建模,仿真實(shí)驗(yàn),仿真分析。由于現(xiàn)代通信系統(tǒng)功能越來越強(qiáng),通信系統(tǒng)仿真的過程需要這三個步驟循環(huán)往復(fù)執(zhí)行多次才能得到滿意的效果。2.1.1 仿真建模 仿真模型是對實(shí)際系統(tǒng)的一種模擬和抽象,但又不是完全的復(fù)制。因此,仿真模型的建立需要綜合考慮其可行性和簡單性。仿真模型一般是一個數(shù)學(xué)模型,有多種分類方式,包括確定性模型和隨機(jī)模型,靜態(tài)模型和動態(tài)模型。確定性模型的輸入變量和輸出變量都有固定數(shù)值。而在隨機(jī)模型中,至少有一個輸入變量是隨機(jī)的

17、。靜態(tài)模型不需要考慮時間變化因素,動態(tài)模型的輸入輸出變量則需要考慮時間變化因素。一般情況下,通信系統(tǒng)模型是一個隨機(jī)動態(tài)系統(tǒng)8。 在仿真建模開始時,首先需要分析系統(tǒng)實(shí)際存在的問題或設(shè)立系統(tǒng)改造的目標(biāo),并且把這些問題和目標(biāo)轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)變量和公式。有了具體的仿真目標(biāo)之后,下一步是獲取實(shí)際通信系統(tǒng)的各種運(yùn)行系數(shù)。同時,對于通信系統(tǒng)中的各個隨機(jī)變量,可以采集這些變量的數(shù)據(jù),通過數(shù)學(xué)工具來確定隨機(jī)變量的分布特性,然后就可以通過仿真軟件來建造仿真模型了。 最簡單的工具是采用C語言等編程工具直接編寫仿真程序,還可以采用專門的仿真軟件包括MATLAB,OPENT ,NS2 等,這些軟件具有各自不同的特點(diǎn),適用于不

18、同層次的通信仿真。2.1.2仿真實(shí)驗(yàn) 仿真實(shí)驗(yàn)是一個或一系列對仿真模型的測試。仿真過程中使用的輸人數(shù)據(jù)必須具有一定的代表性,即能夠從各個角度顯著地改變仿真輸出信號的數(shù)值9。 在仿真實(shí)驗(yàn)過程中,通常需要多次改變仿真輸入信號的數(shù)據(jù),以觀察和分析仿真模型對這些輸入信號的反應(yīng),以及仿真系統(tǒng)在這個過程中表現(xiàn)出來的性能。 實(shí)施仿真之前需要確定的另外一個因素是性能尺度。性能尺度指的是能夠衡量仿真過程中系統(tǒng)性能的輸出信號的數(shù)值或根據(jù)輸出信號計(jì)算得到的數(shù)值,因此,在實(shí)施仿真之前,首先需要確定仿真過程中應(yīng)該收集哪些仿真數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)以什么樣的格式存在以及收集多少數(shù)據(jù)10。 在明確了仿真系統(tǒng)對輸入信號和輸出信號的要

19、求之后,最好把這些設(shè)置整理成一份簡單的文檔。編寫文檔是一個好習(xí)慣,它能夠幫助人們回憶起仿真設(shè)計(jì)過程的一些細(xì)節(jié)。最后,還應(yīng)該明確各個輸入信號的初始設(shè)置以及仿真系統(tǒng)內(nèi)部各個狀態(tài)的初始值。 仿真的運(yùn)行實(shí)際上是計(jì)算機(jī)的計(jì)算過程,這個過程一般不需要人工干預(yù),花費(fèi)的時間由仿真的復(fù)雜度確定。如果需要比較仿真系統(tǒng)在不同參數(shù)設(shè)置下的性能,應(yīng)該使仿真系統(tǒng)在取不同參數(shù)值時具有相同的輸入信號,這樣才能夠保證分析和比較的客觀性和可靠性。2.1.3 仿真分析 仿真分析是一個通信仿真流程中的最后一個步驟。在仿真分析過程中,用戶已經(jīng)從仿真過程中獲得了足夠多的關(guān)于系統(tǒng)性能的信息,但是這些信息只是一些原始數(shù)據(jù),需要經(jīng)過數(shù)值分析和

