基于MATLAB的通信系统传输信道性能仿真研究毕业设计说明书.docx

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基于MATLAB的通信系统传输信道性能仿真研究毕业设计说明书

1绪论

通信就是把信息从一地有效地传递到另一地,及消息传递的全过程。

通信是由通信系统来实现的,通信系统是只完成信息传递的传输介质和全部设备的总称。

现代通信系统主要借助电磁波在自由空间的传播或在导引媒体中的传输机理来实现,前者称为无线通信系统,后者称为有线通信系统。

1.1课题的研究背景及意义

1.1.1通信系统研究背景

实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统,对这个系统作出的任何改变(如改变某个参数的设置、改变系统的结构等)都可能影响到整个系统的性能和稳定。

因此,在对原有的通信系统作出改进或建立一个新系统之前,通常需要对这个系统进行建模和仿真,通过仿真结果衡量方案的可行性,从中选择最合理的系统配置和参数设置,然后再应用于实际系统中,这个过程就是通信系统仿真[1]。

在通信技术快速发展的今天,人们对通信系统的性能以及造价都提出了比较高的要求,于是通信仿真便应运而生。

仿真是衡量系统性能的工具,它通过仿真模型的仿真结果来推断原系统的性能,从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。

现代计算机科学技术快速发展,已经研发出了新一代的可视化的仿真软件。

这些功能强大的仿真软件,使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷,由此也使得通信系统仿真技术得到了更快的发展[2]。

通过仿真.可以降低新系统失败的可能性,消除系统中潜在的弊端,防止对系统中某些功能部件造成过量的负载,优化系统的整体性能,因此,仿真是科学研究和工程建设中不可缺少的方法。

计算机辅助分析和设计技术发展十分迅速,出现了大量实用仿真软件与工具,并应用于通信系统建模、分析和设计,使得通信系统仿真发展很快。

计算机辅助技术基本上有两大类,一是基于公式的方法,用计算机计算复杂的公式;二是用计算机仿真系统的信号波形,即波形级仿真。

现代计算机软硬件技术的快速发展,新一代的可视化的仿真软件的使用使得通信系统仿真的设计和分析过程变得相对直观和便捷,推动了通信系统仿真的快速发展。

1.1.2通信系统仿真的意义

通信系统仿真应用到了通信系统工程设计的各个阶段,无论是从早期的概念设计,还是实现,测试,使用等各个阶段。

在概念定义阶段,通信系统仿真获得项层指标;在接下来的设计和研发中,通信系统仿真确定硬件研发的指标,检验己完成子系统对整个系统性能的影响;在运行阶段,通信系统仿真可以用来确定解决问题的方法;通信系统仿真还可以预测系统的使用寿命。

通信系统仿真实质上就是把硬件实验搬进了计算机,可以把它看成是一种软件实验。

在硬件实验系统中,用各种电子元器件制作出通信系统中的理论模型所规定的各个模块,再把它们通过导线或电缆等接在一起,然后用示波嚣、频谱议、误码仪等通信仪表得到各种测量,最后分析测量结果。

在软件实验中我们也是这样做,只不过所有通信模块及通信仪表的功能都是用程序来实现的,通信系统的全过程在计算机中仿真运行。

与硬件实验相比,软件实验具有如下一些优点:

(1)软件实验具有广泛的适应性和极好的灵活性。

在硬件实验中改变系统参数也许意昧着要重傲硬件,而在软件实验中是改一、两个数据,甚至只是在屏幕上按几下鼠标。

(2)软件实验更有助于我们较为全面地研究通信系统。

有许多问题,通过硬件实验来研究可能非常困难,但在软件实验中却易于解决。

(3)硬件实验的精确度取决于元器件及工艺水平,软件实验精度取决于cpu的运算速度或者说是程序的运算量。

(4)软件实验建设开发周期短,成本低。

随着通信和信号处理系统的复杂程度的提高,同时出现了一系列新的技术。

如用于数字信号处理的价格不高但速度很快的硬件、光纤光学器件、集成光学设备和单片微波集成电路,这些对通信系统的实现均有重要影响。

通信系统复杂度的提高使得用来分析和设计系统的时间和精力也相应提高了,然而在商用产品中引入新技术要求设计能做到短时,高效、省力,而这些要求只有通过使用强大的计算机辅助分析和设计工具才能实现。

