基于Simulink软件无线电的仿真与研究.docx

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基于Simulink软件无线电的仿真与研究

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南京邮电大学硕士研究生学位论文

摘要

摘要

本文系统地研究了基于ＭＡＴＬＡＢ中Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的通信基带系统建模仿真。

利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对通信系统中几种基本信道模型进行了构造研究，同时还构造了Ｈｏｐｆｉｅｌｄ神经网络模型，并以此解决盲信号检测问题，仿真结果表明Ｍ文件和Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型结果一致。

由于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是具有内在的模块化，系统化，以及时间流，定点数的仿真工具，不仅可以真实地模拟一个通信系统，使通信系统里面的核心算法在整个系统中进行仿真验证，而且可以和ＭＡＴＬＡＢ的工具包ＲＴＷ（Ｒｅａｌ．Ｔｉｍｅ．Ｗｏｒｋｓｈｏｐ）结合，产生可以直接在数字信号处理硬件上运行的代码，所以这些研究工作对于软件无线电技术开发应用具有重要价值。

本文主要工作归纳如下：

１．利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对通信系统中最基本信道模型一－Ｎ性高斯白噪声信道的特性进行仿真。

首先介绍了该信道的基本特性，然后构建了它的系统仿真模型，介绍了一种基于批处理的仿真系统。

２．研究了基带通信系统中Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落信道的特性，在对Ｊａｋｅｓ模型进行分析的基础上，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的基础模块搭建了与数学模型对应的完整Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落信道模型。

３．学习了解了Ｈｏｐｆｉｅｌｄ神经网络的相关知识，由于神经网络的能量函数的特性，可以利用发送信号的有限字符集特性和接收信号矩阵的正交补空间特性，把信号盲检Ｎ－次优化形式转换为具有稳定状态解的连续Ｈｏｐｆｉｅｌｄ神经网络能量函数形式，实现对盲信号的直接恢复，并用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真实现，验证了其良好的性能。

由于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ硬件化的特性，使得本论文的工作有着很大的实用性以及一定的创新性。

关键词：

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；软件无线电：

ＡＷＧＮ信道；Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落信道；Ｈｏｐｆｉｅｌｄ神经网络

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｓｉｍｕｌｉｎｋｉｓｓｔｕｄｉｅｓ

ｏｎ

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ｏｆＳｉｍｕｌｉｎｋ，ａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓ

ｔｈｅＨｏｐｆｉｅｌｄＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋｔｏｂｌｉｎｄｄｅｔｅｃｔｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｓｉｇｎａｌｓ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｗｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅ

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ｆｏｌｌｏｗｓ：

１．Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｓｔｈｅｍｏｓｔｂａｓｉｃ

ｃｈａｎｎｅｌｍｏｄｅｌ－ＡＷＧＮｆｏｒｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍＡＷＧＮ，ｔｈｅｎ

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ｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｓｉｇｎａｌｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．

Ｃｏｍｐｕｔｅｒ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｂｙＳｉｍｕｌｉｎｋｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｈａｓｂｅｔｔｅｒｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆＭｆｉｌｅｓ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆ

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ａｎｄ

ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｎｅｓｓ．

一ＩＩ—

南京邮电大学硕上研究生学位论文

ＫＥＹ

ＷＯＲＤＳ：

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；Ｓｏｆｔｗａｒｅ

Ｎｅｔｗｏｒｋ

Ｄｅｆｉｎｅｄ

Ｒａｄｉｏ；ＡＷＧＮ；Ｒａｙｌｅｉｇｈ

Ｃｈａｎｎｅｌ；ＨｏｐｆｉｅｌｄＮｅｕｒａｌ

—ＩＩＩ—

南京邮电大学学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

研究生签名：

箍、昼磊日期：

２１丑：

笸／孑

南京邮电大学学位论文使用授权声明

南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。

除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。

论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生部办理。

研究生签名：

盈匝叠盘导师签

吼夥

南京邮电大学硕士研究生学位论文

第一章绪论

第一章绪论１．１软件无线科１ｍ１

１．１．１软件无线电研究的背景及定义

随着社会的发展和科学的进步，近几十年来，无线通信技术得到了飞速的发展，它正被广泛应用于商业、军事、气象、民用等领域。

当代无线通信系统有很多种，例如，卫星通信系统、蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统、微波通信系统、短波通信系统等等。

