数据通信原理matlab仿真实验指导书

数据通信原理 MATLAB 仿真实验指导书 福建农林大学金山学院 信息与机电工程系计电教研室 吴浩 270324602 2014 年 11 月 数据通信原理 Matlab 仿真实验指导书 目 录 实验 1：MATLAB 基础.2 实验 2：MATLAB SIMULINK 的建模仿真 .9 实验 3：单极性码与双极性码眼图仿真 15 实验 4：2ASK 调制与解调仿真 .18 实验 5：2FSK 调制与解调仿真24 实验 6：2PSK 调制与解调仿真31 实验 7：循环码的差错控制系统仿真 36 综合实验：CDMA 通信系统的 MATLAB 仿真 .42 附录：MATLAB 程序设计 .54 第 1 页 2013-4-26 数据通信原理 Matlab 仿真实验指导书 实验 1：MATLAB 基础 一、实验目的： 1熟悉 MATLAB 开发环境 2掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算 3熟悉和了解 MATLAB 图形绘制程序编辑的基本指令； 4熟悉掌握利用 MATLAB 图形编辑窗口编辑和修改图形界面，并添加图形的各种标注； 5掌握 plot、subplot 等指令格式和语法。 二、实验原理： 1MATLAB 基础知识 1.1 MATLAB 程序设计语言简介 MATLAB，Matrix Laboratory 的缩写，是由 MathWorks 公司开发的一套用于科学工程计 算的可视化高性能语言，具有强大的矩阵运算能力。与大家常用的 Fortran 和 C 等高级语言 相比，MATLAB 的语法规则更简单，更贴近人的思维方方式，被称为“草稿纸式的语言” 。MATLAB 软件主要由主包、仿真系统（simulink）和工具箱（toolbox）三大部分组成。 1.2 MATLAB 界面及帮助 MATLAB 基本界面如图 1-1 所示，命令窗口包含标题栏、菜单栏、工具栏、命令行区、 状态栏、垂直和水平波动条等区域。 图 1-1 MATLAB 基本界面 第 2 页 2013-4-26 数据通信原理 Matlab 仿真实验指导书 （1）菜单栏 在 MATLAB 主窗口的菜单栏，共包含 File、Edit、View、Web、Window 和 Help 6 个菜单项。 File 菜单项：File 菜单项实现有关文件的操作。 Edit 菜单项：Edit 菜单项用于命令窗口的编辑操作。 View 菜单项：View 菜单项用于设置 MATLAB 集成环境的显示方式。 Web 菜单项：Web 菜单项用于设置 MATLAB 的 Web 操作。 Window 菜单项：主窗口菜单栏上的 Window 菜单，只包含一个子菜单 Close all，用于 关闭所有打开的编辑器窗口，包括 M-file、Figure、Model 和 GUI 窗口。 Help 菜单项：Help 菜单项用于提供帮助信息。 （2）工具栏 MATLAB 主窗口的工具栏共提供了 10 个命令按钮。这些命令按钮均有对应的菜单命令，但 比菜单命令使用起来更快捷、方便。 （3）命令行区 MATLAB 按以下顺序对输入命令进行解释： 检查它是否是工作空间中的变量，实则显示变量内容。 检查它是否是嵌入函数，是则运行之。 检查它是否是子函数。 检查它是否是私有函数。 检查它是否是位于 MATLAB 搜索路径范围内的函数文件或脚本文件。 MATLAB 里有以下几种方法可获得帮助： （1）帮助命令（help）是查询函数相关信息的最直接方式，信息会直接显示在命令窗口中。 键入 help sin，会显示 sin 相关信息。 （2）lookfor 命令可以从键入的关键字列出所有相关的题材，和 help 相比，lookfor 覆盖范 围更广，可查找到某个主题所有词组或短语。 （3）帮助窗口（help window）提供与帮助命令相同的信息，但帮助窗口界面更为方便直接。 （4）帮助桌面（help desk）通过在命令窗口中选择帮助菜单的“help desk” 选项或键入 helpdesk 命令即可进入帮助桌面。 （5）在线帮助页是帮助桌面的在线帮助均有相应的 PDF 格式文件。 （ 6 ） Mathworks 网 站 ， 对 于 连 接 入 Internet 的 用 户 通 过 Mathworks 公 司 的 网 站 询问有关问题。 2.熟悉 MATLAB 环境: MATLAB 桌面和命令窗口、命令历史窗口、帮助信息浏览器、工作空间浏览器 文件和搜索路径浏览器。 3.掌握 MATLAB 常用命令 4.MATLAB 变量与运算符 变量命名规则如下： （1） 变量名可以由英语字母、数字和下划线组成 clc 清除命令窗口中内容 clear 清除工作空间中变量 help 对所选函数的功能、调用格式及相关函数给出说明 lookfor 查找具有某种功能的函数但却不知道该函数的准确名称 who 查询工作空间中的变量信息 第 3 页 2013-4-26 数据通信原理 Matlab 仿真实验指导书 （2） 变量名应以英文字母开头 （3） 长度不大于 31 个 （4） 区分大小写 MATLAB 中设置了一些特殊的变量与常量，列于下表。 表 1 MATLAB 的特殊变量与常量 MATLAB 运算符，通过下面几个表来说明 MATLAB 的各种常用运算符 表 2 MATLAB 算术运算符 表 3 MATLAB 关系运算符 表 4 MATLAB 逻辑运算符 变量名 功能说明 变量名 功能说明 ANS 默认变量名，以应答 最近一次操作运算结果 realmin 最小的正实数 i 或 j 虚数单位 INF(inf) 无穷大 pi 圆周率 NAN(nan) 不定值 （0/0）eps 浮点数的相对误差 nargin 函数实际输 入 参数个数realmax 最大的正实数 nargout 函数实际输 出 参数个数 操作符 功能说明 = 等于 = 不等于 大于 = 大于等于 Simulink 一个称为 Simulink Library Browser 的窗口就会弹出，如下图所示： 第 9 页 2013-4-26 数据通信原理 Matlab 仿真实验指导书 Simulink Browser 窗口左边子窗口下的各个模块库是按照应用进行分类的。在通信仿 真用应用到的模块，除了 Simulink 基本模块库之外，还包括 Communication Blockset、DSP Blockset 等。 在 Simulink Browser 界面下，选择“File”菜单下的“ New”中的“Model”选项，弹 出如图所示的模型窗口，用户就可以 Simulink Browser 中选择不同的模块来建立自己的模 型。 在建立完自己的模型后，保存模型，开始仿真。Simulink 的仿真主要就是针对浏览器窗 口和模型窗口进行操作的。 2了解 SIMULINK 模块库中各子模块基本功能 第 10 页 2013-4-26 数据通信原理 Matlab 仿真实验指导书 第 11 页 2013-4-26 数据通信原理 Matlab 仿真实验指导书 3. SIMULINK 的建模与仿真方法 （1）建立数学模型：根据通信系统的基本原理，将整个系统简化到源系统，确定总的系统 功能，并将各部分功能模块化，找出各部分之间的关系，画出系统流程框图模型。 （2）仿真系统：根据建立的模型，从 simulink 通信模型库的各个子库中，将所需要的单元 功能模块拷贝到 Untitled 窗口，按系统流程框图模型连接，组建要仿真的通信系统模型。 （3）设置、调整参数：参数设置包括运行系统参数设置（如系统运行时间、采样速率等） 和功能模块运行参数设置（正弦信号的频率、幅度、初相；低通滤波器的截至频率、通带增 益、阻带衰减等） 。 （4）分析仿真数据和波形：在系统模型的关键点处设置观测输出模块，用于观测仿真系统 的运行情况，以便及时调整参数，分析结果。 三、实验内容： 1.用信号发生器产生 1MHz，幅度为 15mV 的正弦波和方波信号，并通过示波器观察波形。 注意设置仿真参数和示波器的扫描参数和幅度显示参数。使得示波器能够显示 10 个正 弦波周期。