1、822007年第12期,第40卷 通 信 技 術(shù) Vol.40,No.12,2007 總第192期 Communications Technology No.192,Totally基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真應(yīng)用研究謝曉燕, 寧永海(河南科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003;河南科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003【摘 要】文章基于一個(gè)實(shí)際的水聲處理系統(tǒng),采用MATLAB 仿真軟件建立其仿真模型,進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。分析整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建,對(duì)于系統(tǒng)的重要通信過(guò)程,詳細(xì)分析其模型建立、參數(shù)設(shè)置,并對(duì)幾種調(diào)制方式通過(guò)仿真對(duì)比分析其特性,為實(shí)際系統(tǒng)的建立提供了參考和依據(jù)?！?/p>

2、關(guān)鍵詞】MATLAB 仿真;數(shù)字調(diào)制;量化編碼;差錯(cuò)控制 【中圖分類號(hào)】TN916.6 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1002-0802(200712-0082-03Simulation and Application Research of Commumnication SystemBased on MatlabXIE Xiao-yan , NING Yong-hai (Colloge of Information and Technology Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang Henan 471

3、003, China; Colloge of Information and Technology Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang Henan 471003, China【Abstract】Based on a practical sonobuoy system, and by MATLAB, the simulation model is established and simulated by computer. The process of establishing the whole sy

4、stem is analyzed, and for the important part of the communicatinon, the analysis on establishment process, parameter setting, and several modulation modes through simulation are carried out. It provides references and ground for a practical system.【Key words】Matlab Simulation;digital modulation;Quan

5、tization Encoder;error control0 引言隨著通信系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能適應(yīng)發(fā)展的需要,通信系統(tǒng)的模擬仿真技術(shù)越來(lái)越受到工程技術(shù)人員的重視。傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法主要是手工分析與電路板試驗(yàn), 這些方法比較繁雜, 而需要花很多的時(shí)間。通信系統(tǒng)模擬環(huán)境可以稱為軟件試驗(yàn)板, 它可以使用戶在較短的時(shí)間內(nèi)建立整個(gè)通信系統(tǒng)模型,并對(duì)它進(jìn)行模擬仿真,是介于手工分析與電路試驗(yàn)板的一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。MATLAB 具有強(qiáng)大的Simulink 動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境,它為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口。與傳統(tǒng)的仿真軟件(如差分方程和微分方程建模相比,它更加直觀、方便和靈活

6、。在本仿真設(shè)計(jì)中采用此仿真平臺(tái)。1 系統(tǒng)仿真模型簡(jiǎn)介MATLAB 提供的圖形界面仿真工具Simulink 由一系列模型庫(kù)組成。本設(shè)計(jì)是基于水聲信號(hào)的處理過(guò)程,水聲信號(hào)屬于是模擬信號(hào),所以需要/A D (模數(shù)轉(zhuǎn)換。整個(gè)通信系統(tǒng)的流程被概括為: 模擬信號(hào)的產(chǎn)生與輸出、模數(shù)轉(zhuǎn)換、信道編譯碼、調(diào)制解調(diào)。其仿真系統(tǒng)總圖1如圖1所示。圖1 Simulink 系統(tǒng)仿真模型流程2 數(shù)字化為完成/A D 變換,需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化、編碼。本設(shè)計(jì)中的水聲信號(hào)是小幅度信號(hào),其出現(xiàn)的概率遠(yuǎn)大于大幅度信號(hào)出現(xiàn)的概率。為充分利用傳輸?shù)谋忍刭Y源,小幅度信號(hào)量化的間隔遠(yuǎn)小于大幅度信號(hào)的量化間隔,所以對(duì)信號(hào)采用量化效果較好

7、的非均勻量化。在仿真模塊中選用Sampled Quantizer Encode (采樣量化編碼器。它是根據(jù)量化間隔和量化碼本,把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),并輸出量化電平、量化誤差。量化間收稿日期:2007-07-02。 作者簡(jiǎn)介:謝曉燕(1983-,女,碩士研究生,主要研究方向?yàn)檐浖o(wú)線電、通信信號(hào)處理;寧永海(1955-,副教授,主要研究方向?yàn)橥ㄐ偶靶盘?hào)處理、控制工程。83隔是長(zhǎng)度為n 的向量V ,其中的每個(gè)元素(1,2,V i i n ="嚴(yán)格單調(diào)遞增。抽樣量化編碼器輸出的數(shù)字信號(hào)y 是介于0到1n +之間的整數(shù),它的確定方法如下。(1 當(dāng)(1x V <<,0y