所以,通信系统仿真为通信网络的发展提供了强有力的支持,在通信系统工程设计中起着举足轻重的作用。

1.1.3通信系统仿真流程

与一股的仿真过程类似,在对通信系统实施仿真之前,首先需要研究通信系统的特性,通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型。

图1.1是关于通信系统仿真流程的一个示意图[3]。

图1.1通信系统仿真的流程

1.1.4通信技术发展现状和趋势

进入20世纪以来,随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。

特别是在20世纪后半叶,随着人造地球卫星的发射,大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世,通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。

1.微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。

2.移动通信和卫星通信的出现,使人们随时随地可通信的愿望可以实现。

3.光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。

4.电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次,借助现代电信网和计算机的融合,人们将世界变成了地球村。

5.微电子技术的发展,使通信终端的体积越来越小,成本越来越低,范围越来越广。

随着科学技术的进步,人们对通信的要求越来越高,各种技术会不断地应用于通信领域,各种新的通信业务将不断地被开发出来。

1.2通信系统的基本内容

1.2.1通信系统简介

通信系统是用以完成信息传输过程的技术系统总称。

现代通信系统主要借助电磁波在自由空间的传播或在导引媒体中的传输机理来实现。

前者称为无线通信系统,后者称为有限通信系统。

当电磁波的波长达到光波范围时,这样的通信系统称为光通信系统,其他电磁波范围的通信系统则称为电磁通信系统,简称为电信系统。

由于光的导引媒体采用特制的玻璃纤维,因此有线光通信系统又称光纤通信系统[4]。

一般电磁波的导引媒体是导线,按其具体结构可分为电缆通信系统和明线通信系统;无线电通信系统按其电磁波的波长则有微波通信系统与短波通信系统之分。

另一方面,按照通信业务的不同,通信系统又可分为电话通信系统、数据通信系统、传真通信系统和图像通信系统等。

由于人们对通信的容量要求越来越高,对通信的业务要求越来越多样化,所以通信系统正迅速向着宽带化方向发展,而光纤通信系统将在通信网中发挥越来越重要的作用。

1.2.2基本的通信系统

基本的通信系统一般由信源、信宿(收信者)、发端设备、收端设备和传输媒介等组成。

图1.2通信系统的基本模型

信源(信息源):

信息的发出者,通常将信息转化为基带信号的电路。

可分为模拟信源和离散信源。

发送设备:

匹配信源与传输媒介,调制,功率放大,以及各种信号处理功能。

传输设备:

信号的传输媒介,可称为信道。

接收设备:

发送设备的逆过程,小信号放大,解调。

信宿:

消息的接收者,将基带型号转化为信息的电路。

噪声源:

信号传输时所受的干扰,信道的噪声。

通信设备的噪声,电源噪声,干扰统称为噪声。

通信系统的分类:

按业务分为电话通信系统,数据通信系统,电报通信系统,图像通信系统等。

按传输媒介分为:

有线和无线通信系统。

有线通信系统包括光纤通信,电缆通信等;无线通信包括移动通信,微博接力通信,卫星通信等。

按信号特征分类:

按照信道中传输的是模拟信号还是数字信号,可相应地吧通信系统分为模拟通信系统和数字通信系统。

按照信道中传输的信号是否经过调制,可将通信系统分为基带传输和频带传输系统[5]。

基带传输系统是将未调制的信号直接传输;频带传输是将基带信号经调制后送入信道传输。

按通信复用方式分类,通信系统有频分复用(FDM)通信系统,时分复用(TDM)通信系统,码分复用(CDMA)通信系统。

通信方式分为:

