基于matlab的通信系統(tǒng)仿真

1、創(chuàng)新實踐報告報 告 題 目：基于matlab的通信系統(tǒng)仿真學 院 名 稱：信息工程學院姓 名：班 級 學 號：指 導 老 師：二O一四年十月十五日一、引言現(xiàn)代社會發(fā)展要求通信系統(tǒng)功能越來越強，性能越來越高，構成越來越復雜；另一方面，要求通信系統(tǒng)技術研究和產(chǎn)品開發(fā)縮短周期，降低成本，提高水平。這樣尖銳對立的兩個方面的要求，只有通過使用強大的計算機輔助分析設計技術和工具才能實現(xiàn)。 在這種迫切的需求之下，MATLAB應運而生。它使得通信系統(tǒng)仿真的設計和分析過程變得相對直觀和便捷，由此也使得通信系統(tǒng)仿真技術得到了更快的發(fā)展。 通信系統(tǒng)仿真貫穿著通信系統(tǒng)工程設計的全過程，對通信系統(tǒng)的發(fā)展起著舉足輕重的作

2、用。通信系統(tǒng)仿真具有廣泛的適應性和極好的靈活性，有助于我們更好地研究通信系統(tǒng)性能。 通信系統(tǒng)仿真的基本步驟如下圖所示：二、仿真分析與測試（1）隨機信號的生成利用Matlab中自帶的函數(shù)randsrc來產(chǎn)生0、1等概分布的隨機信號。源代碼如下所示：global NN=300;global pp=0.5;source=randsrc(1,N,1,0;p,1-p); （2）信道編譯碼1、 卷積碼的原理 卷積碼(convolutional code)是由伊利亞斯(p.Elias)發(fā)明的一種非分組碼。在前向糾錯系統(tǒng)中，卷積碼在實際應用中的性能優(yōu)于分組碼，并且運算較簡單。 卷積碼在編碼時將k比特的信息段編

3、成n個比特的碼組，監(jiān)督碼元不僅和當前的k比特信息段有關，而且還同前面m=(N-1)個信息段有關。 通常將N稱為編碼約束長度，將nN稱為編碼約束長度。一般來說，卷積碼中k和n的值是比較小的整數(shù)。將卷積碼記作(n,k,N)。卷積碼的編碼流程如下所示?？梢钥闯觯狠敵龅臄?shù)據(jù)位V1,V2和寄存器D0,D1,D2,D3之間的關系。根據(jù)模2加運算特點可以得知奇數(shù)個1模2運算后結果仍是1，偶數(shù)個1模2運算后結果是0。2、 譯碼原理 卷積碼譯碼方法主要有兩類：代數(shù)譯碼和概率譯碼。代數(shù)譯碼主要根據(jù)碼本身的代數(shù)特性進行譯碼，而信道的統(tǒng)計特性并沒有考慮在內。目前，代數(shù)譯碼的主要代表是大數(shù)邏輯解碼。該譯碼方法對于約束長

4、度較短的卷積碼有較好的效果，并且設備較簡單。概率譯碼，又稱最大似然譯碼，是基于信道的統(tǒng)計特性和卷積碼的特點進行計算。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，維特比譯碼是目前使用最廣泛的概率譯碼方法。維特比譯碼算法基本原理是：將接收到的信號序列和所有可能的發(fā)送信號序列比較，選擇其中漢明距離最小的序列認為是當前發(fā)送序列。 維特比譯碼的前提是建立合適的網(wǎng)格圖，以便尋找最優(yōu)路徑?；蛘呖梢哉J為，維特比譯碼的關鍵是尋找最優(yōu)路徑。在實際的譯碼操作過程中，怎樣建立網(wǎng)格以及建立網(wǎng)格后的路徑的選擇是譯碼的關鍵問題。（3） 調制與解調 1）BPSK的調制原理 在二進制數(shù)字調制中，當正弦載波的相位隨二進制數(shù)字基帶信號離散變化時，則產(chǎn)生二進