各种无线通信系统的调制方式也有很多种，如ＡＭ、ＦＭ、ＳＳＢ、ＶＳＢ、ＦＳＫ、ＰＳＫ、ＭＳＫ、ＱＡＭ等等。

其中，多址方式有：

ＣＤＭＡ（码分多址）、ＴＤＭＡ（时分多址）和ＦＤＭＡ（频分多址）、空分多址等。

各种通信系统由于自身的特性而应用于不同的场合，而且他们的功能相对较少，灵活性不够，可扩展能力较差，不同通信系统之间不能完全互通，然而另一方面，由于社会的发展和人类需求的增加，我们都希望这些不同的通信系统之间可以互通。

为了解决互通性问题，各国都进行了积极的探索，努力使各不同设备既能满足互通性要求，又能满足抗干扰，保密性好的要求；既能使通信设备跟上无线通信飞速发展的步伐，又能延长设备的使用寿命。

其中一种设想就是研制多功能电台，用软件实现硬件的功能。

基于此，１９９２年５月，ＭＩＬＴＲＥ公司的ＪｏｅＭｉｔｏｌａ首次明确提出了软件无线电（ＳＤＲ：

ｓｏｆｔｗａｒｅ

ｄｅｆｉｎｅｄ

ｒａｄｉｏ）的概念，从而引发了软件无线电的研究热潮。

从事通信方面的专家认为，“软

件定义无线电”将是一个解决全球无线通信需求的方案，它将成为未来无线通信设备设计

的核心所在。

软件无线电是实现无线通信的一种新思路，它可以说是无线通信产业继７０年代中期到８０年代中期从模拟到数字通信、８０年代中期到９０年代中期从固定到移动通信这两次革命之后的第三次革命，也称为从硬件无线通信到软件无线通信的革命，这是通信科技发展的必然选择。

软件无线电在通信系统中，特别是在第三代移动通信系统中的应用目前已经成为研究的热点。

欧洲的先进的通信技术与业务计划中，有三项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统中的：

ＦＩＲＳＴ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ

ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＲａｄｉｏＳｙｓｔｅｍ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，灵

活的综合无线电系统和技术）计划将软件无线电技术应用到设计多频／多模可编程手机。

这种手机可自动检测接收信号以接入不同的网络，且适应不同接续时间的要求；

ＦＲＡＭＥＳ

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第一章绪论

（ＦｕｔｕｒｅＲａｄｉｏｗｉｄｅｂａｎｄＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ

Ｓｙｓｔｅｍ，未来的无线宽带多址系统）计划的目标是

定义、研究与评估宽带有效的多址接入方案来满足ＵＭＴＳ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＭｏｂｉｌｅ

Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

Ｓｙｓｔｅｍ，通用移动通信系统）要求，方法之一是采用软件无线电技术；

ＳＯＲＴ（软件无线电技术）计划是演示灵活的有效的软件可编程电台，它具有无线自适应接入功能，并符合ＵＭＴＳ的标准。

如将软件无线电的基本思想用到无线电通信中，将不需要为每一种新的通信体制重新建网、更换设备，只需在各个通信系统中建设统一的硬件平台，然后不论是现有的各种体制和标准还是将来新出现的体制和标准，都以软件加载的方式进行更新换代。

需要更新的软件可以通过一个统一的软件提供商来供给，软件可以以无线电波的形式从空中下载。

使用这样一种理想的软件无线电概念后，所有的体制和标准更新，以及不同体制之间的兼容，都可以通过更换适当的软件来完成，这样既节省了重新建网的费用，也缩短了从研究到应用的周期。

同时，随着现代微电子技术及微处理器技术的进步，特别是大规模集成器件和可编程器件的出现，使以硬件为主的传统无线电技术得到了长足的进步。

ＤＳＰ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ

ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｅＧａｔｅ

Ａｒｒａｙ，现场可编程逻辑门阵列）及ＧＰ（ＧｅｎｅｒａｌＰｕｒｐｏｓｅ，通用）处理器

等硬件的发展和ＰＣ机总线概念的引入，导致无线电结构的重大变革，使无线电技术进入

新的阶段——软件无线技术将成为３Ｇ甚至４Ｇ移动通信中的关键技术之一。

１．１．２软件无线电的结构

作为一种新兴的技术，有关软件无线电的概念、结构、实现、用途等都还在发展之中，目前尚难以给出一个严格而全面的定义，根据现有相关文献论述，本文总结其定义大致为：

软件无线电是一种基于数字信号处理（ＤＳＰ）芯片，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构，通过模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成基本平台，利用软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来，使得通信具有很大的通用性、灵活性，并使得系统互联和升级非常方便；该技术是软件化、计算密集型的操作形式；它与数字和模拟信号之间的转换、计算速度、运算量、存储量、数据处理方式等问题息息相关；其目的就是希望建立开放式、标准化和模块化的通用硬件平台，将诸如频率、调制方式、数据传输速率、加密模式、通信协议等用软件来完成，使通信系统具有较好的兼容性、可升级性和开发性。