20、處理才能夠獲得衡量系統(tǒng)性能的尺度11。常用的系統(tǒng)性能尺度包括平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值和最小值等,它們從不同的角度描繪了仿真系統(tǒng)的性能。另外一個需要注意的地方是,即使仿真過程中收集的數(shù)據(jù)正確無誤,由此得到的仿真結(jié)果并不一定就是準(zhǔn)確的,因?yàn)榭赡苁禽斎胄盘柷『门c仿真系統(tǒng)的內(nèi)部特性相吻合,或者輸入的隨機(jī)信號不具有足夠的代表性。 圖表是最簡潔的說明工具,它具有很強(qiáng)的直觀性,便于分析和比較,因此,仿真分析的結(jié)果一般都繪制成圖表形式。我們使用的仿真工具一般都具有很強(qiáng)的繪圖功能,能夠便捷地繪制各種類型的圖表。2.2 MATLAB/Simulink簡介2.2.1 MATLAB介紹 MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(

21、Matrix Laboratory),是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件,用于算法開發(fā),數(shù)據(jù)可視化,數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境,主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。 美國Mathworks公司于1967年推出了矩陣實(shí)驗(yàn)室“Matrix Laboratory”(縮寫為Matlab)這就是Matlab最早的雛形。開發(fā)的最早的目的是幫助學(xué)校的老師和學(xué)生更好的授課和學(xué)習(xí)。從Matlab誕生開始,由于其高度的集成性及應(yīng)用的方便性,在高校中受到了極大的歡迎。由于它使用方便,能非?？斓膶?shí)現(xiàn)科研人員的設(shè)想,極大的節(jié)約了科研人員的時間,受到了大多數(shù)科研人員的支持,

22、經(jīng)過一代代人的努力,目前已發(fā)展到了7.X版本。 Matlab是一種解釋性執(zhí)行語言,具有強(qiáng)大的計(jì)算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡單,擴(kuò)充便,尤其是世界上有成千上萬的不同領(lǐng)域的科研工作者不停的在自己的科研過程中擴(kuò)充Matlab的功能,使其成為了巨大的知識寶庫?？梢院敛豢鋸埖恼f,哪怕是你真正理解了一個工具箱,那么就是理解了一門非常重要的科學(xué)知識?？蒲泄ぷ髡咄ǔ？梢酝ㄟ^Matlab來學(xué)習(xí)某個領(lǐng)域的科學(xué)知識,這就是Matlab真正在全世界推廣開來的原因。目前的Matlab版本已經(jīng)可以方便的設(shè)計(jì)漂亮的界面,它可以像VB等語言一樣設(shè)計(jì)漂亮的用戶接口,同時因?yàn)橛凶钬S富的函數(shù)庫(工具箱),所以計(jì)算的功能實(shí)現(xiàn)也

23、很簡單,進(jìn)一步受到了科研工作者的歡迎。另外,Matlab和其他高級語言也具有良好的接口,可以方便的實(shí)現(xiàn)與其他語言的混合編程,進(jìn)一步拓寬了Matlab的應(yīng)用潛力?？梢哉f,Matlab已經(jīng)也很有必要成為大學(xué)生的必修課之一,掌握這門工具對學(xué)習(xí)各門學(xué)科有非常重要的推進(jìn)作用。 MATLAB是一種科學(xué)計(jì)算軟件,專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。它將數(shù)值分析、矩形計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中,為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案,并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言(如C、Fortran)的編輯模

24、式,代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。 MATLAB將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起,并提供了大量的內(nèi)置函數(shù),從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作,而且利用MATLAB產(chǎn)品的開放式結(jié)構(gòu),可以非常容易地對MATLAB的功能進(jìn)行擴(kuò)充,從而在不斷深化對問題認(rèn)識的同時,完善MATLAB產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競爭能力。 MATLAB是MATLAB產(chǎn)品家族的基礎(chǔ)。它提供了基本的數(shù)學(xué)算法,例如矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析算法,MATLAB集成了2D和3D圖形功能,以完成相應(yīng)數(shù)值可視化的工作,并且提供了一種交互式的高級編程語言?M語言,利用M語言可以通過編寫腳本或者函數(shù)文件實(shí)

25、現(xiàn)用戶自己的算法。 MATLAB Compiler是一種編譯工具,它能夠?qū)⒛切├肕ATLAB提供的編程語言?M語言編寫的函數(shù)文件編譯生成為函數(shù)庫、可執(zhí)行文件COM組件等等。這樣就可以擴(kuò)展MATLAB功能,使MATLAB能夠同其他高級編程語言例如C/C+語言進(jìn)行混合應(yīng)用,取長補(bǔ)短,以提高程序的運(yùn)行效率,車富程序開發(fā)的手段。 利用M語言還開發(fā)了相應(yīng)的MATLAB專業(yè)工具箱函數(shù)供用戶直接使用。這些工具箱應(yīng)用的算法是開放的可擴(kuò)展的,用戶不僅可以查看其中的算法,還可以針對一些算法進(jìn)行修改,甚至允許開發(fā)自己的算法擴(kuò)充工具箱的功能。目前MATLAB產(chǎn)品的工具箱有四十個,分別涵蓋了數(shù)據(jù)獲取、科學(xué)計(jì)算、控制系

