第6章通信系统仿真_Matlab及在电子信息类课程中的应用

1、第 6 章 通信系统仿真第第6章章 通信系统仿真通信系统仿真 6.1 通信工具箱函数通信工具箱函数6.2 信息的度量和编码信息的度量和编码 6.3 差错控制编差错控制编/译码方法译码方法 6.4 模拟调制和解调模拟调制和解调6.5 数字调制和解调数字调制和解调6.6 通信系统的性能仿真通信系统的性能仿真6.7 扩频通信系统的仿真扩频通信系统的仿真 第 6 章 通信系统仿真6.1通信工具箱的函数 在MATLAB的Communication Toolbox(通信工具箱)中提供了许多仿真函数和模块，用于对通信系统进行仿真和分析。主要包括两部分内容：通信函数命令和Simulink的Communicat

2、ions Blockset（通信模块集）仿真模块。用户既可以在MATLAB的工作空间中直接调用工具箱中的函数，也可以使用Simulink平台构造自己的仿真模块，以达到扩充工具箱的内容。通信工具箱中的函数名称和内容列表，其内容包含：Signal Sources(信号源函数)；Signal Analysis function(信号分析函数)；Source Coding(信源编码)；Error Control Coding(差错控制编码函数)；Lower Level Function for Error Control Coding(差错控制编码的底层函数)；Modulation/Demodulat

3、ion(调制/解调函数)Special Filters(特殊滤波器设计函数)；Lower Level Function for Specials Filters(设计特殊滤波器的底层函数)；Channel Functions(信道函数)；Galosi Field Computation(有限域估计函数)；Utilities(实用工具函数)。第 6 章 通信系统仿真6.2 信息的量度与编码 信源熵的输出可以用随机过程来表达。对于一个离散无记忆平稳随机过程，其信息量(熵)定义为：XxxpxpXH)(log)()(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编码 信

4、源编码可分为两类：无失真编码和限失真编码。Huffman编码的基本原理就是为概率较小的信源输出分配较长的码字，而对那些出现可能性较大的信源输出分配较短的码字。Huffman编码算法及步骤如下：编码算法及步骤如下： 将信源消息按照概率大小顺序排队。 按照一定的规则，从最小概率的两个消息开始编码。 将经过编码的两个消息的概率合并，并重新按照概率大小排序，重复步骤。 重复上面步骤，一直到合并的概率达到1时停止。这样便可以得到编码树状图。 按照后出先编码的方式编程，即从数的根部开始，将0和1分别放到合并成同一节点的任意两个支路上，这样就产生了这组Huffman码。第 6 章 通信系统仿真6.2.2 M

5、ATLAB6.2.2 MATLAB信源编信源编/ /译码方法译码方法 大多数信源（比如语音、图像）最开始都是模拟信号，为了将信源输出数字化，信源必须量化为确定数目的级数。量化方案可划分为标量量化标量量化和矢量量化矢量量化两种。在标量量化中每个信源输出都分别被量化，标量量化可进一步分为均匀量化和非均匀量化。在均匀量化中量化区域是等长的；在非均匀量化中量化区域可以是不等长的。矢量量化是对信源输出组合进行整体量化。 在标量量化中，随机标量X的定义域被划分成N个互不重叠的区域Ri，1 i Fs。变量Fs可以是标量也可以为一个二维的矢量。二维矢量中第一个值为采样频率，第二个值为调制载波的初相，初相以弧度

6、表示，默认值为0。根据采样定理，采样频率必须大于或等于调制信号最高频率的两倍。字符串变量method指定所用的调制方式，见表6.4。 (2) 带通模拟解调函数带通模拟解调函数ademod( )格式：格式：z=ademod(y,Fc,Fs,method.)功能：对载波为Fc的调制信号y进行解，采样频率Fs，FcFs。它是amod函数的逆过程，amod与ademod选择的调制方式必须相同，否则不容易正确复制出源信号。该函数在解调中用到一个低通滤波器，低通滤波器传输函数的分子、分母由输入参数num、den指定，低通滤波器的采样时间等于1/Fs。当num=0或缺省时，函数使用一个默认的巴特沃斯低通滤波