如图： 第 12 页 2013-4-26 数据通信原理 Matlab 仿真实验指导书 2.SIMULINK 仿真实际应用. 建立一个很小的系统，用示波器观察正弦信号的平方的波形，如图所示系统中所需的模 块：正弦波模块，示波器模块。正弦波仿真电路和参数如下： 第 13 页 2013-4-26 数据通信原理 Matlab 仿真实验指导书 系统内的示波器显示的波形如图： 图 单正弦波与平方波的对比 结论：两正弦波相乘之后的周期是原周期的 1/2，频度是原频度的 2 倍。 四、实验报告要求： 1.本次实验遇到了哪些问题？你是怎么解决的？ 如何避免下次实验再遇到同样的问题？ 2.怎么利用 Matlab Simulink 建模仿真？有几个步骤？ 3.请用 MatlabSimulink 仿真两路正弦波信号相加后的结果，用示波器观察叠加后信号的周期 和频率有何变化？ 第 14 页 2013-4-26 实验 3：单极性码与双极性码眼图仿真 一、实验目的： 1掌握单极性码眼图原理和 Matlab Simulink 仿真方法 2掌握双极性码眼图原理和 Matlab Simulink 仿真方法 二、实验原理： 1单极性码与双极性码眼图原理详细见教材介绍 三、实验内容： 1. 单极性码眼图 %yantu 单极性码 close all clear all Ts=1; eyenum=10; codenum=2000; tsample=4; dt=0.2; t=-eyenum/2:dt:eyenum/2; %ht=1/Ts*sinc(t/Ts); %定义基带传输脉冲为升余弦 alpha=0.4 alpha=input(输入滚降系数 alpha=(缺省为 1); if isempty(alpha) alpha=1; end pp=cos(alpha*pi*t/Ts); pp1=1./(1-4*t.*t*alpha*alpha/Ts/Ts); ht=1/Ts*sinc(t/Ts).*pp.*pp1; %ht=1/Ts*sinc(t/Ts)+1/Ts*sinc(t-Ts)/Ts); %产生+1、0 的数字信号 %code=(sign(randn(1,codenum)+1)/2+0.1*randn(1,codenum); code=sign(randn(1,codenum)+0.05*randn(1,codenum); %画眼图 figure(1) hold on 第 15 页 xlabel(Ts); ylabel(rt); title(升余弦成形眼图); grid for n=1:codenum/eyenum ss=zeros(1,length(ht)+Ts/dt); for m=1:eyenum tmp=code(n-1)*eyenum+m)*ht; tmp1=ss(m*Ts/dt+1):length(ss)+tmp; ss =ss(1:(m*Ts/dt) tmp1 zeros(1,Ts/dt); end drawnow kk=1:length(ss); plot(kk*dt-dt,ss);hold on clear ss; axis(5 15 -3 3); %pause end 2. 双极性 NRZ 眼图 【主程序】 %示意双极性 NRZ 基带信号经过带宽受限信号造成的码间干扰影响及其眼图 clear all; close all; N =1000; N_sample=8; %每码元抽样点数 Ts=1; 第 16 页 dt = Ts/N_sample; t=0:dt:(N*N_sample-1)*dt; gt = ones(1,N_sample); %数字基带波形 d = sign(randn(1,N); %输入数字序列 a = sigexpand(d,N_sample); st = conv(a,gt); %数字基带信号 ht1 = 5*sinc(5*(t-5)/Ts); rt1 = conv(st,ht1); ht2 = sinc(t-5)/Ts); rt2 = conv(st,ht2); eyediagram(rt1+j*rt2,40,5); %调用 Matlab 画眼图的函数，行 40 点，表示 5 只眼 function out=sigexpand(d,M) %将输入的序列扩展成间隔为 M-1 个 0 的序列 N = length(d); out = zeros(M,N); out(1,:) = d; out = reshape(out,1,M*N); 四、实验报告要求： 1.