其核心思想是在尽可能在靠近天线的地方使用宽带的“数字／模拟（Ｄ／Ａ）’’转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能

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第一章绪论

尽可能地用软件来定义和实现。

这里简要介绍软件无线电的结构特征。

一个典型的软件无线电平台可以将硬件单元划分成射频、中频（ＩｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＩＦ）、基带、信源和信令等各层，它们具有模块化结构，各层之间的连接通过控制总线和数据总线实现。

软件无线电充分利用嵌入通信设备里的单片机和专用芯片的可编程能力，提供一种通用的采用宽带Ａ／Ｄ转换器、ＤＳＰ和通用中央处理器（ＣＰＵ）相结合的无线电台硬件平台，既保持无线电台硬件结构的简单化，又带来如下的优点：

１）灵活性：

能转换信道、改变调制方式和接收不同类型信号；２）集中性：

软件无线电技术多信道共享前端射频级，可对每一信道进行低成本的数字处理，尽管软件无线电台比单个传统接收机要昂贵得多，但每个信道的成本大大降低了。

软件无线电的天线跨多个频段，形式统一，损耗低。

射频部分完成输出功率的产生及前置放大，接收信号时将射频信号转换成标准中频信号，发射信号时将标准中频信号转换成射频信号，该标准中频信号适合Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换。

中频部分完成中频信号与已调基带信号之间的变换（接收和发射），它的主要功能是频率变换和滤波。

基带信号处理部分把数据流变换成适合信道传输的基带信号和解调基带信号（含定时恢复），包括针对非线性信道的预失真、编码和软判决参数估计等。

比特流部分采用数字方式复接和分接多个用户的比特流，这些比特流经过信源编码，包括ＦＥＣ（ＦｏｒｗａｒｄＥｒｒｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，前向纠错码，如：

比特交织、分组或卷积编码等）帧定时、比特填充、无线链路加密等，它还具备信令、控制、运营、管理和维护等功能。

软件无线电硬件采用模块化结构宽带Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ及高速ＤＳＰ，公共硬件平台，支持

并行、流水线及多处理机。

软件采用基于ＯＳＩ（ＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍｓＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，开放式系统

互联）参考模型的分层软件体系，支持开放式的模块化设计。

灵活应用软件无线电的基本硬软件模块，可使软件无线电设备对传播条件具有多种自适应能力（包括频率、功率、速率及多径分集等），多种抗干扰能力（包括自适应天线调零、自适应干扰抵消、扩频及跳频等），灵活可变的多址方式（包括ＦＤＭＡ、ＴＤＭＡ、ＣＤＭＡ）及其混合等，用户需要的多种业务（包括话音、传真、数据及图象等）及多种组网与接口能力等。

软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新改变硬件的配置结构，实现新的功能。

软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。

理想软件无线电的组成结构如图１．１所示，其结构主要由天线、射频前端、高速Ａ／Ｄ．Ｄ／Ａ转换器、通用和专用数字信号处理器、低速Ａ／Ｄ．Ｄ／Ａ转换器以及各

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第一章绪论

种接口和各种软件所组成。

宽带

／多频

止＿＾

ＲＦ

高速

＾＿』

语音低速、ｒ—，图像

—－——、

、ｒ——一

／Ｌ·—Ｊ～

中叫

部分

高速

心Ｄ｜ｋ

＾—＾

卜—一

Ｈ

ＤＤＣＤＵＣ

Ｈ

一

、

专用可Ａ／Ｄ／Ａ低编程处理速ＤＳＰ

段天线天线／ＲＦ段

其他

／Ｌ－—Ｊ、

、－－—一

网络数字信号

高速处理段

低速处理

图１．１软件无线电结构框图其关键思想和与传统结构的主要区别在于：

１）将Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ向ＲＦ端靠近，由基带到中频对整个系统频带进行采样；２）用高速ＤＳＰ／ＣＰＵ代替传统的专用数字电路与低速ＤＳＰ／ＣＰＵ做Ａ／Ｄ后的一系列处理。

Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ移向ＲＦ端仅为软件无线电的实现提供了必要条件，关键步骤是采用通用的可编程能力强的器件（ＤＳＰ和ＣＰＵ等）代替专用的数字电路，由此带来的一系列好处才是软件无线电的真正目的所在。