7、器，可由num,den=butter(5,Fc*2/Fs)生成。字符串变量method指定所用的调制方式， 见表6.4。 第 6 章 通信系统仿真例例6-13 使用使用MATLAB对一信号进行正交幅度调制。MATLAB程序如下： Fs=100; %采样频率 Fc=15; %载波频率 t=0:0.025:2; %采样时间 x=sin(pi*t,2*pi*t); %信号 y=amod(x,Fc,Fs,qam); %正交幅度调制 z=ademod(y,Fc,Fs,qam); %正交幅度解调 plot(t,x(:,1),-,t,z(:,1),-) %绘制调制信号 hold; plot(t,x(:,2)

8、,-o,t,z(:,2),-*) %绘制调制信号程序运行得到的信号和解调信号的波形如图6.20所示。 第 6 章 通信系统仿真6.4.2 6.4.2 基带模拟调制基带模拟调制/ /解调解调 基带仿真，也称低通对等方法，使用带通信号的复包络作为输入信号。设B为原始信号带宽，基带仿真要求仿真抽样率大于或等于2B ，而一般的有 BFcFd。method 为调制方法，见表6.6。2数字带通解调函数数字带通解调函数ddemod( )格式：格式：z=ddemod(y, Fc, Fd, Fs, method )功能：解调载波为Fc(Hz)的数字调制信号y，其抽样频率为Fd(Hz)，计算抽样频率为Fs(Hz)

9、。该函数为dmod的逆过程，对频率与函数为dmod 中求要相同。当Fd为一个二维矢量时，Fd中的第二个值即为输出抽样点的时间偏移量(必须是整数，默认为0)。该函数测出接收码到编码中所有可能的码的距离，然后以离接收码最近的码作为输出数字码。除method =msk和method =fsk解调外，该函数可使用一个指定的低通滤波器，该滤波器的传输函数由分子num和分母den指定，滤波器的抽样时间为1/Fs，缺省滤波器时，在解调时无积分器。第 6 章 通信系统仿真 (a) 调制解调前后的信号(b)星座图图6.2716-QASK调制 例例6-16 利用MATLAB进行带通数字调制解调M元正交幅度键控调制

10、。 第 6 章 通信系统仿真6.5.2 6.5.2 基带数字调制基带数字调制/ /解调解调1基带数字调制函数基带数字调制函数dmodce( )格式格式：y=dmodce(x, Fd, Fs, method, )功能：调制一个带复包络的数字信号，主要用于基带数字调制。输出y为复数，其采样频率为Fs，输入x的采样频率为Fd，Fs/Fd必须是一个正整数。当输入x是一个矩阵时，x中每列是相互独立的，输出矩阵y的行数是Fs/Fd*x的行数。当变量Fs为两维矢量，矢量中第一个值是抽样频率，第二个值是调制载波的初始相位(弧度)，默认值为0。method 为调制方法，见表6.6。 2数字基带解调函数数字基带解

11、调函数ddemodce( )格式：格式：z=ddemodce(y,Fd,Fs,method)功能：解调数字基带调制信号y，其抽样频率为Fd (Hz), 计算抽样频率为Fs(Hz)。Fs/Fd必须为正整数，变量Fd可以是一个标量或两维矢量，矢量中第一个值是抽样频，第二个值为抽样时间偏移量(必须为整数)，默认值为0。 3AWGN信道函数信道函数awgn格式：格式：y=awgn(x,snr)功能：向功率为0dB的信号x添加高斯白噪声，输出信号y的信噪比SNR为参数snr (单位dB)。如果信号x为复信号，该函数添加复高斯白噪声。第 6 章 通信系统仿真例例6-17 利用MATLAB对信号进行基带数字

12、调制解调。 MATLAB程序如下：程序如下：M=4; %设置M的数目Fd=1; %信号采样速率Fs=32; %采样频率SNRperBit=5; %信噪比adjSNR=SNRperBit-10*log10(Fs/Fd)+10*log10(log2(M);x=randint(5000,1,M); %源信号%正交正交FSK调制调制tone=0.5; %频隙间隙f=Fd/2randn(state,1945724); %设置RANDN产生器的状态w1=dmodce(x,Fd,Fs,fsk,M,tone); %调制y1=awgn(w1,adjSNR,measured,dB); % 对调制信号添加噪声z1=