8、=;(2 當(dāng)(1,11V m x V m m n <<+<<,y m =;(3 當(dāng)(V n x <<+,y n =。量化碼本是一個(gè)長(zhǎng)度等于1n +的向量C,它給出了數(shù)字信號(hào)與量化(1C n +的關(guān)系。即當(dāng)y 等于0時(shí),對(duì)應(yīng)于量化碼本的第一個(gè)元素(1C ;當(dāng)(1C n +等于m 時(shí),對(duì)應(yīng)于量化碼本第1m +個(gè)元素(1C m +。在發(fā)送端,采用低頻正弦信號(hào)作為的模擬輸入信號(hào),對(duì)其先進(jìn)行基于采樣定理的采樣。然后A 律壓縮,使取樣后的離散信號(hào)的范圍介于-1和1之間。其次,量化編碼器采用256級(jí)的均勻量化,每個(gè)樣值用0255之間的一個(gè)整數(shù)表示,然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼,經(jīng)過(guò)

9、轉(zhuǎn)換模塊得到0,1數(shù)據(jù)流。其中采樣量化編碼器的參數(shù)設(shè)置:量化間隔(11/255:2/255:/+(11/255,量化碼本1:2/255:1。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)量化后 的結(jié)果如圖2所示。圖2 量化信號(hào)3 差錯(cuò)控制數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中,由于信道傳輸特性的影響,接收端收到的數(shù)字信號(hào)會(huì)發(fā)生各種錯(cuò)誤。為了減少比特誤碼率,需要對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行差錯(cuò)控制。在差錯(cuò)控制中,卷積編碼表現(xiàn)出了優(yōu)秀的糾錯(cuò)能力。卷積碼2是一種分組碼。分組碼編碼時(shí),先將輸入的信息序列分為長(zhǎng)度為k 個(gè)碼元的段,然后按照一定的編碼規(guī)則(由生成矩陣或監(jiān)督矩陣所決定,給含k 個(gè)信息元的段附加上r 長(zhǎng)的監(jiān)督碼元,于是生成n 長(zhǎng)(n k r =+的碼組。在編

10、碼時(shí),各n 長(zhǎng)碼組是分別編碼,各碼組之間沒(méi)有約束關(guān)系,因此在譯碼時(shí)各碼組是分別獨(dú)立地進(jìn)行。而卷積編碼器把k 比特信息段編程n 比特的碼組,但編的n 長(zhǎng)碼組不僅同當(dāng)前的K比特信息段關(guān)聯(lián),而且還同前面的(1N 個(gè)(1N >,整數(shù)信息段關(guān)聯(lián)。人們常稱N 為碼的約束長(zhǎng)度,通常把卷積碼記作(,n k N 卷積碼,編碼效率為/Rc k n =。卷積碼使得一系列輸入信號(hào)經(jīng)編碼后,變成了幾列輸出,冗余度增大,糾錯(cuò)能力加強(qiáng)。設(shè)計(jì)中采用卷積編碼的格形結(jié)構(gòu)poly2trellis(9,753, 561。它表示約束長(zhǎng)度為9,生出多項(xiàng)式的八進(jìn)制表示為753,561,其二進(jìn)制表示為111101011 1011100

11、01,由生成多項(xiàng)式得出其編碼效率為1/2,即輸入一位信息碼元,輸出2位信息碼元。其解碼過(guò)程采用維比特譯碼,其中卷積解碼器的參數(shù)設(shè)置時(shí),其反饋深度應(yīng)為約束長(zhǎng)度的58倍以上,這樣效果會(huì)較好。4 調(diào)制解調(diào)在發(fā)送端對(duì)碼流進(jìn)行數(shù)字編碼調(diào)制2(2-FSKMSKGMSK。用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)控制載波的頻率,由于二進(jìn)制信號(hào)的變化,會(huì)引起載波的相位突變等問(wèn)題,又發(fā)展出MSK ,即最小移頻鍵控,為了進(jìn)一步降低頻帶利用率,又發(fā)展出GMSK ,即高斯?jié)L降最小移頻鍵控。在接收端,對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行解調(diào),恢復(fù)出調(diào)制前的數(shù)據(jù)流。在仿真時(shí),仿真其基帶調(diào)制,從中得出2FSK,MSK, GMSK 的性能對(duì)比。仿真信道是加性高斯白噪聲信道,

12、FSK的信噪比為3dB ,MSK 和GMSK 的信噪比是6dB 。三個(gè)系統(tǒng)的頻譜儀參數(shù)是一致的,以便于比較這三種調(diào)制方式的 特性。仿真后調(diào)制信號(hào)頻譜分別如圖3、圖4、圖5所示。 圖3 FSK調(diào)制信號(hào)頻譜 圖4 MSK調(diào)制信號(hào)頻譜圖5 GMSK調(diào)制信號(hào)頻譜仿真結(jié)果表明:在誤碼率為相同數(shù)量級(jí)的條件下,GMSK 占有最小的頻帶寬度,此時(shí)MSK,GMSK 的傳輸環(huán)境的信噪比,比FSK 還要低3dB 。綜合抗干擾能力、占帶寬度最好的是GMSK ,MSK 次之,最后是FSK 。5 系統(tǒng)仿真總圖在系統(tǒng)圖中使用2FSK 調(diào)制進(jìn)行仿真,對(duì)于MSK 、84 GMSK 調(diào)制,使用其相對(duì)應(yīng)的調(diào)制解調(diào)模塊。系統(tǒng)圖的搭建