26、統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析、數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理、金融財(cái)務(wù)分析以及生物遺傳工程等專業(yè)領(lǐng)域。2.2.2 Simulink介紹 Simulink是MATLAB提供的用于動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的工具包。Simuink提供了專門用于顯示輸出信號的模塊,可以在仿真過程中隨時觀察仿真結(jié)果。同時,通過Simulink的存儲模塊,仿真數(shù)據(jù)可以方便地以各種形式保存在工作區(qū)或文件中,供用戶在仿真結(jié)柬之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。另外,Simulink把具有特定功能的代碼組織成模塊的方式,并且這些模塊可以組織成具有等級結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng),因此具有內(nèi)在的模塊化設(shè)計(jì)要求?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn),Simulink成為一種通用的仿真建模工具,廣

27、泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號處理、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械控制和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。 根據(jù)輸出信號與輸入信號的關(guān)系,Simulink提供3種類型的模塊:連續(xù)模塊、離散模塊和混合模塊。連續(xù)模塊是指輸出信號隨著輸入信號發(fā)生連續(xù)變化的模塊,離散模塊則是輸出信號以固定間隔變化的模塊。對于連續(xù)模塊,Simulink采用積分方式計(jì)算輸出信號的數(shù)值,因此,連續(xù)模塊主要涉及導(dǎo)數(shù)的計(jì)算及其積分。離散模塊的輸出信號在下一個抽樣時刻到來之前保持恒定,這時候Simulink只需以一定的間隔計(jì)算輸出信號的數(shù)值?；旌夏K是根據(jù)輸入信號的類型來確定輸出信號類型的,它既能夠產(chǎn)生連續(xù)輸出信號,也能夠產(chǎn)生離散輸出信號。 在初始化階

28、段,Simulink把各個模塊調(diào)入內(nèi)存,檢查模塊的數(shù)據(jù)類型和長度,設(shè)置仿真時間間隔,制定仿真模塊的執(zhí)行順序,以及內(nèi)存分配。在仿真循環(huán)階段,5imulink按照初始化階段制定的順序依次執(zhí)行各個模塊,計(jì)算當(dāng)前時刻的離散狀態(tài)和輸出信號,以小步長積分的方式計(jì)算各個連續(xù)狀態(tài)的數(shù)值以及由此產(chǎn)生的輸出。這個過程一直持續(xù)到仿真過程結(jié)束,然后Sinulink進(jìn)入仿真結(jié)束階段,清理各種已經(jīng)分配的資源,同時保護(hù)仿真過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。2.2.3 S函數(shù)介紹 S函數(shù)是系統(tǒng)函數(shù)的簡稱,是指采用非圖形化的方式即計(jì)算機(jī)語言,區(qū)別于Simulink的系統(tǒng)模塊描述的一個功能塊。在很多情況下,Simulink模型庫中的模塊不能完全

29、滿足用戶的要求,這時候需要由用戶自己來編寫相應(yīng)的代碼。S函數(shù)是對Simulink模塊功能的擴(kuò)展,既可以用MATLAB語言編寫,也可以用其它通用的編程語言如C、C+等編寫,后者具有更強(qiáng)的控制能力,它們被編譯成MEXMATLAB Executalbe文件,并且在仿真過程中動態(tài)裝載。 S函數(shù)能夠接受來自Simulink求解器的相關(guān)信息,并對求解器發(fā)出的命令作出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng),這種交互作用非常類似于Simulink系統(tǒng)模塊與求解器的交互作用。一個結(jié)構(gòu)體系完整的S-函數(shù)包含了描述動態(tài)系統(tǒng)所需的全部能力,所有其他的使用情況都是這個結(jié)構(gòu)體系的特例。往往S-函數(shù)模塊是整個Simulink動態(tài)系統(tǒng)的核心。2.3 本

