基于MATLAB的通信系统仿真应用研究

1、822007年第12期,第40卷 通 信 技 术 Vol.40,No.12,2007 总第192期 Communications Technology No.192,Totally基于MATLAB的通信系统仿真应用研究谢晓燕, 宁永海(河南科技大学 电子信息工程学院,河南 洛阳 471003;河南科技大学 电子信息工程学院,河南 洛阳 471003【摘 要】文章基于一个实际的水声处理系统,采用MATLAB 仿真软件建立其仿真模型,进行计算机模拟。分析整个系统的构建,对于系统的重要通信过程,详细分析其模型建立、参数设置,并对几种调制方式通过仿真对比分析其特性,为实际系统的建立提供了参考和依据。【

2、关键词】MATLAB 仿真;数字调制;量化编码;差错控制 【中图分类号】TN916.6 【文献标识码】A 【文章编号】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 引言随着通信系统的复杂性不断增加,传统的设计方法已经不能适应发展的需要,通信系统的模拟仿真技术越来越受到工程技术人员的重视。传统的通信系统设计方法主要是手工分析与电路板试验, 这些方法比较繁杂, 而需要花很多的时间。通信系统模拟环境可以称为软件试验板, 它可以使用户在较短的时间内建立整个通信系统模型,并对它进行模拟仿真,是介于手工分析与电路试验板的一种系统设计方法。MATLAB 具有强大的Simulink 动态仿真环境,它为用户提供了用方框图进行建模的图形接口。与传统的仿真软件(如差分方程和微分方程建模相比,它更加直观、方便和灵活

6、。在本仿真设计中采用此仿真平台。1 系统仿真模型简介MATLAB 提供的图形界面仿真工具Simulink 由一系列模型库组成。本设计是基于水声信号的处理过程,水声信号属于是模拟信号,所以需要/A D (模数转换。整个通信系统的流程被概括为: 模拟信号的产生与输出、模数转换、信道编译码、调制解调。其仿真系统总图1如图1所示。图1 Simulink 系统仿真模型流程2 数字化为完成/A D 变换,需要对信号进行抽样、量化、编码。本设计中的水声信号是小幅度信号,其出现的概率远大于大幅度信号出现的概率。为充分利用传输的比特资源,小幅度信号量化的间隔远小于大幅度信号的量化间隔,所以对信号采用量化效果较好

7、的非均匀量化。在仿真模块中选用Sampled Quantizer Encode (采样量化编码器。它是根据量化间隔和量化码本,把输入的模拟信号转换成数字信号,并输出量化电平、量化误差。量化间收稿日期:2007-07-02。 作者简介:谢晓燕(1983-,女,硕士研究生,主要研究方向为软件无线电、通信信号处理;宁永海(1955-,副教授,主要研究方向为通信及信号处理、控制工程。83隔是长度为n 的向量V ,其中的每个元素(1,2,V i i n ="严格单调递增。抽样量化编码器输出的数字信号y 是介于0到1n +之间的整数,它的确定方法如下。(1 当(1x V <<,0y

8、=;(2 当(1,11V m x V m m n <<+<<,y m =;(3 当(V n x <<+,y n =。量化码本是一个长度等于1n +的向量C,它给出了数字信号与量化(1C n +的关系。即当y 等于0时,对应于量化码本的第一个元素(1C ;当(1C n +等于m 时,对应于量化码本第1m +个元素(1C m +。在发送端,采用低频正弦信号作为的模拟输入信号,对其先进行基于采样定理的采样。然后A 律压缩,使取样后的离散信号的范围介于-1和1之间。其次,量化编码器采用256级的均匀量化,每个样值用0255之间的一个整数表示,然后对信号进行编码,经过

9、转换模块得到0,1数据流。其中采样量化编码器的参数设置:量化间隔(11/255:2/255:/+(11/255,量化码本1:2/255:1。输入信号经过量化后 的结果如图2所示。图2 量化信号3 差错控制数字信号在传输过程中,由于信道传输特性的影响,接收端收到的数字信号会发生各种错误。为了减少比特误码率,需要对传输信号进行差错控制。在差错控制中,卷积编码表现出了优秀的纠错能力。卷积码2是一种分组码。分组码编码时,先将输入的信息序列分为长度为k 个码元的段,然后按照一定的编码规则(由生成矩阵或监督矩阵所决定,给含k 个信息元的段附加上r 长的监督码元,于是生成n 长(n k r =+的码组。在编