本次实验遇到了哪些问题？你是怎么解决的？ 如何避免下次实验再遇到同样的问题？ 2.什么是眼图？眼图有何作用？观察仿真结果得到的眼图，标出最佳抽样时刻，判决门限电平和噪声容 限。 第 17 页 实验 4：2ASK 调制与解调仿真 一、实验目的： 1掌握 2ASK 的调制原理和 Matlab Simulink 仿真方法 2掌握 2ASK 的解调原理和 Matlab Simulink 仿真方法 二、实验原理： 12ASK 调制和解调原理详细见教材 三、实验内容： 1.2ASK 的调制仿真 1） 建立 Matlab Simulink 模型方框图 2ASK 信号调制的模型方框图由 DSP 模块中的 sinwave 信号源、方波信号源、相乘器等模块组成， Simulink 模型图如下所示： 图 1 2ASK 信号调制的模型方框图 其中正玄信是载波信号，方波代表 S（t）序列的信号塬，正玄信号和方波相乘后就得到键控 2ASK 信号。 第 18 页 2） 参数设置 建立好模型之后就要设置系统参数，以达到系统的最佳仿真。从正玄信号源开始依次的仿真参数设置如 下： 图 2 正玄信号参数设置 其中 sin 函数是幅度为 2 频率为 1Hz 采样周期为 0.002 的双精度 DSP 信号。 第 19 页 图 3 方波信号源的参数设置 方波信号是基于采样的，其幅度设置为 2，周期为 3，占 1 比为 2/3。 系统仿真及各点波形图：经过上面参数的设置后，就可以进行系统的仿真下面是示波器显示的各点的波 形图： 图 4 各点的时间波形图 由上图可以看出信息源和载波信号相乘之后就产生了受幅度控制的 2ASK 信号。 第 20 页 2. 2ASK 解调仿真 2ASK 的解调分为相干解调和非相干解调法，下面采用相干解调法对 2ASK 信号进行解调 (1) 建立 simulink 模型方框图 相干解调也叫同步解调，就是用已调信号恢复出载波既同步载波。再用载波和已调信号相乘，经过 低通滤波器和抽样判决器恢复出 S(t)信号，simulink 模型图如下： 图 5 2ASK 相干解调的 simulink 模型方框图 （2） 参数设置 建立好模型之后，开始设置各点的参数，由于低通滤波器是滤去高频的载波，才能恢复出原始信号， 所以为了使已调信号的频谱有明显的搬移，就要使载波和信息源的频率有明显的差别，所以载波的频率 设置为 100Hz.为了更好的恢复出信源信号，所以在此直接使用原载波信号作为同步载波信号。 下面是低通滤波器的参数设置： 图 6 第 21 页 低通滤波器的参数设置图 - 45 - （3） 系统仿真及各点时间波形图 图 7 2ASK 信号解调的各点时间波形图 由上图可以看出由于载波频率的提高使的示波器在波形显示上出现了一定的困难，不过要想显示调制部 分的理想波形只要调整示波器的显示范围即可。 第 22 页 （4）误码率分析 由于在解调过程中没有信道和噪声，所以误码率相对较小，一般是由于码间串扰或是参数设置的问题， 由图 5 可以看出此系统的误码率为 0.3636。 四、实验报告要求： 1.本次实验遇到了哪些问题？你是怎么解决的？ 如何避免下次实验再遇到同样的问题？ 2.观察 2ASK 调制仿真，对比调制前后信号的幅度、相位和频率发生了哪些变化？什么叫数字调制？ 3.观察 2ASK 解调仿真，对比解调前后信号的幅度、相位和频率发生了哪些变化？什么叫数字解调? 4.请尝试用 Matlab 语言来设计 2ASK 的调制仿真和解调仿真的程序，并把仿真结果保存下来。 （选做题） 第 23 页 实验 5：2FSK 调制与解调仿真 一、实验目的： 1掌握 2FSK 的调制原理和 Matlab Simulink 仿真方法 2掌握 2FSK 的解调原理和 Matlab Simulink 仿真方法 二、实验原理： 12FSK 调制和解调原理详细见教材 三、实验内容： 12FSK 调制仿真 2FSK 信号是由频率分别为 f1 和 f2 的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的，其中 f1 和 f2 是两 个频率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号，2FSK 信号产生的 simulink 仿真模型图如下所 示： 图 1 2FSK 信号的 simulink 模型方框图 第 24 页 其中 sin wave 和 sin wave1 是两个频率分别为 f1 和 f2 的载波，Pulse Generator 模块是信号源，NOT 实现方波的反相，最后经过相乘器和相加器生成 2FSK 信号，各参数设置如下： 载波 f1 的参数设置： 图 2 载波 sin wave 的参数设置 其中幅度为 2，f1=1Hz,采样时间为 0.002s 在此选择载波为单精度信号 f2 的参数设置： 第 25 页 图 3 载波 sin wave1 的参数设置 载波是幅度为 2，f2=2,采样时间.为 0.002 的单精度信号。 本来信号源 s(t)序列是用随机的 0 1 信号产生，在此为了方便仿真就选择了基于采样的 Pulse Generator 信号模块其参数设置如下： 第 26 页 图 4 Pulse Generator 信号模块参数设置 其中方波是幅度为 1，周期为 3，占 1 比为 1/3 的基于采样的信号。 经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真，其各点的时间波形如下： 图 5 2FSK 信号调制各点的时间波形 第 27 页 由上图可以看出经过 f1 和 f2 两个载波的调制，2FSK 信号有明显的频率上的差别。 22FSK 解调仿真 解调方框图如下所示： 图 6 2FSK 信号解调方框图 其中 From File 是一个封装模块，就是 2FSK 信号的调制模块，两个带通滤波器分别将 2FSK 信号上下分 频 f1 和 f2 ,后面就和 2ASK 信号的解调过程相同，各参数设置如下： 图 7 2FSK 信号 f1 带通滤波器参数设置 第 28 页 图 8 2FSK 信号 f2 带通滤波器参数设置 经过系统仿真后的各点时间波形如下： 第 29 页 图 9 2FSK 信号解调各点时间波形 经过系统的仿真可以观察出系统的误码率为 0.7273，如下图所示： 图 10 2FSK 相干解调误码率 四、实验报告要求： 1.本次实验遇到了哪些问题？你是怎么解决的？ 如何避免下次实验再遇到同样的问题？ 2.观察 2FSK 调制仿真，对比调制前后信号的幅度、相位和频率发生了哪些变化？ 3.观察 2FSK 解调仿真，对比解调前后信号的幅度、相位和频率发生了哪些变化？ 4.请尝试用 Matlab 语言来设计 2FSK 的调制仿真和解调仿真的程序，并把仿真结果保存下来。 （选做题） 第 30 页 实验 6：2PSK 调制与解调仿真 一、实验目的： 1掌握 2PSK 的调制原理和 Matlab Simulink 仿真方法 2掌握 2PSK 的解调原理和 Matlab Simulink 仿真方法 二、实验原理： 12PSK 调制和解调原理详细见教材 三、实验内容： 12PSK 调制仿真 在二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,则产生二进制移相键控 (2PSK)信号. 在此用已调信号载波的 0和 180 分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0.