30、章小結(jié)本章主要介紹了通信系統(tǒng)仿真的一般步驟,對其中的每一步作了充分的說明。其次,介紹了MATLAB軟件以及它的一種可視化仿真工具simulink。3 通信系統(tǒng)信道以及噪聲的研究3.1 通信系統(tǒng)信道相關(guān)內(nèi)容 通信信道是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐贰８鞣N發(fā)送信息傳送到既定的信宿,可選用適于傳輸?shù)奈锢砻襟w,完成通信功能。連接發(fā)信號與收信號設(shè)備、適用于不同類型通信業(yè)務(wù)的各種物理媒體通稱為信道。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中信道分為物理信道和邏輯信道。物理信道是只用于傳輸數(shù)據(jù)信號的物理通路,它由傳輸介質(zhì)與有關(guān)通信設(shè)備組成;邏輯信道指在物理信道的基礎(chǔ)上,發(fā)送與接收數(shù)據(jù)信號的雙方通過中間結(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的邏輯通路,由此為傳輸數(shù)據(jù)信號形成的邏輯

31、通路12。邏輯信道可以是有連接的,也可以是無連接的。物理信道還可根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同而分為有線信道和無線信道,也可按傳輸數(shù)據(jù)類型的不同分為數(shù)字信道和模擬信道。 信道可分為有界與無界兩大類,即通常所說的有線信道與無線信道。前者如雙絞線、電纜、光纖、波導(dǎo)等,后者為自由空間提供的各種頻段或波長的電磁波傳播信道13。 按不同的分類方式,信道可分為有線信道和無線信道、調(diào)制信道和編碼信道、線性信道和非線性信道、記憶信道和不記憶信道、恒參信道和變參信道等。 狹義信道:單指傳輸媒介。廣義信道除了包含傳輸媒質(zhì)外,還包括通信系統(tǒng)有關(guān)的變換裝置,這些裝置可以是發(fā)送設(shè)備,接收設(shè)備,饋線與天線,調(diào)制器,解調(diào)器等等。廣義信

32、道按照它包括的功能,可以分為調(diào)制信道,編碼信道等。還可以定義其他形式的廣義信道。 圖3.1 編碼信道和調(diào)制信道 調(diào)制信道:調(diào)制器輸出到解調(diào)器輸入之間的部分,只是對已調(diào)信號進(jìn)行某種變換,調(diào)制信道用于研究調(diào)制與解調(diào)問題是方便和恰當(dāng)?shù)摹?編碼信道:編碼器輸出到解碼器輸入之間的部分,只是對已編碼信號進(jìn)行某種變換,編碼信道用于研究編碼與譯碼問題時使問題的分析更容易。 通常信道的特性是一個復(fù)雜的函數(shù),它可能包括各種線性失真、非線性失真、交調(diào)失真、衰落等。同時由于信道的遲延特性和損耗特性隨時間做隨機(jī)變化,所以信道特性往往只能用隨機(jī)過程描述。 若信道特性基本不隨時間變化,即信道對信號的影響是固定的或變化極為緩

33、慢的,稱為恒定參量信道,簡稱恒參信道。若信道特性隨時間隨機(jī)快變化,稱為隨機(jī)參量信道,簡稱隨參信道。3.1.1恒參信道 恒參信道是指由架空明線、電纜、中長波地波傳輸,超短波及微波視距傳輸,人造衛(wèi)星中繼,光導(dǎo)纖維以及光波視距傳輸?shù)葌鬏斆襟w構(gòu)成的信道14。 恒參信道以有線信道為最典型,其特征參數(shù)主要是頻率特征,如幅度頻率特征與相位頻率特征及頻率漂移等。反映在時域,如信道時延、抖動,尚有電平波動和非線性等。其中,幅度頻率特性,就理想而言,可表示為理想傳輸函數(shù)。3.1.2隨參信道 隨參信道包括短波電離層反射、超短波流星余跡散射,超短波及微波對流層散射,超短波電離層散射以及超短波超視距繞射等傳輸媒質(zhì)所分別

34、構(gòu)成的信道15。 隨參信道的特性比恒參信道要復(fù)雜的多。由于地面以上不同高度大氣的電離層濃度不同,并隨機(jī)流性變化,對短波傳輸具有反射作用,對超短波具有對流層散射作用。乘性干擾的現(xiàn)象表現(xiàn)為各種類型的衰落,在多徑信道中,發(fā)送端發(fā)出的信號通過多個反射之后沿多條路徑到達(dá)接收端,這些路徑具有不同的時延和不同的接收強(qiáng)度,它們之間的相互作用就形成了衰落。 衰落可分為以下三種情況:1慢衰落:它是由電離層隨機(jī)變化引起的衰落。2快衰落:它是由于短波信道的多徑引起的衰落,對信號的影響更為嚴(yán)重。由于發(fā)射電磁波束傳播到不同的電離層,反射后到地面構(gòu)成不同的信號路徑而至接收天線,也可能是地面反射回電離層經(jīng)兩次反射后到達(dá)接收天