单工方式,半双工方式,全双工方式通信。

评价一个通信系统,往往要设计到很多性能指标。

但要从研究信息传输方面考虑,通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标。

有效性是指信息传输的“速度”问题,而可靠性主要是指信息传输的“质量”问题。

有效性和可靠性相互矛盾又相互联系。

提高有效性降低可靠性,反之亦然。

因此在设计通信系统时,对二者应统筹考虑[6]。

1.2.3数字通信系统

按信道中传输的是模拟信号还是数字信号,可相应的将通信系通分为模拟通信系统和数字通信系统。

图1.3数字通信系统的模型

信源和信宿:

信源的作用是将信息转化为原始电信号,完成非电/电的转换。

信宿的作用是将原始的电信号还原为信息,完成电/非电的转换。

信源编码和信源解码:

信源编码器对原始电信号进行数字化编码(A/D变换),数据压缩,以减少数据的冗余量。

信源解码是信源编码的逆过程。

信道编码和信道解码:

数字信号在信道中传输时,要受到噪声干扰,会引起差错。

为使数字信号适应信道所进行的变换称为信道编码。

信道编码的目的就是提高通信系统的抗干扰能力,尽量控制差错,保证通信质量。

信道解码是信道编码的反变换。

调制和解调:

调制是将原始电信号变换成适合在信道中传输的信号。

解调是反变换。

信道:

信号传输的通道。

信道分为有线信道和无线信道。

数字通信系统的性能指标:

1有效性用码元速率,信息速率及系统频带利用率则三个性能指标来描述。

(1)码元速率RB又称马原传输速率或传码率。

它被定义为每秒所传输的码元数

目,单位为波特,常用符号Baud表示。

(2)信息速率Rb又称信息传输速率或数据传输率。

它被定义为每秒所传输的信息量,单位为比特/秒,或记为bit/s。

(3)系统频带利用率是一个系统效率的指标。

在比较两个通信系统的有效性时,仅从传输速率上衡量是不够的,还应衡量系统所占频带的大小。

2可靠性主要用误码率Pe误信率Pb来衡量。

(1)误码率是指通信过程中,通信系统传输错误码元的数量与所传输的总码元数量之比,也就是传错码元的概率。

(2)误信率又称误信息率、误比特率,是指错误接受的信息量与传输的总信息量的比值。

1.2.4模拟通信系统

区别于数字通信系统,模拟通信系统少了信源编码和信源解码,信道编码和信道解码。

图1.4模拟通信系统模型

在模拟通信系统中:

有效性是利用信息传输速度或者有效频带来衡量。

同样的消息采用不同的调制方式,则需要不同的频带宽度。

频带宽度越窄,则对频带的有效(利用)性越好。

可靠性是用接收端输出的信噪比(输出信号平均功率与噪声平均功率的比值)来衡量[7]。

信噪比越高,通信质量越好。

1.3本论文的主要研究内容

本文对通信系统的仿真研究主要做了一下的工作:

(1)介绍了通信系统仿真的基本概念和仿真的相关内容,其中包括通信系统仿真的一般步骤,matlab的一种可视化的仿真工具simulink以及对matlab模型库进行扩展的s函数的相关概念。