用两个反相 的载波信号进行调制，其方框图如下： 图 1 2PSK 信号调制的 simulink 的模型图 其中 Sin wave 和 Sin wave1 是反相的载波，正玄脉冲作为信号源，各个参数设置如下： 第 31 页 图 2 Sin wave 信号参数设置 图 3 Sin wave1 信号的参数设置 由上面两个图可以看出两个载波是幅度为 3 频率为 4Hz 采样时间为 0.002s 的反相信号。 第 32 页 图 4 脉冲信号的参数设置 脉冲信号是幅度为 2 周期为 1 占空比为 50%的基于时间的信号。 图 5 第 33 页 2PSK 调制的各点时间波形 - 57 - 2. 2PSK 解调仿真 （1）建立 simulink 模型方框图如下： 图 6 2PSK 解调框图 （2）各点的时间波形如下所示： 图 7 2PSK 解调各点的时间波形 第 34 页 （3）结果分析 由 6 图可以看出其误码率为 0.6667，由于没有噪声的影响所以误码率一般在 0.5，由于系统的 不 准确 性和码间影响所以误码率稍微偏大。 四、实验报告要求： 1.本次实验遇到了哪些问题？你是怎么解决的？ 如何避免下次实验再遇到同样的问题？ 2.观察 2PSK 调制仿真，对比调制前后信号的幅度、相位和频率发生了哪些变化？ 3.观察 2PSK 解调仿真，对比解调前后信号的幅度、相位和频率发生了哪些变化？ 4.请尝试用 Matlab 语言来设计 2PSK 的调制仿真和解调仿真的程序，并把仿真结果保存下来。 （选做题） 5.请尝试用 Matlab 语言来设计比较 2ASK,2PSK 和 2FSK 抗噪声性能的程序，并把仿真结果保存下来。 （选做 题） 第 35 页 实验 7：循环码的差错控制系统仿真 一、实验目的： 1掌握差错控制系统的基本原理； 2掌握循环码的编码解码原理和 Matlab Simulink 仿真方法 二、实验原理： 1循环码的编码解码原理详细见教材 三、实验内容： 1.循环码差错控制编码系统仿真模型 图 1 所示是循环码的仿真系统。信号源是伯努利二进制信号发生器，产生采样时间为 0.01 的二进制 信号，传输环境是二进制平衡信道。在发射端和接收端分别设置了循环码编码和解码器。为了对比（7， 4）循环码差错控制的效率，同时设计了没有经过循环码校验的系统仿真框图，如图 2 所示。虽然循环 码因为信道编码的结果使得传输效率变为了 4/7，即发送的 7 个码元中进传送了 4 个码元的有效信息， 但是使得差错率从 5%降为了 2%。 图 1 (7,4)循环码进行差错控制仿真系统 第 36 页 图 2 无循环码的差错控制仿真系统 2. 主要功能模块及参数设置 图 3 伯努利二进制信号发生器参数 第 37 页 图 4 二进制循环码编码器参数 图 5 二进制循环码译码器参数 图 6 二进制均衡信道参数 第 38 页 图 7 误码率计算参数 3.循环码的误码率与差错率的关系 为了得到循环码仿真系统信号误码率与信道差错概率之间的曲线图，可以编写如下 M 文件，对图 1 循环码的仿真模型进行仿真，此时二进制均衡信道的差错概率设置为 errB，M 源文件和曲线图如下。 程序 1： clear all; close all; er=0:0.01:0.05; for n=1:length(er) errB=er(n) sim(Cyclic_1) S(n)=mean(ss) end plot(er,S) xlabel(ErrorPorbability) ylabel(Probability of Error Pe) grid 第 39 页 循环码的性能曲线图如下： 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0 0.00 5 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 ErrorPorbability 图 8 循环码的误码率曲线图 同时编写 M 文件对图 2 无循环码的仿真系统绘出信号误码率与差错概率之间的关系曲线图，此时二进制 均衡信道的差错概率设置为 errB。源文件和曲线图如下。 