35、線。3選擇性衰落:頻率選擇性衰落是由于多徑衰落導(dǎo)致的幅度隨機(jī)性起伏衰落和相位隨機(jī)性變化所引起的。下面介紹兩種重要的衰落信道:瑞利衰落信道 瑞利衰落信道是一種無線電信號傳播環(huán)境的統(tǒng)計(jì)模型。這種模型假設(shè)信號通過無線信道之后,其信號幅度是隨機(jī)的,即“衰落”,并且其包絡(luò)服從瑞利分布。這一信道模型能夠描述由電離層和對流層反射的短波信道,以及建筑物密集的城市環(huán)境16。 瑞利衰落信道是移動通信中相當(dāng)重要的衰落信道,它在很大程度上影響著移動通信系統(tǒng)的質(zhì)量。在移動通信中,發(fā)送端和接收端都可能處在不停的運(yùn)動狀態(tài)之中,發(fā)送端和接收端之間的相對運(yùn)動將產(chǎn)生多普勒頻移。 多普勒頻移與運(yùn)動速度和方向有關(guān),它的計(jì)算公式為:

36、3.1 其中,v是發(fā)送端和接收端的相對運(yùn)動速度,是運(yùn)動方向與發(fā)送端和接收端連線之間的夾角,c/f 是載波的波長。倫琴衰落信道 在移動通信系統(tǒng)中,如果發(fā)送端和接收端存在一條占優(yōu)勢的視距傳播路徑,這種信道就可以模擬成倫琴衰落信道。當(dāng)發(fā)送端和接收端既存在視距傳播路徑LOS,又有多條反射路徑時,它們之間的信道可以利用Simulink中的倫琴衰落信道模塊和多徑瑞利衰落信道模塊的組合來進(jìn)行仿真。 倫琴衰落信道的一個重要因素是K因子,即視距傳輸能量和反射路徑的能量之間的比值。故K值越大,表示發(fā)送端和接收端的之間的視距傳播路徑的能量越強(qiáng);當(dāng)k0時,發(fā)送端和接收端不存在視距傳輸路徑,這是倫琴衰落信道就演變成瑞利

37、衰落信道。3.1.3光纖信道 光纖通信是利用光導(dǎo)纖維傳遞光脈沖來進(jìn)行通信的,由光源、光纖線路及光電探測器等三個基本部分組成。 已調(diào)光信號 調(diào)制電信號 解調(diào)電信號 基帶電信號 基帶電信號 圖 3.2 光線信道的一般組成3.2 通信系統(tǒng)中噪聲相關(guān)內(nèi)容 信道的噪聲,通信設(shè)備的噪聲,電源噪聲,干擾統(tǒng)稱為噪聲。 信號在信道中傳輸,要受到信道特性及噪聲的影響,致使信號接收造成某些差錯。此時受到干擾及噪聲影響的信號可稱為受擾信號。加性干擾的噪聲其來源可分為人為噪聲、自然噪聲和內(nèi)部噪聲三個方面。通常將宇宙噪聲、散彈噪聲和熱噪聲歸為起伏噪聲,它們的統(tǒng)計(jì)特性基本上是高斯分布16。3.2.1 高斯白噪聲 在研究通信

38、系統(tǒng)時,為了分析方便,把噪聲假想成一種理想化的形式,認(rèn)為它通信的頻段不受限于實(shí)際通信系統(tǒng)的頻段,并包括電磁輻射全部可見頻率,這種噪聲稱為白噪聲。 高斯白噪聲:如果一個噪聲,它的幅度分布服從高斯分布,而它的功率譜密度又是均勻分布的,則稱它為高斯白噪聲。熱噪聲和散粒噪聲是高斯白噪聲。 由于高斯過程的普遍存在和高斯噪聲過程在通信中的重要意義,我們歸納它們的統(tǒng)計(jì)特性的特點(diǎn)。高斯隨機(jī)過程的一維統(tǒng)計(jì)特性只取決于均值和方差,二維統(tǒng)計(jì)特性主要取決于協(xié)方差或相關(guān)函數(shù)。高斯過程若廣義平穩(wěn),則同時也嚴(yán)格平穩(wěn)。窄帶高斯噪聲及其同相、正交分量均值皆為0,方差均等于窄帶高斯噪聲本身的方差,同相分量與正交分量不相關(guān)且統(tǒng)計(jì)獨(dú)

