1、.,1,第-6-章 通信系統(tǒng)仿真,6.1 通信工具箱函數(shù) 6.2 信息的度量和編碼 6.3 差錯(cuò)控制編/譯碼方法 6.4 模擬調(diào)制和解調(diào) 6.5 數(shù)字調(diào)制和解調(diào) 6.6 通信系統(tǒng)的性能仿真 6.7 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真,.,2,6.1通信工具箱的函數(shù),在MATLAB的Communication Toolbox(通信工具箱)中提供了許多仿真函數(shù)和模塊，用于對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。主要包括兩部分內(nèi)容：通信函數(shù)命令和Simulink的Communications Blockset（通信模塊集）仿真模塊。用戶既可以在MATLAB的工作空間中直接調(diào)用工具箱中的函數(shù)，也可以使用Simulink平臺(tái)構(gòu)造自己

2、的仿真模塊，以達(dá)到擴(kuò)充工具箱的內(nèi)容。通信工具箱中的函數(shù)名稱和內(nèi)容列表，其內(nèi)容包含：,Signal Sources(信號(hào)源函數(shù))； Signal Analysis function(信號(hào)分析函數(shù))； Source Coding(信源編碼)； Error Control Coding(差錯(cuò)控制編碼函數(shù))； Lower Level Function for Error Control Coding(差錯(cuò)控制編碼的底層函數(shù))； Modulation/Demodulation(調(diào)制/解調(diào)函數(shù)) Special Filters(特殊濾波器設(shè)計(jì)函數(shù))； Lower Level Function for Sp

3、ecials Filters(設(shè)計(jì)特殊濾波器的底層函數(shù))； Channel Functions(信道函數(shù))； Galosi Field Computation(有限域估計(jì)函數(shù))； Utilities(實(shí)用工具函數(shù))。,.,3,6.2 信息的量度與編碼,信源熵的輸出可以用隨機(jī)過程來表達(dá)。對(duì)于一個(gè)離散無記憶平穩(wěn)隨機(jī)過程，其信息量 (熵)定義為：,其中X表示信源取值集合，p(x)是信源取值x的概率。,6.2.1 Huffman編碼 信源編碼可分為兩類：無失真編碼和限失真編碼。Huffman編碼的基本原理就是為概率較小的信源輸出分配較長(zhǎng)的碼字，而對(duì)那些出現(xiàn)可能性較大的信源輸出分配較短的碼字。,Huff

4、man編碼算法及步驟如下： 將信源消息按照概率大小順序排隊(duì)。 按照一定的規(guī)則，從最小概率的兩個(gè)消息開始編碼。 將經(jīng)過編碼的兩個(gè)消息的概率合并，并重新按照概率大小排序，重復(fù)步驟。 重復(fù)上面步驟，一直到合并的概率達(dá)到1時(shí)停止。這樣便可以得到編碼樹狀圖。 按照后出先編碼的方式編程，即從數(shù)的根部開始，將0和1分別放到合并成同一節(jié)點(diǎn)的任意兩個(gè)支路上，這樣就產(chǎn)生了這組Huffman碼。,.,4,6.2.2 MATLAB信源編/譯碼方法,大多數(shù)信源（比如語音、圖像）最開始都是模擬信號(hào)，為了將信源輸出數(shù)字化，信源必須量化為確定數(shù)目的級(jí)數(shù)。量化方案可劃分為標(biāo)量量化和矢量量化兩種。在標(biāo)量量化中每個(gè)信源輸出都分別被

5、量化，標(biāo)量量化可進(jìn)一步分為均勻量化和非均勻量化。在均勻量化中量化區(qū)域是等長(zhǎng)的；在非均勻量化中量化區(qū)域可以是不等長(zhǎng)的。矢量量化是對(duì)信源輸出組合進(jìn)行整體量化。,在標(biāo)量量化中，隨機(jī)標(biāo)量X的定義域被劃分成N個(gè)互不重疊的區(qū)域Ri，1 i Fs。變量Fs可以是標(biāo)量也可以為一個(gè)二維的矢量。二維矢量中第一個(gè)值為采樣頻率，第二個(gè)值為調(diào)制載波的初相，初相以弧度表示，默認(rèn)值為0。根據(jù)采樣定理，采樣頻率必須大于或等于調(diào)制信號(hào)最高頻率的兩倍。字符串變量method指定所用的調(diào)制方式，見表6.4。,(2) 帶通模擬解調(diào)函數(shù)ademod( ) 格式：z=ademod(y,Fc,Fs,method.) 功能：對(duì)載波為Fc的調(diào)