(2)对通信系统模型中的主要环节,包括通信系统信道、噪声、模拟信号的数字传输系统、信道编码以及信号调制的原理、方法和过程都进行了详细的介绍。

(3在理解通信系统理论的基础上,利用MATLAB强大的仿真功能,设计了具体的通信系统模型。

在具体模型的设计过程中,对模型的组成机构,仿真流程以及仿真结果的分析都做了详细的阐述。

1.4本章小结

本章首先介绍了通信系统的基本内容,其次介绍了通信系统仿真的研究背景和意义,最后对本论文要研究的内容作了说明。

2通信系统仿真基本内容

2.1通信系统仿真的基本步骤

通信系统仿真一般可分为三个步骤,分别是仿真建模,仿真实验,仿真分析。

由于现代通信系统功能越来越强,通信系统仿真的过程需要这三个步骤循环往复执行多次才能得到满意的效果。

2.1.1仿真建模

仿真模型是对实际系统的一种模拟和抽象,但又不是完全的复制。

因此,仿真模型的建立需要综合考虑其可行性和简单性。

仿真模型一般是一个数学模型,有多种分类方式,包括确定性模型和随机模型,静态模型和动态模型。

确定性模型的输入变量和输出变量都有固定数值。

而在随机模型中,至少有一个输入变量是随机的。

静态模型不需要考虑时间变化因素,动态模型的输入输出变量则需要考虑时间变化因素。

一般情况下,通信系统模型是一个随机动态系统[8]。

在仿真建模开始时,首先需要分析系统实际存在的问题或设立系统改造的目标,并且把这些问题和目标转化成数学变量和公式。

有了具体的仿真目标之后,下一步是获取实际通信系统的各种运行系数。

同时,对于通信系统中的各个随机变量,可以采集这些变量的数据,通过数学工具来确定随机变量的分布特性,然后就可以通过仿真软件来建造仿真模型了。

最简单的工具是采用C语言等编程工具直接编写仿真程序,还可以采用专门的仿真软件包括MATLAB,OPENT,NS2等,这些软件具有各自不同的特点,适用于不同层次的通信仿真。

2.1.2仿真实验

仿真实验是一个或一系列对仿真模型的测试。

仿真过程中使用的输人数据必须具有一定的代表性,即能够从各个角度显著地改变仿真输出信号的数值[9]。

在仿真实验过程中,通常需要多次改变仿真输入信号的数据,以观察和分析仿真模型对这些输入信号的反应,以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能。

实施仿真之前需要确定的另外一个因素是性能尺度。

性能尺度指的是能够衡量仿真过程中系统性能的输出信号的数值(或根据输出信号计算得到的数值),因此,在实施仿真之前,首先需要确定仿真过程中应该收集哪些仿真数据,这些数据以什么样的格式存在以及收集多少数据[10]。

在明确了仿真系统对输入信号和输出信号的要求之后,最好把这些设置整理成一份简单的文档。

编写文档是一个好习惯,它能够帮助人们回忆起仿真设计过程的一些细节。

最后,还应该明确各个输入信号的初始设置以及仿真系统内部各个状态的初始值。

仿真的运行实际上是计算机的计算过程,这个过程一般不需要人工干预,花费的时间由仿真的复杂度确定。

如果需要比较仿真系统在不同参数设置下的性能,应该使仿真系统在取不同参数值时具有相同的输入信号,这样才能够保证分析和比较的客观性和可靠性。

2.1.3仿真分析

仿真分析是一个通信仿真流程中的最后一个步骤。

在仿真分析过程中,用户已经从仿真过程中获得了足够多的关于系统性能的信息,但是这些信息只是一些原始数据,需要经过数值分析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度[11]。

常用的系统性能尺度包括平均值、方差、标准差、最大值和最小值等,它们从不同的角度描绘了仿真系统的性能。

另外一个需要注意的地方是,即使仿真过程中收集的数据正确无误,由此得到的仿真结果并不一定就是准确的,因为可能是输入信号恰好与仿真系统的内部特性相吻合,或者输入的随机信号不具有足够的代表性。

图表是最简洁的说明工具,它具有很强的直观性,便于分析和比较,因此,仿真分析的结果一般都绘制成图表形式。

我们使用的仿真工具一般都具有很强的绘图功能,能够便捷地绘制各种类型的图表。

2.2MATLAB/Simulink简介

2.2.1MATLAB介绍

MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory),是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发,数据可视化,数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“MatrixLaboratory”(缩写为Matlab)这就是Matlab最早的雏形。