39、立。窄帶噪聲包絡(luò)為瑞利分布,相位為均勻分布。載波信號加窄帶噪聲一般為賴斯分布,當(dāng)信號幅度很大時,為高斯分布:幅度很小時,接近于瑞麗分布;信號包絡(luò)與噪聲包絡(luò)相差不大時,為賴斯分布。 3.3 仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)一BFSK信號在三種傳輸信道中的傳輸性能分析 (1)BFSK信號 FSK信號:是Frequency-shift keying信號的縮寫,數(shù)字頻率調(diào)制又稱頻移鍵控(FSK),頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數(shù)字信息,即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。它是利用基帶數(shù)字信號離散取值特點(diǎn)去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)。BFSK是二進(jìn)制頻移鍵控,BFSK信號便是符號“1”對應(yīng)于載頻f1,而符

40、號“0”對應(yīng)于載頻f2(與f1不同的另一載頻)的已調(diào)波形,而且f1與f2之間的改變是瞬間完成的。 由于實(shí)際通信中不少信道都不能直接傳輸基帶信號,因此,必須用基帶信號對載波波形的某些參數(shù)進(jìn)行控制,使載波的這些參量隨基帶信號變化而變化,即所謂載波調(diào)制。以正弦波作為載波的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種基本形式。 設(shè)信息源發(fā)出的由二進(jìn)制符號0、1組成的序列,且假定0符號出現(xiàn)的概率為P,1符號出現(xiàn)的概率為1-P,它們彼此獨(dú)立。BFSK信號是0符號對應(yīng)于載頻W1,而l符號對應(yīng)于載頻W2與W2不同的另一載頻的已調(diào)波形,而且W1和W2的改變是瞬間完成的。根據(jù)以上BFSK信號的產(chǎn)生原理,已調(diào)信號的數(shù)學(xué)表示為

41、: (3.2)式中g(shù)t為單個矩形脈沖,脈寬為Ts ,是的反碼,即 2 仿真模型設(shè)計(jì)思路探討B(tài)FSK信號在高斯白噪聲信道、多徑瑞利信道和多徑倫琴信道中的傳輸性能。 3 仿真模型設(shè)計(jì)分析及其組成結(jié)構(gòu) 圖3.3 BFSK信號在高斯白噪聲信道中傳輸系統(tǒng)圖3.4 BFSK在多徑瑞利信道中的傳輸系統(tǒng) 圖3.5 BFSK在多徑倫琴信道中的傳輸系統(tǒng)這三個傳輸系統(tǒng)的信源都是隨機(jī)整數(shù)產(chǎn)生器(在上圖中的Random integer Generator,在接收端解調(diào)后的信號通過誤碼率計(jì)算器上圖中的Error Rate Calculation計(jì)算信號的誤比特率。 利用加性高斯白噪聲AWGH Channel信道模塊,在輸

42、入信號中加入高斯白噪聲。利用多徑瑞利衰落(Multipath Rician fading Channel)信道模塊,實(shí)現(xiàn)基帶信號的多徑瑞利信道仿真。它的輸入信號是標(biāo)量形式或幀格式的復(fù)信號,輸入信號被延遲一定時間之后形成多徑信號,這些多徑信號分別乘以相應(yīng)的增益,疊加之后就形成了瑞利衰落信號。利用倫琴衰落信道模塊對基帶信號的倫琴衰落信道進(jìn)行仿真,它的輸入信號是標(biāo)量形式或幀格式的復(fù)信號。(4)仿真模型運(yùn)行結(jié)果及分析圖3.6 BFSK信噪比-誤比特率關(guān)系曲線 上圖中X軸表示信噪比單位:dB,Y軸表示信號對數(shù)坐標(biāo)的誤比特率。從圖中可以看出,在三個信道中,BFSK調(diào)制信號的誤比特率隨著信噪比的增加而降低。

43、第一條曲線瑞利信道,第二條是倫琴信道,第三條是高斯白噪聲信道。 對于相同的信噪比,倫琴信道的誤比特率明顯優(yōu)于多徑瑞利衰落信道。當(dāng)信號的信噪比低于6dB時,倫琴信道的誤比特率甚至優(yōu)于只存在加性高斯白噪聲的信道。當(dāng)信噪比等于156dB時,加性高斯白噪聲信道的誤比特率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此時瑞利衰落信道的誤比特率。這樣,如果在瑞利衰落信道中獲得與高斯白噪聲信道相同的傳輸效果,就需要增加信號的信噪比。在移動通信中,瑞利衰落是不可以避免的,因此需要采取其它措施來提高通信系統(tǒng)的性能。5 matlab文件程序代碼xO:15;yx;FrequencySeparation24000; BitRate10000;Simula