6、制信號(hào)y進(jìn)行解，采樣頻率Fs，F(xiàn)cFs。它是amod函數(shù)的逆過程，amod與ademod選擇的調(diào)制方式必須相同，否則不容易正確復(fù)制出源信號(hào)。該函數(shù)在解調(diào)中用到一個(gè)低通濾波器，低通濾波器傳輸函數(shù)的分子、分母由輸入?yún)?shù)num、den指定，低通濾波器的采樣時(shí)間等于1/Fs。當(dāng)num=0或缺省時(shí)，函數(shù)使用一個(gè)默認(rèn)的巴特沃斯低通濾波器，可由num,den=butter(5,Fc*2/Fs)生成。字符串變量method指定所用的調(diào)制方式， 見表6.4。,.,26,例6-13 使用MATLAB對(duì)一信號(hào)進(jìn)行正交幅度調(diào)制。 MATLAB程序如下： Fs=100; %采樣頻率 Fc=15; %載波頻率 t=0:0

7、.025:2; %采樣時(shí)間 x=sin(pi*t,2*pi*t); %信號(hào) y=amod(x,Fc,Fs,qam); %正交幅度調(diào)制 z=ademod(y,Fc,Fs,qam); %正交幅度解調(diào) plot(t,x(:,1),-,t,z(:,1),-) %繪制調(diào)制信號(hào) hold; plot(t,x(:,2),-o,t,z(:,2),-*) %繪制調(diào)制信號(hào) 程序運(yùn)行得到的信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的波形如圖6.20所示。,.,27,6.4.2 基帶模擬調(diào)制/解調(diào),基帶仿真，也稱低通對(duì)等方法，使用帶通信號(hào)的復(fù)包絡(luò)作為輸入信號(hào)。設(shè)B為原始信號(hào)帶寬，基帶仿真要求仿真抽樣率大于或等于2B ，而一般的有 BFd。met

8、hod 為調(diào)制方法，見表6.6。,2數(shù)字帶通解調(diào)函數(shù)ddemod( ) 格式：z=ddemod(y, Fc, Fd, Fs, method ) 功能：解調(diào)載波為Fc(Hz)的數(shù)字調(diào)制信號(hào)y，其抽樣頻率為Fd(Hz)，計(jì)算抽樣頻率為Fs(Hz)。該函數(shù)為dmod的逆過程，對(duì)頻率與函數(shù)為dmod 中求要相同。當(dāng)Fd為一個(gè)二維矢量時(shí)，F(xiàn)d中的第二個(gè)值即為輸出抽樣點(diǎn)的時(shí)間偏移量(必須是整數(shù)，默認(rèn)為0)。該函數(shù)測(cè)出接收碼到編碼中所有可能的碼的距離，然后以離接收碼最近的碼作為輸出數(shù)字碼。除method =msk和method =fsk解調(diào)外，該函數(shù)可使用一個(gè)指定的低通濾波器，該濾波器的傳輸函數(shù)由分子num

9、和分母den指定，濾波器的抽樣時(shí)間為1/Fs，缺省濾波器時(shí)，在解調(diào)時(shí)無積分器。,.,33,(a) 調(diào)制解調(diào)前后的信號(hào),(b)星座圖,圖6.27 16-QASK調(diào)制,例6-16 利用MATLAB進(jìn)行帶通數(shù)字調(diào)制解調(diào)M元正交幅度鍵控調(diào)制。,.,34,6.5.2 基帶數(shù)字調(diào)制/解調(diào) 1基帶數(shù)字調(diào)制函數(shù)dmodce( ) 格式：y=dmodce(x, Fd, Fs, method, ) 功能：調(diào)制一個(gè)帶復(fù)包絡(luò)的數(shù)字信號(hào)，主要用于基帶數(shù)字調(diào)制。輸出y為復(fù)數(shù)，其采樣頻率為Fs，輸入x的采樣頻率為Fd，F(xiàn)s/Fd必須是一個(gè)正整數(shù)。當(dāng)輸入x是一個(gè)矩陣時(shí)，x中每列是相互獨(dú)立的，輸出矩陣y的行數(shù)是Fs/Fd*x的