开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。

从Matlab诞生开始,由于其高度的集成性及应用的方便性,在高校中受到了极大的欢迎。

由于它使用方便,能非常快的实现科研人员的设想,极大的节约了科研人员的时间,受到了大多数科研人员的支持,经过一代代人的努力,目前已发展到了7.X版本。

Matlab是一种解释性执行语言,具有强大的计算、仿真、绘图等功能。

由于它使用简单,扩充便,尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能,使其成为了巨大的知识宝库。

可以毫不夸张的说,哪怕是你真正理解了一个工具箱,那么就是理解了一门非常重要的科学知识。

科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识,这就是Matlab真正在全世界推广开来的原因。

目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面,它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口,同时因为有最丰富的函数库(工具箱),所以计算的功能实现也很简单,进一步受到了科研工作者的欢迎。

另外,,Matlab和其他高级语言也具有良好的接口,可以方便的实现与其他语言的混合编程,进一步拓宽了Matlab的应用潜力。

可以说,Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一,掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。

MATLAB是一种科学计算软件,专门以矩阵的形式处理数据。

它将数值分析、矩形计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案,并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起,并提供了大量的内置函数,从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作,而且利用MATLAB产品的开放式结构,可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充,从而在不断深化对问题认识的同时,完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。

MATLAB是MATLAB产品家族的基础。

它提供了基本的数学算法,例如矩阵运算、数值分析算法,MATLAB集成了2D和3D图形功能,以完成相应数值可视化的工作,并且提供了一种交互式的高级编程语言——M语言,利用M语言可以通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法。

MATLABCompiler是一种编译工具,它能够将那些利用MATLAB提供的编程语言—M语言编写的函数文件编译生成为函数库、可执行文件COM组件等等。

这样就可以扩展MATLAB功能,使MATLAB能够同其他高级编程语言例如C/C++语言进行混合应用,取长补短,以提高程序的运行效率,车富程序开发的手段。

利用M语言还开发了相应的MATLAB专业工具箱函数供用户直接使用。

这些工具箱应用的算法是开放的可扩展的,用户不仅可以查看其中的算法,还可以针对一些算法进行修改,甚至允许开发自己的算法扩充工具箱的功能。

目前MATLAB产品的工具箱有四十个,分别涵盖了数据获取、科学计算、控制系统设计与分析、数字信号处理、数字图像处理、金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域。

2.2.2Simulink介绍

Simulink是MATLAB提供的用于动态系统进行建模、仿真和分析的工具包。

Simuink提供了专门用于显示输出信号的模块,可以在仿真过程中随时观察仿真结果。

同时,通过Simulink的存储模块,仿真数据可以方便地以各种形式保存在工作区或文件中,供用户在仿真结柬之后对数据进行分析和处理。

另外,Simulink把具有特定功能的代码组织成模块的方式,并且这些模块可以组织成具有等级结构的子系统,因此具有内在的模块化设计要求。

基于上述优点,Simulink成为一种通用的仿真建模工具,广泛应用于通信系统仿真、数字信号处理、模糊逻辑、神经网络、机械控制和虚拟现实等领域。

根据输出信号与输入信号的关系,Simulink提供3种类型的模块:

连续模块、离散模块和混合模块。

连续模块是指输出信号随着输入信号发生连续变化的模块,离散模块则是输出信号以固定间隔变化的模块。

对于连续模块,Simulink采用积分方式计算输出信号的数值,因此,连续模块主要涉及导数的计算及其积分。

离散模块的输出信号在下一个抽样时刻到来之前保持恒定,这时候Simulink只需以一定的间隔计算输出信号的数值。

混合模块是根据输入信号的类型来确定输出信号类型的,它既能够产生连续输出信号,也能够产生离散输出信号。

在初始化阶段,Simulink把各个模块调入内存,检查模块的数据类型和长度,设置仿真时间间隔,制定仿真模块的执行顺序,以及内存分配。

在仿真循环阶段,5imulink按照初始化阶段制定的顺序依次执行各个模块,计算当前时刻的离散状态和输出信号,以小步长积分的方式计算各个连续状态的数值以及由此产生的输出。