44、tionTimel0;SamplesPerSymbol2; Velocity40; LightSpeed3*108;Frequency825*l06;WaveLengthhighzSpeed/Frequency;FdVelocity*103/3600/WaveLength;ProjectImain ;hold on;for ilengthx; SNRxi;simprojectl; yimeanBitErrorRate;End;semilogyx,y; 3.4 本章小結(jié) 本章主要研究的是通信系統(tǒng)的信道和噪聲模塊。首先,介紹了通信系統(tǒng)的信道和噪聲的基本內(nèi)容;其次,介紹了幾種常見的信道和噪聲。最后設(shè)

45、計(jì)了具體的仿真模型,并給出了仿真分析。4 模擬信號的數(shù)字化傳輸?shù)难芯考捌浞抡?.1 模擬信號的數(shù)字化傳輸以及抽樣定理4.1.1 模擬信號的數(shù)字化傳輸 通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng),如果我們在發(fā)送端的信息源中包括一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置,在接收端包含一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換裝置,則可以在數(shù)字系統(tǒng)中傳輸模擬信號17。采用脈碼調(diào)制的模擬信號數(shù)字傳輸系統(tǒng)如下圖: mt 模擬隨機(jī)信號數(shù)字隨機(jī)信號數(shù)字隨機(jī)序列 模擬隨機(jī)信號圖4.1 模擬信號數(shù)字傳輸系統(tǒng)4.1.2 抽樣定理 所謂抽樣,就是對時間連續(xù)的信號隔一定的時間間隔T抽取一個瞬時幅度值(樣值) ,抽樣是由抽樣門完成的。 抽樣定理是指在一個頻帶限制在(0,fh

46、)內(nèi)的時間連續(xù)信號f(t),如果以1/2fh的時間間隔對它進(jìn)行抽樣,那么根據(jù)這些抽樣值就能完全恢復(fù)原信號?；蛘哒f,如果一個連續(xù)信號f(t)的頻譜中最高頻率不超過fh,當(dāng)抽樣頻率fs2fh時,抽樣后的信號就包含原連續(xù)的全部信息。從抽樣定理中可以得出,如果對一個頻帶有限的時間連續(xù)信號(模擬信號)進(jìn)行抽樣,且抽樣速率達(dá)到一定的數(shù)值,那么根據(jù)這些抽樣值就能準(zhǔn)確的回復(fù)原信號。也就是說,要傳輸模擬信號,不一定要傳輸其本身,可以只傳輸抽樣定理得到的抽樣值。所以抽樣定理為模擬信號的數(shù)字化傳輸提供了理論支持。 模擬信號進(jìn)行抽樣以后,其抽樣值還是隨信號幅度連續(xù)變化,即抽樣值fkT可以去無窮多個可能值,如果用N為二

47、進(jìn)制數(shù)字信號來代表抽樣值的大小,用數(shù)字系統(tǒng)來傳輸該樣值信息,而N位二進(jìn)制數(shù)字信號能同時同M2N電平樣值相對應(yīng),而不能同無窮多個電平樣值相對應(yīng)。這樣一來,抽樣值必須劃分為M個離散電平,此電平被稱為量化電平。 利用預(yù)先給定的有限個電平來表示模擬抽樣值的過程被稱為抽樣。抽樣是把一個時間連續(xù)的信號變換成時間離散的信號,而量化則是將取值連續(xù)的抽樣變成取值離散的抽樣。4.2 模擬信號的量化4.2.1 均勻量化 把輸入信號的取值區(qū)域按等距離分割的量化稱為均勻量化。均勻量化的每個量化區(qū)間的量化電平均取在個區(qū)間的中點(diǎn)。量化間隔v取決于輸入信號的變化范圍和量化電平數(shù)。4.2.2 非均勻量化 非均勻量化的方法通常是

48、將抽樣值通過壓縮再進(jìn)行均勻量化。通常使用的壓縮器中,大多數(shù)采用對數(shù)式壓縮,即ylnx。廣泛采用的兩種對數(shù)壓縮率是u壓縮律和A壓縮律。美國采用u壓縮律,我國和歐洲各國均采用A壓縮律。 u壓縮率: (4.1) A壓縮率: (4.2) 4.3式中,y?歸一化的壓縮器輸出電壓; x?歸一化的壓縮器輸入電壓; u,A?壓擴(kuò)參數(shù),表示壓縮的程度。 實(shí)際中,往往都采用近似于A律函數(shù)規(guī)律的13折線A87.6的壓擴(kuò)特性。這樣,它基本上保持了連續(xù)壓擴(kuò)特性曲線的優(yōu)點(diǎn),又便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。13折線形成的方法是把x軸的O?1分成8個不均勻段,而Y軸O?1的均勻地分成八段,與x軸的八段一一對應(yīng)。至于當(dāng)z在一1O及Y在一