10、行數(shù)。當(dāng)變量Fs為兩維矢量，矢量中第一個(gè)值是抽樣頻率，第二個(gè)值是調(diào)制載波的初始相位(弧度)，默認(rèn)值為0。method 為調(diào)制方法，見表6.6。,2數(shù)字基帶解調(diào)函數(shù)ddemodce( ) 格式：z=ddemodce(y,Fd,Fs,method) 功能：解調(diào)數(shù)字基帶調(diào)制信號(hào)y，其抽樣頻率為Fd (Hz), 計(jì)算抽樣頻率為Fs(Hz)。Fs/Fd必須為正整數(shù)，變量Fd可以是一個(gè)標(biāo)量或兩維矢量，矢量中第一個(gè)值是抽樣頻，第二個(gè)值為抽樣時(shí)間偏移量(必須為整數(shù))，默認(rèn)值為0。,3AWGN信道函數(shù)awgn 格式：y=awgn(x,snr) 功能：向功率為0dB的信號(hào)x添加高斯白噪聲，輸出信號(hào)y的信噪比SNR

11、為參數(shù)snr (單位dB)。如果信號(hào)x為復(fù)信號(hào)，該函數(shù)添加復(fù)高斯白噪聲。,.,35,例6-17 利用MATLAB對(duì)信號(hào)進(jìn)行基帶數(shù)字調(diào)制解調(diào)。 MATLAB程序如下： M=4; %設(shè)置M的數(shù)目 Fd=1; %信號(hào)采樣速率 Fs=32; %采樣頻率 SNRperBit=5; %信噪比 adjSNR=SNRperBit-10*log10(Fs/Fd)+10*log10(log2(M); x=randint(5000,1,M); %源信號(hào) %正交FSK調(diào)制 tone=0.5; %頻隙間隙f=Fd/2 randn(state,1945724); %設(shè)置RANDN產(chǎn)生器的狀態(tài) w1=dmodce(x,Fd

12、,Fs,fsk,M,tone); %調(diào)制 y1=awgn(w1,adjSNR,measured,dB); % 對(duì)調(diào)制信號(hào)添加噪聲 z1=ddemodce(y1,Fd,Fs,fsk,M,tone); %調(diào)制 ser1=symerr(x,z1) %輸出符號(hào)誤差率 %非正交FSK調(diào)制 tone=0.25; randn(state,1945724); %設(shè)置RANDN產(chǎn)生器的狀態(tài) w2=dmodce(x,Fd,Fs,fsk,M,tone); %調(diào)制 y2=awgn(w2,adjSNR,measured,dB); % 對(duì)調(diào)制信號(hào)添加噪聲 z2=ddemodce(y2,Fd,Fs,fsk,M,tone);

13、 %解調(diào) ser2=symerr(x,z2) %輸出符號(hào)誤差率,.,36,6.6 通信系統(tǒng)的性能仿真,6.6.1通信系統(tǒng)的誤碼率仿真 通信系統(tǒng)誤碼率的大小是衡量通信系統(tǒng)性能的好壞。無論是仿真帶通系統(tǒng)還是基帶通信系統(tǒng)，通信系統(tǒng)模型的誤碼率的計(jì)算過程主要由設(shè)置相關(guān)參數(shù)、創(chuàng)建信號(hào)及信源編碼、調(diào)制、對(duì)調(diào)制信號(hào)添加高斯噪聲、解調(diào)、計(jì)算系統(tǒng)的誤碼率等步驟組成。,6.6.2 誤碼率仿真界面 MATLAB提供了一種有效的分析誤碼率的工具誤碼率仿真界面，它可用來計(jì)算和比較不同調(diào)制方式、不同差錯(cuò)控制編碼方式和不同信道噪聲模型條件下的通信系統(tǒng)的誤碼率。 在MATLAB命令窗中輸入命令： commgui 即可打開一個(gè)