13、ddemodce(y1,Fd,Fs,fsk,M,tone);%调制ser1=symerr(x,z1) %输出符号误差率%非正交非正交FSK调制调制tone=0.25;randn(state,1945724); %设置RANDN产生器的状态w2=dmodce(x,Fd,Fs,fsk,M,tone); %调制y2=awgn(w2,adjSNR,measured,dB); % 对调制信号添加噪声z2=ddemodce(y2,Fd,Fs,fsk,M,tone); %解调ser2=symerr(x,z2) %输出符号误差率第 6 章 通信系统仿真6.6 通信系统的性能仿真6.6.16.6.1通信系统的误

14、码率仿真通信系统的误码率仿真 通信系统误码率的大小是衡量通信系统性能的好坏。无论是仿真带通系统还是基带通信系统，通信系统模型的误码率的计算过程主要由设置相关参数、创建信号及信源编码、调制、对调制信号添加高斯噪声、解调、计算系统的误码率等步骤组成。 6.6.2 6.6.2 误码率仿真界面误码率仿真界面 MATLAB提供了一种有效的分析误码率的工具误码率仿真界面，它可用来计算和比较不同调制方式、不同差错控制编码方式和不同信道噪声模型条件下的通信系统的误码率。 在MATLAB命令窗中输入命令： commgui即可打开一个图形用户界面窗口误码率仿真界面。误码率仿真界面包含了通信系统中信号处理的全部过程

15、：信号源信号的生成；信号经过差错控制编码和调制后发送；叠加在信道噪声后送到接收设备；经过解调和解码恢复出原始数据、进行误码率的计算过程等。 第 6 章 通信系统仿真图6.29 误码率仿真窗口 误码率仿真窗口上半部分功能区域，分为以下四个部分：Source（信号源）；（信号源）； Err-Ctr-Code（差错控制编码）；（差错控制编码）；Modulation（信号调制编码）；（信号调制编码）； Channel（信道）。（信道）。第 6 章 通信系统仿真6.6.3 6.6.3 眼图眼图/ /散射图散射图1眼图眼图 在研究数字传输码间干扰及其它信道噪声的时候，眼图是一个很方便的工具。眼图是一个接收

16、信号相对于时间的关系曲线。当到达x轴的时间上限时，信号回到时间初始点，这样便产生了一幅重叠画。产生眼图的常用方法是使用示波器，将示波器的扫描频率设为1/T，其中T是信号周期。格式：格式：eyediagram(x, N)功能：绘制信号x的眼图，该信号在一个扫描周期中有N个抽样点。N必须大于1。图6.31 眼图(无偏移) 例例6-22 试绘制QASK调制信号的眼图。 第 6 章 通信系统仿真2散射图散射图散射图与眼图密切相关。散射图记录了在给定判决点处信号的值。在MATLAB通信工具箱中也提供了一条专用函数命令scatterplot来绘制散射图。格式：格式：scatterplot(x, N)功能：

17、根据指定的参数N绘制信号x的散射图。x可为实向量，也可为复数向量，或只有两列的矩阵，第一为信号的实部，第二列为信号的虚部。绘制x中的第N点时从第一个值开始，默认值N=1。图6.32 散步图 例例6-23 试制散QASK调制信号的绘射图。 第 6 章 通信系统仿真6.7扩频通信系统的性能仿真图6.33 数字扩频通信系统基本框图 为了正确进行信号的扩频解扩处理，必须使接收机的本地 PN 序列与接收信号中所包含的PN 序列建立时间同步。扩频通信系统按其工作方式的不同可分为下列几种：直接序列扩展频谱系统、跳频扩频系统、跳时扩频系统、混合式。只讨论两种基本的扩频系统的仿真：直接扩频(DS)和跳频(FH)系统。第 6 章 通信系统仿真6.7.1直接序列扩频(DS-SS)系统 如果假设采用BPSK 方式发送二进制信息序列的扩频通信。设信息速率为 R bit/s，码元间隔为Tb=1/Rs传输信道的有效带宽为Bc (Hz)(BcR )，在调制器中, 信息序列的带宽扩展为W= Bc ， 载波相位以每秒W次的速率按伪随机序列发生器序列改变载波相位，即是直接序列扩频。图6.34 二进制信息序列的扩频通信第 6 章 通信系统仿真图6.36 直扩信号抑制正弦干扰效果图 例例6-24 利用MATALB仿真演示直扩信号抑制正弦干扰的效果。 第 6 章 通信系统仿真6.7.2 6.7.2 跳频扩频系统跳频扩