程序 2： clear all; close all; er=0:0.01:0.05; for n=1:length(er) errB=er(n) sim(Cyclic_3) S1(n)=mean(sss) end plot(er,S1) xlabel(ErrorPorbability) ylabel(Probability of Error Pe) grid 无循环码的性能曲线图如下： Probability of Error Pe 第 40 页 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 0 0.00 5 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 ErrorPorbability 图 9 无循环码的误码率曲线图 通过对循环码信道编码条件下的误码率与差错概率之间的关系（图 8）和无信道编码条件下的关系曲线 图（图 9）比较可以看出，当差错概率为 0.05 时，未编码的误码率为 0.052，而编码后，无码率仅为 0.021。 因此，采用了循环码编码差错控制后，系统的码误码率得到了明显的改善，其误码率明显下降。 四、实验报告要求： 1.本次实验遇到了哪些问题？你是怎么解决的？ 如何避免下次实验再遇到同样的问题？ 2.在数字通信系统中，差错控制有什么作用？有哪些常用方法？ 3.什么是循环码？ 请简要画出循环码的编码器和解码器框图。 Probability of Error Pe 第 41 页 综合实验：CDMA 通信系统的 MATLAB 仿真 一、实验目的： 1掌握 CDMA 通信系统的基本原理和 Matlab Simulink 仿真方法； 2. 掌握信道、扩频/解扩、QPSK 调制解调原理和 Matlab Simulink 仿真方法 二、实验原理： CDMA(Code Division Multiple Access)是在扩频通信的基础上发展起来的。所谓扩频，是将原 信号频谱扩展到宽带中进行传输的一种技术。它主要利用相互正交(或尽可能正交)的不同随机码 区分用户，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络。经过几种网络的实现和发展，CDMA 已经逐渐成熟起来。我国的 CDMA 发展十分迅速，现在由中国电信运营，网络构架已具规模，在 整个通信业起到举足轻重的作用。DS-CDMA 系统更详细的原理请见移动通信教材。 在研究 DS-CDMA 系统理论的基础上，利用 SIMULINK 对其进行仿真，根据系统功能和指标 要求，对信道、扩频/解扩、QPSK(Quadrature Reference Phase Shift Keying，四相相移键控)调制/ 解调等模块进行了设计，并设置了相对应的参数。 三、实验内容： 第 42 页 整个 DS-CDMA 系统仿真框图，如上图 3-1。 1. DS-CDMA 系统各模块设计 1.1 信源 设计中，信源采用二进制贝努利序列产生器(Bernoulli Binary Generator)产生二进制序列。模块如图 3-2 所示，参数设置如表 3-1 所示。 产生的序列中，1 和 0 出现的概率都是 0.5，随机种子为 61。抽样时间表示输出序列中每个二进制符号 的持续时间，设为 1/19200。 1.2 扩频 PN 序列生成器的模块框图如图 3-3。I、Q 两路的参数设置分别如图 3-4、3-5 所示。 第 43 页 扩频模块的部分截图如图 3-6 所示。分别用示波器和频谱示波器观察结果。 1.3 QPSK 调制 扩频模块产生 I、Q 两路扩频信号，作为 QPSK 调制的输入信号。采用库中的 QPSK 基带调制模块，如 图 3-7 所示，参数设置如图 3-8 所示。 第 44 页 1.4 信道 本设计采用加性高斯白噪声信道进行分析。加性高斯白噪声信道是最简单的一种噪声，它表现为信 号围绕平均值的一种随机波动过程。加性高斯白噪声信道的均值为 0，方差表现为噪声功率的大小。一 般情况下，噪声功率越大，信号的波动幅度越大，接收端接收到的信号的误比特率就越高。