14、圖形用戶界面窗口誤碼率仿真界面。誤碼率仿真界面包含了通信系統(tǒng)中信號(hào)處理的全部過程：信號(hào)源信號(hào)的生成；信號(hào)經(jīng)過差錯(cuò)控制編碼和調(diào)制后發(fā)送；疊加在信道噪聲后送到接收設(shè)備；經(jīng)過解調(diào)和解碼恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)、進(jìn)行誤碼率的計(jì)算過程等。,.,37,圖6.29 誤碼率仿真窗口,誤碼率仿真窗口上半部分功能區(qū)域，分為以下四個(gè)部分： Source（信號(hào)源）； Err-Ctr-Code（差錯(cuò)控制編碼）； Modulation（信號(hào)調(diào)制編碼）； Channel（信道）。,.,38,6.6.3 眼圖/散射圖 1眼圖 在研究數(shù)字傳輸碼間干擾及其它信道噪聲的時(shí)候，眼圖是一個(gè)很方便的工具。眼圖是一個(gè)接收信號(hào)相對(duì)于時(shí)間的關(guān)系曲線。當(dāng)

15、到達(dá)x軸的時(shí)間上限時(shí)，信號(hào)回到時(shí)間初始點(diǎn)，這樣便產(chǎn)生了一幅重疊畫。產(chǎn)生眼圖的常用方法是使用示波器，將示波器的掃描頻率設(shè)為1/T，其中T是信號(hào)周期。 格式：eyediagram(x, N) 功能：繪制信號(hào)x的眼圖，該信號(hào)在一個(gè)掃描周期中有N個(gè)抽樣點(diǎn)。N必須大于1。,圖6.31 眼圖(無偏移),例6-22 試?yán)L制QASK調(diào)制信號(hào)的眼圖。,.,39,2散射圖 散射圖與眼圖密切相關(guān)。散射圖記錄了在給定判決點(diǎn)處信號(hào)的值。在MATLAB通信工具箱中也提供了一條專用函數(shù)命令scatterplot來繪制散射圖。 格式：scatterplot(x, N) 功能：根據(jù)指定的參數(shù)N繪制信號(hào)x的散射圖。x可為實(shí)向量，

16、也可為復(fù)數(shù)向量，或只有兩列的矩陣，第一為信號(hào)的實(shí)部，第二列為信號(hào)的虛部。繪制x中的第N點(diǎn)時(shí)從第一個(gè)值開始，默認(rèn)值N=1。,圖6.32 散步圖,例6-23 試制散QASK調(diào)制信號(hào)的繪射圖。,.,40,6.7擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能仿真,圖6.33 數(shù)字?jǐn)U頻通信系統(tǒng)基本框圖,為了正確進(jìn)行信號(hào)的擴(kuò)頻解擴(kuò)處理，必須使接收機(jī)的本地 PN 序列與接收信號(hào)中所包含的PN 序列建立時(shí)間同步。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)按其工作方式的不同可分為下列幾種：直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)、跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)、跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng)、混合式。只討論兩種基本的擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真：直接擴(kuò)頻(DS)和跳頻(FH)系統(tǒng)。,.,41,6.7.1 直接序列擴(kuò)頻(DS-SS)系統(tǒng),如果假設(shè)采用BPSK 方式發(fā)送二進(jìn)制信息序列的擴(kuò)頻通信。設(shè)信息速率為 R bit/s，碼元間隔為Tb=1/Rs傳輸信道的有效帶寬為Bc (Hz)(BcR )，在調(diào)制器中, 信息序列的帶寬擴(kuò)展為W= Bc ， 載波相位以每秒W次的速率按偽隨機(jī)序列發(fā)生器序列改變載波相位，即是直接序列擴(kuò)頻。,圖6.34 二進(jìn)制信息序列的擴(kuò)頻通信,.,42,圖6.36 直擴(kuò)信號(hào)抑制正弦干擾效果圖,例6-24 利用MATALB仿真演示直擴(kuò)信號(hào)抑制正弦干擾的效果。,.,43,6.7.2 跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)(F