《通信系统仿真》PPT课件

《《通信系统仿真》PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《通信系统仿真》PPT课件（44页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第 6 章 通 信 系 统 仿 真第 6章 通 信 系 统 仿 真 6.1 通 信 工 具 箱 函 数6.2 信 息 的 度 量 和 编 码 6.3 差 错 控 制 编 /译 码 方 法 6.4 模 拟 调 制 和 解 调6.5 数 字 调 制 和 解 调6.6 通 信 系 统 的 性 能 仿 真6.7 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

2、 分 析 。 主 要 包 括 两 部 分 内 容 ： 通 信 函 数 命 令 和 Simulink的 Communications 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 Analy

3、sis 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/Demodulation(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

4、 )；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 ： Xx xpxpXH )(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

5、信 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 ： 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

6、 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 MATLAB信 源 编 /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

7、 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 和 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

8、域 被 划 分 成 N个 互 不 重 叠 的 区 域 R i， 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 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 ademod( )格 式 ：

9、 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

10、数 使 用 一个 默 认 的 巴 特 沃 斯 低 通 滤 波 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 6-13 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

11、 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),-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 基 带 模 拟 调 制 /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

12、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 ddemod( )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)。 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

13、 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

14、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 6.27 16-QASK调 制 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 。 第 6 章 通 信 系 统 仿 真6.5.2 基 带 数 字 调 制 /解 调1 基 带 数 字 调 制 函 数 dmodce( )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

15、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 ddemodce( )格 式 ： z=ddemodce(y,Fd,

16、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。 3 AWGN信 道 函 数 awgn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 S

17、NR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 6-17 利 用 MATLAB对 信 号 进 行 基 带 数 字 调 制 解 调 。 MATLAB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 FSK调 制t

18、one=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=ddemodce(y1,Fd,Fs,fsk,M,tone); %调 制ser1=symerr(x,z1) %输 出 符 号 误 差 率%非 正 交 FSK调 制tone=0.25;randn(state,1945724); %设 置 RANDN产 生 器 的 状 态w2=dmodce(

19、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6.6.1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

20、 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 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

21、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 ： 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

22、 窗 口 上 半 部 分 功 能 区 域 ， 分 为 以 下 四 个 部 分 ： Source（ 信 号 源 ） ； Err-Ctr-Code（ 差 错 控 制 编 码 ） ； Modulation（ 信 号 调 制 编 码 ） ； Channel（ 信 道 ） 。 第 6 章 通 信 系 统 仿 真6.6.3 眼 图 /散 射 图1 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 信 号 相 对 于 时 间 的 关 系 曲 线 。 当 到 达 x轴 的 时 间 上 限 时

23、 ， 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 ： 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 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 与 眼 图

24、 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 ： scatterplot(x, N)功 能 ： 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=

25、1。 图 6.32 散 步 图 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 、

26、 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

27、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 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 跳 频 扩 频 系 统 (FH-SS) 跳 频 扩 频 系 统 将 传 输 的 带 宽 W分 为 很 多 互 不 重 叠 的 频 率 点 ， 按 照 信

28、 号 时 间 间 隔 在一 个 或 多 个 频 率 点 上 发 送 信 号 ， 根 据 伪 随 机 发 生 器 的 输 出 ， 传 输 的 信 号 选 择 相 应 的频 率 点 。 即 载 波 的 频 率 在 “ 跳 变 ” ， “ 跳 变 ” 的 规 则 由 伪 随 机 序 列 决 定 。 跳 频 系 统发 射 和 接 收 部 分 框 图 如 图 6.38所 示 ， 跳 频 系 统 的 数 字 调 制 方 式 可 选 择 BFSK或 MFSK。 图 6.38 跳 频 系 统 发 射 和 接 收 部 分 框 图 第 6 章 通 信 系 统 仿 真 图 6.39 BFSK/FH系 统 仿 真 框 图 例 6-25 采 用 非 相 干 解 调 ， 平 方 律 判 决 器 (即 包 络 判 决 器 )， 利 用 MATLAB仿 真 FSK/FH系 统 在 最 严 重 的 部 分 边 带 干 扰 下 的 性 能 。