5、制移相鍵控2PSK信號。通常用已調信號載波的0度和180度分別表示二進制數(shù)字基帶信號的1和0。二進制移相鍵控信號的時域表達式為 其中，與2ASK和2FSK時的不同，在2PSK調制中，應選擇雙極性，即當發(fā)送概率為P，當發(fā)送概率為1-P, 。若是脈寬為、高度為1的矩形脈沖，則有 當發(fā)送概率為P時， （式22）發(fā)送概率為1-P時， （式23）由（式22）和（式23）可以看出，當發(fā)送二進制符號1時，已調信號取0度相位，當發(fā)送二進制符號為0時，取180度相位，則有，其中發(fā)送符號1，發(fā)送符號0，。這種以載波的不同相位直接表示相應二進制數(shù)字調制信號的調制方式，稱為二進制絕對移向方式。下面為2PSK信號調制原

6、理框圖2.1所示：S(t)碼型變換乘法器圖2.1:2PSK信號的調制原理圖（模擬調制方法）2） BPSK解調原理2PSK信號的解調通常都采用相干解調，解調器原理如圖2.3所示，在相干解調過程中需要用到和接收的2PSK信號同頻同相的想干載波。帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器定時脈 沖 輸出abcde圖2.3：BPSK相干解調圖2.4 BPSK解調各點時間波形Ts1010 tb1 tt ttt11100adec2） QPSK調制與解調（1）QPSK的調制原理：四相相移鍵控是MPSK的一種特殊情況，它是利用載波的4個不同相位來描述數(shù)字信息的調制方式，具有較強的抗干擾能力。QPSK的表達式可以寫為

7、：其中，是角頻率，是第K個碼元的載波相位取值，TS是一個發(fā)送碼元的持續(xù)時間，它將取可能的四種相位之一，g（t）是發(fā)送的波形函數(shù)。將上式展開可以得到：從式中可以看出，四相調制的波形，可以看成是對兩個正交載波進行二進制幅度調制信號之和。從XN和YN的取值，容易發(fā)現(xiàn)兩者具有一定的適量約束關系。保證兩者合成的矢量點落在同一圓周上。這個關系意味著，系統(tǒng)的非線性失真對QPSK系統(tǒng)的可靠性影響很小。（2）QPSK的解調原理：正交電路和同相電路分別設置兩個相關器（或匹配濾波器），得到I(t)和Q(t)，經(jīng)過電平判決和串并轉換即可恢復原始信號。（4） 信道1） 加性高斯白噪聲信道加性高斯白噪聲（AWGN）從統(tǒng)計

8、上而言是隨機無線噪聲，其特點是其通信信道上的信號分布在很寬的頻帶范圍內。加性高斯白噪聲在通信領域中指的是一種各頻譜分量服從均勻分布（即白噪聲），且幅度服從高斯分布的噪聲信號。因其可加性、幅度服從高斯分布且為白噪聲的一種而得名。該噪聲信號為一種便于分析的理想噪聲信號，實際的噪聲信號往往只在某一頻段內可以用高斯白噪聲的特性來進行近似處理。由于AWGN信號易于分析、近似，因此在信號處理領域，對信號處理系統(tǒng)（如濾波器、低噪音高頻放大器、無線信號傳輸?shù)龋┑脑肼曅阅艿暮唵畏治?如：信噪比分析)中，一般可假設系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪音或受到的噪音信號干擾在某頻段或限制條件之下是高斯白噪聲。這種噪聲假設為在整個信道帶寬

9、下功率譜密度(PDF)為常數(shù)，并且振幅符合高斯概率分布。2） 瑞利信道在無線通信信道中，由于信號進行多徑傳播達到接收點處的場強來自不同傳播的路徑，各條路徑延時時間是不同的，而各個方向分量波的疊加，又產(chǎn)生了駐波場強，從而形成信號快衰落稱為瑞利衰落。瑞利衰落信道（Rayleigh fading channel）是一種無線電信號傳播環(huán)境的“統(tǒng)計模型(statistical model)”。這種模型假設信號通過無線信道之后，其信號幅度(amplitude)是隨機的，即“衰落(fading)”，并且其包絡(envelope)服從瑞利分布（Rayleigh distribution）。 這一信道模型能夠描