49、l?0的第三象限中,壓縮特性的形狀與以上討論的第一象限壓縮特性的形狀相同,且它們以原點(diǎn)為奇對稱,所以負(fù)方向也有八段直線,合起來共有16個線段。由于正向一、二兩段和負(fù)向一、二兩段的斜率相同,這四段實(shí)際上為一條直線,因此,正、負(fù)雙向的折線總共由13條直線段構(gòu)成,故稱其為13折線。13折線和A律A87.6壓擴(kuò)特性的近似程度。表 4.1 A律函數(shù)規(guī)律u律15折線形成:把Y坐標(biāo)從0到1之間劃分為八個均勻等分,對應(yīng)于分界點(diǎn)y坐標(biāo)i/8的x坐標(biāo),根據(jù)律壓縮特性得到u255,共14個斜率發(fā)生變化的分界點(diǎn),將其分成15段直折線。表4.2 u律函數(shù)規(guī)律4.3 脈沖編碼調(diào)制及差分脈沖編碼調(diào)制原理4.3.1 脈沖編碼

50、調(diào)制(PCM 脈沖編碼調(diào)制是對信號進(jìn)行抽樣和量化時,將所得的量化值序列進(jìn)行編碼,變換為數(shù)字信號的調(diào)制過程。是數(shù)字信號是對連續(xù)變化的模擬信號進(jìn)行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生。PCM有兩個標(biāo)準(zhǔn)(表現(xiàn)形式):E1和T1。 脈沖編碼調(diào)制就是把一個時間連續(xù),取值連續(xù)的模擬信號變換成時間離散,取值離散的數(shù)字信號后在信道中傳輸。脈沖編碼調(diào)制就是對模擬信號先抽樣,再對樣值幅度量化,編碼的過程18。 抽樣就是對模擬信號進(jìn)行周期性掃描,把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經(jīng)過抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號中所有信息,也就是說能無失真的恢復(fù)原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。抽樣速率采用8Kbit/s。

51、 量化,就是把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散,即用一組規(guī)定的電平,把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。 一個模擬信號經(jīng)過抽樣量化后,得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號,它僅為有限個數(shù)值。 編碼,就是用一組二進(jìn)制碼組來表示每一個有固定電平的量化值。然而,實(shí)際上量化是在編碼過程中同時完成的,故編碼過程也稱為模/數(shù)變換,可記作A/D。 PCM通信方框圖: 圖4.2PCM通信系統(tǒng)方框圖 在上圖中,輸入的模擬信號mt經(jīng)抽樣、量化、編碼后變成了數(shù)字信號PCM信號,經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端,由譯碼器恢復(fù)出抽樣值序列,再由低通濾波器濾出模擬基帶信號而。通常,將量化與編碼的組合稱為模/數(shù)變換器A/D變換器;而譯碼與低通

52、濾波的組合稱為數(shù)/模變換器D/A變換器。前者完成由模擬信號到數(shù)字信號的變換,后者則相反,即完成數(shù)字信號到模擬信號的變換。4.3.2 差分脈沖編碼調(diào)制 差分脈沖編碼調(diào)制DPCM,是一種對模擬信號的編碼模式。與PCM不同每個抽樣值不是獨(dú)立的編碼,而是先根據(jù)前一個抽樣值計(jì)算出一個預(yù)測值,再取當(dāng)前抽樣值和預(yù)測值之差作編碼用.此差值稱為預(yù)測誤差.抽樣值和預(yù)測值非常接近因?yàn)橄嚓P(guān)性強(qiáng),預(yù)測誤差的可能取值范圍比抽樣值變化范圍小.所以可用少幾位編碼比特來對預(yù)測誤差編碼,從而降低其比特率.這是利用減小冗余度的辦法,降低了編碼比特率19。 DPCM通信系統(tǒng)組成如下圖:圖 4.3 DPCM系統(tǒng)的組成4.4 仿真系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)4.4.1PCM系統(tǒng)與DPCM系統(tǒng)的量化噪聲設(shè)計(jì)仿真模型設(shè)計(jì)思路 模擬信息源輸出的模擬信號需經(jīng)過抽樣和量化后得到輸出電平序列MQKTS,然后就可以將每一個量化電平用編碼方式傳輸。前面介紹了兩種編碼方式,即脈沖編碼調(diào)制PCM和差分脈沖編碼調(diào)制DPCM。差分脈沖編碼調(diào)制是一種結(jié)合了脈沖編碼調(diào)