典型的软件无线电台的工作模块主要包括下面三个部分：

１）实时信道处理：

实时信道处理包括天线、射频变换、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ变换器、中频处理、基带与比特流处理及信源编码。

其中射频变换包括输出功率的产生、前置放大、射频信号变换为标准中频或由标准中频变换为射频信号，以适应宽带Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ变换。

中频处理部分变换基带和中频之间的发射和接收信号。

通用ＤＳＰ主要完成各种数据率相对较低的基带信号的处理，比如信号的调制解调，各种抗干扰、抗衰落、自适应均衡算法的实现等。

还要完成经信源编码后的前向纠错，帧调整、比特填充和链路加密等算法。

也有采用多ＤＳＰ芯片并行处理的方法，以提高其处理的能力。

比特流部分将多个用户产生的信源编码复用成比特流，或与之相对应将比特流多路分解。

还提供信令、控制和操作、管理和维护功能。

实时信道处理部分最合适的结构是多指令多数据多处理器的结构，即将多处理器组成一个流水线，来实现软件模块分配给内部连接在一起的各个处理器的不同的功能序列；２）环境管理：

在准实时环境管理模块中持续地使用频率、时间和空间特征来表征无线电环境，这些特征包括信道识别和估计其它参数。

环境管理模块的操作模块化，容易用一台多指令多数据并行处理器来实现。

这种并行环境管理模块和流水线工作方式的实时信道处理模块之间的接口必须使环境管理的参数和信道处理模块同步；３）在线和离线的软件工具：

在线和离线系统分析、信号处理

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第一章绪论

和变宿主工具允许人们确定增量业务。

这些业务的增加可在实时信道处理模块中生成和连接，也允许人们调整算法，以便钡０试参数位置、确定业务的一些数值和资源影响。

高度集成化的软件工具可比较快地实施增值的软件升级，当软件定义的网络迅速扩大后，可通过无线传输提供改进了的业务服务。

１．２软件无线电的开发工具

ＲａｄｉｏＬａｂ是ＲａｄｉｏＳｃａｐｅ公司针对通信领域的产品，它在软件无线电方面的应用目的是通过如ＭＡＴＬＡＢ和通信虚拟机（ＣＶＭ）将软件的发展与底层的硬件分离开来以减少开发的投入。

其本质是基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的。

ＲａｄｉｏＬａｂ

３Ｇ的工作流程如下：

１）将算法模块化；２）转换为Ｓｉｍｕｌｉｎｋ可以识别的数据类型；３）通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ应用程序借口（ＡＰＩ）进行连接。

１．３Ｓｉｍｕｌｉｎｋ简介

１．３．１通信系统仿真简介

仿真是衡量系统功能的工具，它通过仿真模型的结果来判断原系统的性能，从而为新系统的建立或者原系统的改造提供可靠的参考。

通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统潜在的瓶颈，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，仿真是科学研究中不可缺少的方法。

实际通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统做出的任何改变（如改变系统的某个参数、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，在对原有的系统做出改进或者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，通过仿真结果得出方案的可行性，从中获取最合理的参数配置和系统配置，然后再应用于实际系统中，这个过程就是通信系统的仿真。

图１。

２给出了仿真的流程图：

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第一章绪论

图１．２通信系统仿真流程图

１．３．２

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ简介‘３】

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是一个可以进行动态系统建模、仿真和综合分析的软件包。

它可以处理的系统包括：

线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。

在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ提供的图形用户界面ＧＵＩ上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可以构造出复杂的仿真模型，甚至不需要编写一行代码。

它和ＭＡＴＬＡＢ的无缝结合使得用户可以利用ＭＡＴＬＡＢ丰富的资源，建立仿真模型，控制仿真过程，分析仿真结果。

另外，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ在系统仿真领域中已经得到广泛的承认和应用，许多专用的仿真系统都支持Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型，这非常有利于代码的重用和移植。

使用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ可以方便地进行控制系统、ＤＳＰ系统、通信系统以及其它系统的仿真分析和原型设计。

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，它与传统的用微分方程和差分方程建模的仿真软件相比，具有更直观、方便、灵活的优点。

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ包含很多模块，如Ｓｏｕｒｃｅ（输入源）、Ｌｉｎｅａｒ（线性环节）、Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ（非线性环节）、Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ（连接与接１３）和Ｅｘｔｒａ（其他环节）子模块库，而且每个子模块库包含有相应的功能模块。

同时，用户还可以定制和创建自己的模块。

Ｓｉｍｕｌｉｎｋ提供了专门用于显示信号的模块，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到工作区和文件中，

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第一章绪论

供用户在仿真结束后对数据进行分析和处理。

另外，Ｓｉ