10、码时,各n 长码组是分别编码,各码组之间没有约束关系,因此在译码时各码组是分别独立地进行。而卷积编码器把k 比特信息段编程n 比特的码组,但编的n 长码组不仅同当前的K比特信息段关联,而且还同前面的(1N 个(1N >,整数信息段关联。人们常称N 为码的约束长度,通常把卷积码记作(,n k N 卷积码,编码效率为/Rc k n =。卷积码使得一系列输入信号经编码后,变成了几列输出,冗余度增大,纠错能力加强。设计中采用卷积编码的格形结构poly2trellis(9,753, 561。它表示约束长度为9,生出多项式的八进制表示为753,561,其二进制表示为111101011 1011100

11、01,由生成多项式得出其编码效率为1/2,即输入一位信息码元,输出2位信息码元。其解码过程采用维比特译码,其中卷积解码器的参数设置时,其反馈深度应为约束长度的58倍以上,这样效果会较好。4 调制解调在发送端对码流进行数字编码调制2(2-FSKMSKGMSK。用二进制数字信号控制载波的频率,由于二进制信号的变化,会引起载波的相位突变等问题,又发展出MSK ,即最小移频键控,为了进一步降低频带利用率,又发展出GMSK ,即高斯滚降最小移频键控。在接收端,对数据流进行解调,恢复出调制前的数据流。在仿真时,仿真其基带调制,从中得出2FSK,MSK, GMSK 的性能对比。仿真信道是加性高斯白噪声信道,

12、FSK的信噪比为3dB ,MSK 和GMSK 的信噪比是6dB 。三个系统的频谱仪参数是一致的,以便于比较这三种调制方式的 特性。仿真后调制信号频谱分别如图3、图4、图5所示。 图3 FSK调制信号频谱 图4 MSK调制信号频谱图5 GMSK调制信号频谱仿真结果表明:在误码率为相同数量级的条件下,GMSK 占有最小的频带宽度,此时MSK,GMSK 的传输环境的信噪比,比FSK 还要低3dB 。综合抗干扰能力、占带宽度最好的是GMSK ,MSK 次之,最后是FSK 。5 系统仿真总图在系统图中使用2FSK 调制进行仿真,对于MSK 、84 GMSK 调制,使用其相对应的调制解调模块。系统图的搭建

13、依据上述的流程,对原始信号依次经过数字化、差错控制、调制解调的过程,依次连接对应各个过程的信号模块。其中各个模块的参数设置要相互对应,否则会报错。比如采样量化编码器的参数设置时,其量化码本的大小等于量化间隔大小加1,本设计中的量化间隔参数设置为(11/255:2/+ 255:/(11/255,量化间隔数为254,量化码本参数设置为-1:2/255:1,量化码本数为255。同时不同模块连接时需要加入相应的转换模块,如卷积编码器的输入必须是二进制数,就需要在量化编码器的输出端,加入整数转二进制的模块(Integer to Bit Converter ,同时需要添加帧模块(To Frame ,转换为

14、以帧模式输出,在经过这两步转换之后再连接卷积编码模块,才不至于出错。系统总体仿真图4 如图6所示。图6 系统仿真6 结语本设计根据一个实际的水声处理系统,建立其仿真模型,对水声信号首先进行了抽样、量化、编码,把模拟水声信号转换为数字信号,然后对信号经过信道编码,实现差错控制,并对几种调制方式,包括2-FSK MSK GMSK 、的特性进行仿真,对其进行了对比分析。本系统使用Matlab 进行仿真,对系统的结构、参数不断改进优化,反复试验,以致最优,这不仅节约了费用,降低了成本,而且对实际水声系统的建立提供了重要的参考和依据。 参考文献1 唐泽鹏,宋威. Matlab 在通信中的仿真应用J.通讯

15、电声,201,11(197:1-4.3 刘树堂.现代通信系统-使用MATLABM.第2版. 西安:西安交通大学出版社,2001:105-120. (上接第81页图5 Take-off 和Landing 环境下的误码特性4 结语未来VHF 航空通信系统必将面临一些现行话音和数据链通信系统所没有的额外需求。随着空中交通业务的不断增长,建设大容量、高速和高抗干扰能力的宽带地空通信系统将是一个重要的发展方向。MC-CDMA 结合了OFDM 和CDMA 的优点,在多址能力和抗干扰、抗衰落方面都显示了很大的优越性。目前,欧洲的B-VHF 工程以及ADL(先进的机场数据链都涉及到了此项技术。可以想象,在未来

16、VHF 航空通信系统物理层应用中,MC-CDMA 技术必将具有广阔的应用前景。参考文献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