10、述由電離層和對流層反射的短波信道，以及建筑物密集的城市環(huán)境。12瑞利衰落只適用于從發(fā)射機到接收機不存在直射信號（LoS，Line of Sight）的情況，否則應使用萊斯衰落信道（Ricean fading channel）作為信道模型。 （5）多徑合并1）MRC方式最大比合并是對等增益合并的改進，即各個支路加權系數(shù)與該支路信噪比成正比，各支路信噪比越大，其相應的加權系數(shù)越大，該支路對合并信噪比的貢獻也越大。假定每個支路的平均噪聲功率相等，可以證明當各個支路加權系數(shù)為Gi=Ai/2時，分集合并后的平均輸出信噪比最大。 其中，Ai為第i條支路信號幅度；2為每條支路噪聲平均功率。合并后的輸出信號幅

11、度為2）EGC方式當支路加權系數(shù)設定為G1=G2=GN時，稱為等增益合并，但需要對每個支路的信號進行同相化處理。（6）采樣判決由于從匹配濾波器出來的信號的點數(shù)8倍于原來信息的點數(shù)，為了恢復出原信號，所以需要對該信號進行采樣。從匹配濾波器出來時，首先要剔除卷積過程中冗余的點，接著抽取現(xiàn)在信號中的第1個，第9個，第8k1個點，源代碼如下：function y1,y2=pick_sig(x1,x2,ratio)y1=x1(ratio*3*2+1:ratio:length(x1);y2=x2(ratio*3*2+1:ratio:length(x1);經(jīng)過前邊的匹配濾波器解調或者稱為相關解調產(chǎn)生了一組向

12、量，在這里就是一個一維的向量，根據(jù)最大后驗概率（MAP）準則（由于各個信號的先驗概率相等，所以頁可以認為是最大似然準則），得到了最小距離檢測。具體在本仿真系統(tǒng)中，判斷為各個信號的門限如表2所示。判決后得到的數(shù)據(jù)再按照格雷碼的規(guī)則還原成0、1信號，最終將兩路0、1信號合成一路0、1信號，用來同最初的信號一起決定誤碼率。表2判決電平對應表判決前的信號的幅度對應的判決后的幅度3113（7） 理論值與仿真結果的對比在仿真完成之后，把得出的仿真結果與理論結果相互對比，了解仿真與理論的差異。三、系統(tǒng)仿真分析（一）有信道編碼和無信道編碼的的性能比較1、信道編碼的仿真第一步：產(chǎn)生隨機序列，執(zhí)行隨機序列生成程序

13、，得出隨機序列：0 1 1 0 1 0 1 1。第二步：對隨機序列進行卷積編碼得：0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0第三步：在接收端對信號進行相干解調，結果如下：第四步：對相干解調之后的信號進行解碼得出下圖所示信號：總結：有以上四圖看出，發(fā)送信號與接收端解調出的信號一樣，說明無線通信的目的就是無失真的傳遞信息；信道的功能就是盡可能無失真的傳輸信息。2、有信道編碼和無信道編碼的比較信道編碼的實質是在信息碼中增加一定數(shù)量的多余碼元(稱為監(jiān)督碼元)，使它們滿足一定的約束關系，這樣，由信息碼元和監(jiān)督碼元共同組成一個由信道傳輸?shù)拇a字。一旦傳輸過程中發(fā)生錯誤，則信息碼元和監(jiān)督碼

14、元間的約束關系被破壞。在接收端按照既定的規(guī)則校驗這種約束關系，從而達到發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤的目的。 為了分析誤碼率隨著信噪比的編碼所呈現(xiàn)出來在有信道編碼和無信道編碼的差別，首先產(chǎn)生的隨機的10000*128個符號數(shù)，snr噪聲為0到15d。bitcoded=channelcoding(sym,G,4); %信道編碼，（7,4）碼bitdecoded=channeldecoding(Rstream,Etab,Smatrix,H,7,4);根據(jù)仿真曲線圖可以看出，有信道編碼的曲線的誤碼率比沒有信道編碼的誤碼率低，并且隨著信噪比的增大而明顯。說明信道編碼提高了信息傳輸?shù)目煽啃?，提升了通信系統(tǒng)的傳輸性能。（