这个过程一直持续到仿真过程结束,然后Sinulink进入仿真结束阶段,清理各种已经分配的资源,同时保护仿真过程中产生的数据。

2.2.3S函数介绍

S函数是系统函数的简称,是指采用非图形化的方式(即计算机语言,区别于Simulink的系统模块)描述的一个功能块。

在很多情况下,Simulink模型库中的模块不能完全满足用户的要求,这时候需要由用户自己来编写相应的代码。

S函数是对Simulink模块功能的扩展,既可以用MATLAB语言编写,也可以用其它通用的编程语言(如C、C++等)编写,后者具有更强的控制能力,它们被编译成MEX(MATLABExecutalbe)文件,并且在仿真过程中动态装载。

S函数能够接受来自Simulink求解器的相关信息,并对求解器发出的命令作出适当的响应,这种交互作用非常类似于Simulink系统模块与求解器的交互作用。

一个结构体系完整的S-函数包含了描述动态系统所需的全部能力,所有其他的使用情况都是这个结构体系的特例。

往往S-函数模块是整个Simulink动态系统的核心。

2.3本章小结

本章主要介绍了通信系统仿真的一般步骤,对其中的每一步作了充分的说明。

其次,介绍了MATLAB软件以及它的一种可视化仿真工具simulink。

3通信系统信道以及噪声的研究

3.1通信系统信道相关内容

通信信道是数据传输的通路。

各种发送信息传送到既定的信宿,可选用适于传输的物理媒体,完成通信功能。

连接发信号与收信号设备、适用于不同类型通信业务的各种物理媒体通称为信道。

在计算机网络中信道分为物理信道和逻辑信道。

物理信道是只用于传输数据信号的物理通路,它由传输介质与有关通信设备组成;逻辑信道指在物理信道的基础上,发送与接收数据信号的双方通过中间结点所实现的逻辑通路,由此为传输数据信号形成的逻辑通路[12]。

逻辑信道可以是有连接的,也可以是无连接的。

物理信道还可根据传输介质的不同而分为有线信道和无线信道,也可按传输数据类型的不同分为数字信道和模拟信道。

信道可分为有界与无界两大类,即通常所说的有线信道与无线信道。

前者如双绞线、电缆、光纤、波导等,后者为自由空间提供的各种频段或波长的电磁波传播信道[13]。

按不同的分类方式,信道可分为有线信道和无线信道、调制信道和编码信道、线性信道和非线性信道、记忆信道和不记忆信道、恒参信道和变参信道等。

狭义信道:

单指传输媒介。

广义信道除了包含传输媒质外,还包括通信系统有关的变换装置,这些装置可以是发送设备,接收设备,馈线与天线,调制器,解调器等等。

广义信道按照它包括的功能,可以分为调制信道,编码信道等。

还可以定义其他形式的广义信道。

图3.1编码信道和调制信道

调制信道:

调制器输出到解调器输入之间的部分,只是对已调信号进行某种变换,调制信道用于研究调制与解调问题是方便和恰当的。

编码信道:

编码器输出到解码器输入之间的部分,只是对已编码信号进行某种变换,编码信道用于研究编码与译码问题时使问题的分析更容易。

通常信道的特性是一个复杂的函数,它可能包括各种线性失真、非线性失真、交调失真、衰落等。

同时由于信道的迟延特性和损耗特性随时间做随机变化,所以信道特性往往只能用随机过程描述。

若信道特性基本不随时间变化,即信道对信号的影响是固定的或变化极为缓慢的,称为恒定参量信道,简称恒参信道。

若信道特性随时间随机快变化,称为随机参量信道,简称随参信道。

3.1.1恒参信道

恒参信道是指

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