在研究通信 系统的误码率与信道质量的关系时，一般先研究它在加性高斯白噪声信道的性能，然后再把它推广到具 有快衰落的复杂情况。 图 3-9 所示为加性高斯白噪声信道(AWGN Channel)模块，表 3-2 为属性设置 1.5 误码计算 输入信号经过一定延迟，与输出信号进入一个误码率统计模块(Error Rate Calculation)，如图 3-10 第 45 页 所示，以统计接收信号的误码率。 2. SIMULINK 仿真结果及分析 根据前面介绍的理论和系统仿真框图，本节对得到的仿真结果进行分析。设置系统仿真时间为 1s，通过 示波器等观察和分析结果。 第 46 页 第 47 页 第 48 页 第 49 页 在设计中，PN 码抽样时间为 1/1228800，即传码率为 1228800bit/s，信源传码率为 19200bit/s。根据扩 频原理，扩频因子为 64。从信源和扩频后波形的频谱可知，信源每 frame 的频谱带宽被大大扩展了，基 本符合理论。 - 第 50 页 - 从图 3-20 和图 3-21 可以看出，QPSK 调制中码元被调制成包络恒定的四种不同相移，和理论相符合。 - 第 51 页 - 从图 3-23 可以看出，在经过加性高斯噪声信道后，频谱发生一定变化，符合实际情况。 - 第 52 页 - 在误码率统计模块中，当信道的信噪比 nSNR=10 时，得到误码率为 0.2489，如图 3-25 所示。因为 本设计中没有引入差错控制等措施，得到的误码率相对实际要大，这也是本设计一个待改进的地 方。 通过对 DS-CDMA 进行了仿真，得到与理论较吻合的结果。从中可以归纳以下几点： (1) 详细地分析 CDMA 的结构及各模块工作原理，是进行仿真的前提。 (2) 在仿真中，如果 Simulink 没有提供现成的模块要首先合成出合适的模块，通常可以用已有模块搭建。 达到最佳设计要求，大大简化了设计流程，减轻了设计负担，充分体现了 Simulink 工具的优越性。 (3) 用 Simulink 的时间流直接进行仿真，可以反复修改电路参数，同时在 Scope 模块以及频谱仪上可以看 到仿真结果。 四、实验报告要求： 1.本次实验遇到了哪些问题？你是怎么解决的？ 如何避免下次实验再遇到同样的问题？ 2. 什么是扩频？什么是解扩？ 3. QPSK 调制和解调的基本原理是什么？ 4. 通过本次实验，请谈谈对通信系统的理解和体会？比如调制和解调，差错控制等等技术的看法。 - 第 53 页 - 附录：MATLAB 程序设计 1. M 文件 用 MATLAB 语言编写的程序，称为 M 文件。M 文件可以根据调用方式的不同分为两类：命令文件(Script File) 和函数文件(Function File)。M 文件是一个文本文件，它可以用任何编辑程序来建立和编辑，而一般常 用且最为方便的是使用 MATLAB 提供的文本编辑器。 （1）建立新的 M 文件 启动 MATLAB 文本编辑器有 3 种方法： 菜单操作。从 MATLAB 主窗口的 File 菜单中选择 New 菜单项，再选择 M-file 命令，屏幕上将出现 MATLAB 文本编辑器窗口。 命令操作。在 MATLAB 命令窗口输入命令 edit，启动 MATLAB 文本编辑器后，输入 M 文件的内容并存 盘。 命令按钮操作。单击 MATLAB 主窗口工具栏上的 New M-File 命令按钮，启动 MATLAB 文本编辑器后， 输入 M 文件的内容并存盘。 （2）打开已有的 M 文件 打开已有的 M 文件，也有 3 种方法： 菜单操作。从 MATLAB 主窗口的 File 菜单中选择 Open 命令，则屏幕出现 Open 对话框，在 Open 对话 框中选中所需打开的 M 文件。在文档窗口可以对打开的 M 文件进行编辑修改，编辑完成后，将 M 文件存 盘。 命令操作。在 MATLAB 命令窗口输入命令：edit 文件名，则打开指定的 M 文件。 命令按钮操作。单击 MATLAB 主窗口工具栏上的 Open File 命令按钮，再从弹出的对话框中选择所需 打开的 M 文件。 例 1-1 分别建立命令