15、二）BPSK與QPSK調制方式對通信系統(tǒng)性能的比較1、調制過程的仿真對（一）部分中卷積產(chǎn)生的序列 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0進行調制得出下示波形：2、不同調制方式的誤碼率分析BPSK調制data1=data.*2-1;data2 = oversamp( data1, nd , IPOINT); data3 = conv(data2,xh); % conv: built in functionQPSK調制ich,qch=qpskmod(data1_q,1,nd,2);ich1,qch1= compoversamp(ich,qch,length(ich),IPOIN

16、T); ich2,qch2= compconv(ich1,qch1,xh);將BPSK和QPSK在同樣的高斯信道下傳輸，在相同的信噪比和發(fā)碼速率的情況下，仿真兩種調制方式產(chǎn)生的誤碼率曲線如下所示：從誤碼率圖可以看出，BPSK比QPSK的誤碼率低，BPSK性能較好。在相同的信道下，BPSK調制系統(tǒng)的誤碼率小于QPSK調制，因此相同系統(tǒng)情況下BPSK優(yōu)于QPSK。（三）高斯信道和瑞利衰落信道下的比較1、信道加噪仿真將經(jīng)過調制的模擬信號通過加高斯噪聲的信道傳輸后，信號會被噪聲干擾，波形發(fā)生變化，如下圖所示：然而，在不同的信道下，波形受損的程度是不一樣的，在同一類型的信道下，不同信噪比的受損程度也不相

17、同。因此我們對高斯信道和瑞利衰落進行了對比分析。2、不同信道下的誤碼分析衰落信道ifade,qfade=sefade(data3,zeros(1,length(data3),itau,dlvl,th1,n0,itnd1,now1,length(data3),tstp,fd,flat);itnd1 = itnd1+ itnd0;高斯白噪聲信道inoise_0=randn(1,length(data3).*attn; % randn: built in functiondata4_0=data3+inoise_0;data5_0=conv(data4_0,xh2); % conv: built i

18、n function將同樣的信號分別送入僅含有高斯白噪聲的信道和還有瑞利衰落與高斯白噪聲組合起來的信道，繪制出了如下圖的誤碼率曲線：由圖可看出，經(jīng)過瑞利衰落的信道誤碼率比高斯噪聲信道更高。（四）不同合并方式下的對比1、MRC不同信噪比下的誤碼分析由上圖分析可得：天線越多，誤碼率越小。信噪比越大，誤碼率也越小。因此可得出結論：系統(tǒng)的信息傳輸質量與信噪比和天線的數(shù)量是正相關的。2、EGC不同信噪比下的誤碼分析由上圖看出：等增益合并方式與最大比合并方式的基本規(guī)律一樣，也是天線越多，誤碼率越小。信噪比越大，誤碼率也越小。因此可得出結論：系統(tǒng)的信息傳輸質量與信噪比和天線的數(shù)量是正相關的。3、MRC、EG

19、C分別在2根、4根天線下的對比 從上圖可以看出，最大比值合并比等增益合并的誤碼率更小，最大比值合并就是通過最優(yōu)化的加權進行的接收，它們隨著天線數(shù)量的增大，誤碼率減??；信噪比越大，誤碼率下降，其中最大比值隨信噪比的誤碼率變化尤為明顯。（5） 理論數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的區(qū)別下圖為BPSK的理論誤碼率與仿真誤碼率的曲線圖，通過比較BPSK信道的理論誤碼率與仿真誤碼率的差別可看出，它們的差別很小，近似為一樣的。 4、 設計小結經(jīng)過這段時間的MATLAB通信系統(tǒng)仿真的學習，使我對通信原理及仿真實踐有了更深層次的理解。在學習過程中，我了解了MATLAB的語言基礎以及應用的界面環(huán)境，基本操作和語法，讓我在分析通信系統(tǒng)的性能時更加方便。在學習當中，我明白了通信系統(tǒng)仿真的現(xiàn)實意義，系統(tǒng)模型是對實際系統(tǒng)的一種抽象，是對系統(tǒng)本質的一種描述。通過仿真技術和方法，可以迅速構成一個通信系統(tǒng)模型，提供一個便捷，高效和精確的仿真平臺。學習過程中，我再次系統(tǒng)的學習了現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)中送信源產(chǎn)生信息，再到通過發(fā)信機對信息進行信源編碼和信道編碼，再到在信道上（移動通信系