13、依據(jù)上述的流程,對(duì)原始信號(hào)依次經(jīng)過(guò)數(shù)字化、差錯(cuò)控制、調(diào)制解調(diào)的過(guò)程,依次連接對(duì)應(yīng)各個(gè)過(guò)程的信號(hào)模塊。其中各個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置要相互對(duì)應(yīng),否則會(huì)報(bào)錯(cuò)。比如采樣量化編碼器的參數(shù)設(shè)置時(shí),其量化碼本的大小等于量化間隔大小加1,本設(shè)計(jì)中的量化間隔參數(shù)設(shè)置為(11/255:2/+ 255:/(11/255,量化間隔數(shù)為254,量化碼本參數(shù)設(shè)置為-1:2/255:1,量化碼本數(shù)為255。同時(shí)不同模塊連接時(shí)需要加入相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊,如卷積編碼器的輸入必須是二進(jìn)制數(shù),就需要在量化編碼器的輸出端,加入整數(shù)轉(zhuǎn)二進(jìn)制的模塊(Integer to Bit Converter ,同時(shí)需要添加幀模塊(To Frame ,轉(zhuǎn)換為

14、以幀模式輸出,在經(jīng)過(guò)這兩步轉(zhuǎn)換之后再連接卷積編碼模塊,才不至于出錯(cuò)。系統(tǒng)總體仿真圖4 如圖6所示。圖6 系統(tǒng)仿真6 結(jié)語(yǔ)本設(shè)計(jì)根據(jù)一個(gè)實(shí)際的水聲處理系統(tǒng),建立其仿真模型,對(duì)水聲信號(hào)首先進(jìn)行了抽樣、量化、編碼,把模擬水聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),然后對(duì)信號(hào)經(jīng)過(guò)信道編碼,實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制,并對(duì)幾種調(diào)制方式,包括2-FSK MSK GMSK 、的特性進(jìn)行仿真,對(duì)其進(jìn)行了對(duì)比分析。本系統(tǒng)使用Matlab 進(jìn)行仿真,對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)不斷改進(jìn)優(yōu)化,反復(fù)試驗(yàn),以致最優(yōu),這不僅節(jié)約了費(fèi)用,降低了成本,而且對(duì)實(shí)際水聲系統(tǒng)的建立提供了重要的參考和依據(jù)。 參考文獻(xiàn)1 唐澤鵬,宋威. Matlab 在通信中的仿真應(yīng)用J.通訊

15、電聲,201,11(197:1-4.3 劉樹(shù)堂.現(xiàn)代通信系統(tǒng)-使用MATLABM.第2版. 西安:西安交通大學(xué)出版社,2001:105-120. (上接第81頁(yè)圖5 Take-off 和Landing 環(huán)境下的誤碼特性4 結(jié)語(yǔ)未來(lái)VHF 航空通信系統(tǒng)必將面臨一些現(xiàn)行話音和數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)所沒(méi)有的額外需求。隨著空中交通業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng),建設(shè)大容量、高速和高抗干擾能力的寬帶地空通信系統(tǒng)將是一個(gè)重要的發(fā)展方向。MC-CDMA 結(jié)合了OFDM 和CDMA 的優(yōu)點(diǎn),在多址能力和抗干擾、抗衰落方面都顯示了很大的優(yōu)越性。目前,歐洲的B-VHF 工程以及ADL(先進(jìn)的機(jī)場(chǎng)數(shù)據(jù)鏈都涉及到了此項(xiàng)技術(shù)。可以想象,在未來(lái)

16、VHF 航空通信系統(tǒng)物理層應(yīng)用中,MC-CDMA 技術(shù)必將具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1 KITAORI J. A feasibility study of CDMA technology for ATCR. International Civil Aviation Organization Tenth Meeting of Working Group C of the Aeronautical Communications Panel Montréal, Canada, March 2006: 13-17.2 Tu D H, TSUDA Y, SHIMAMOTO S, et al. Satoshi KATO. The Next Generation Air to Ground Communication System for Air Traffic ControlC. Wireless Communications and Applied Computational Electromagnetics , 2005, IEEE/ACES International Conference on, 2005:1010-1013.3 Haindl B, Sajatovic M, Rihacek C, et a