數字通信系統的MATLAB設計與仿真本科畢業(yè)設計

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1、湖南工程學院畢業(yè)設計（論文） 畢 業(yè) 設 計題 目： 數字通信系統的MATLAB設計與仿真 畢業(yè)設計（論文）任務書 題目： 數字通信系統的MATLAB設計與仿真 姓名 系 計算科學與技術 專業(yè) 通信工程 班級 0402 學號 200403040204 指導老師 職稱 講師 教研室主任 一、 基本任務及要求：實際的通信系統是一個功能結構相當復雜的系統，對通信系統作出的任何改變都可能影響到整個系統的性能和工作效率。因此，在構建一個新的通信系統或改進原有通信系統前，必須要對通信系統進行建模和仿真，從仿真結果衡量設計方案的可行性，選擇最合理和高效的系統配置與參數設置，在應用到實際系統中?？梢?，通信系統

2、仿真在整個通信系統的構建中處于先導、驗證、重要的地位。通信系統仿真在一般分為3個步驟，即仿真建模、仿真實驗、仿真分析。 基本任務： 1.熟悉并掌握數字通信系統結構； 2.搭建起數字通信的基帶、頻帶傳輸系統，采用合適的信源編碼、信道編碼和數字調制技術，實現有效、正確的信息傳輸； 3. 仿真分析，學會觀察仿真結果，并以此來調整系統參數或改變2中的所使用的各種通信技術。 基本要求：掌握數字通信系統結構及常用技術；熟悉仿真語言。 二、 進度安排及完成時間：第1周： 老師講解課題，明確課題任務與要求，學習資料收集檢索方法并搜索收集所需中文資料。第2周： 閱讀資料、書籍，學習所需知識，撰寫文獻綜述。第35

3、周：畢業(yè)實習。第6周： 完成畢業(yè)實習報告撰寫；建立畢業(yè)設計實驗環(huán)境；初步擬訂設計方案；準備開題報告。第7周： 撰寫開題報告。第813周：具體設計、調試、修改、實現。第1415周：撰寫畢業(yè)論文（說明書），完成畢業(yè)答辯資格審查。第16周： 畢業(yè)答辯準備、畢業(yè)答辯。61目 錄摘要1Abstract2前 言3第一章 MATLAB與通信仿真41.1 MATLAB簡介41.2 通信仿真61.2.1 通信仿真的概念61.2.2 通信仿真的基本步驟71.2.3 通信系統仿真的重要作用101.3 通信系統仿真問題的提出、研究價值及研究現狀101.3.1 通信系統仿真問題的提出101.3.2 通信系統仿真問題的研

4、究價值101.3.3 通信系統仿真問題的研究現狀111.4 本論文的主要研究內容11第二章 simulink入門132.1 simulink簡介132.2 simulink的工作環(huán)境142.2.1 simulink的模型庫142.2.2 設計仿真模型152.2.3 運行仿真162.2.4 建立子系統162.2.5 封裝子系統182.3 S函數及其簡介182.3.1 S函數工作原理192.3.2 S函數基本概念20第三章 通信系統信道和噪聲研究及其仿真223.1 通信系統信道模型及其分類223.1.1 恒參信道223.1.2 隨參信道233.2 通信系統中噪聲概述及高斯白噪聲243.2.1 噪聲

5、概述243.2.2 高斯白噪聲243.3 仿真系統設計BFSK在三種傳輸信道中的傳輸性能分析24第四章 模擬信號的數字傳輸研究及其仿真294.1 模擬信號的數字傳輸模型及抽樣定理294.1.1 模擬信號的數字傳輸模型294.1.2 抽樣定理294.2 模擬信號的量化304.2.1 均勻量化304.2.2 非均勻量化304.3 脈沖編碼調制及差分脈沖編碼調制原理314.3.1 脈沖編碼調制(PCM)原理314.3.2 差分脈沖編碼調制（DPCM)原理324.4 仿真系統設計324.4.1 A律十三折與u律十五折量化誤差分析32第五章 通信系統信道編碼研究及其仿真355.1 信道編碼概念355.2

6、 信道編碼分類355.2.1 分組編碼355.2.2 循環(huán)冗余碼365.2.3 卷積編碼365.3 仿真系統設計375.3.1 RS編碼糾錯性能分析375.3.2 CRC-16編碼檢錯性能分析38第六章 通信系統信號調制研究及其仿真416.1 信號調制的概念416.2 信號調制416.2.1 脈沖振幅調制（PAM）416.2.2 正交振幅調制(QAM)426.2.3 數字頻率調制426.2.4 數字相位調制436.3 仿真系統設計446.3.1 PAM和QAM抗噪聲性能分析446.3.2 QPSK在IS-95前向信道中的應用466.3.3 DQPSK在USDC中的應用476.3.4 OQPSK

7、在IS-95反向信道中的應用496.3.5 GMSK在GSM中的應用50小 結53參 考 文 獻54致 謝55附錄A56數字通信系統的MATLAB設計與仿真摘 要：現代社會發(fā)展要求通信功能越來越強，性能越來越高，構成越來越復雜；另一方面，要求通信系統技術研究和產品開發(fā)縮短周期，降低成本，提高水平。這樣尖銳對立的兩方面的要求，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?，F代計算機科學技術快速發(fā)展，已經研發(fā)出新一代的可視化仿真軟件。這些功能強大的仿真軟件，使得通信系統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仿真技術得到了更快的發(fā)展。本文首先介紹了通信系統仿真的基本內容

8、，包括通信系統仿真的一般步驟MATLAB中的一種可視化仿真工具Simulink以及S-函數的相關概念。從理論上對通信系統進行深入細致的研究是非常必要的。本文對通信系統中的一些重要環(huán)節(jié)，包括信道、噪聲、模擬信號的數字化傳輸、信道編碼以及信號調制的原理、方法和過程進行了詳細的闡述。理論知識是用來指導具體實踐的。本文在深刻理解通信系統理論的基礎上利用MATLAB強大的仿真功能，設計了許多具體的通信系統仿真模型。在仿真模型設計過程中，本文對模型設計的目的、具體的結構組成、仿真流程以及仿真結果都給出了具體詳實的分析和說明。最后，本文對所做的研究工作進行了總結，并且提出了今后的工作和研究方向。關鍵詞：MA

9、TLAB；數字通信；系統設計。Digital Communication System Design and Simulation MATLABAbstract: The development of modern society requires communications system has more powerful function, higher performance and complicated structure. On the other hand,the research of technology and development of product should

10、truncate cycle, cut costs and increase production levels. We can resolve the conflict by using the computer aided design technology and tools. The rapid development of computer science causes the successful research and development of new generation visual simulation software. The simulation softwar

11、e is powerful which makes the process of design and analysis of communications system simulation more intuitional and convenient. Today, the communications system simulation is rapid developing. The paper firstly introduces the basic content of communications system simulation, which include common

12、steps of simulation, visual simulation tool called Simulink and the concept of S-function. It is necessary to research the theory of communications system intensively. The paper expands some important links of the communications system which include channel, noise, digital transmission of analog sig

13、nal, channel encode and signal modulation. Theory aims to guide practice. On the base of deep comprehension of communications system theory, the paper designs many concrete simulation models In the process of models design, the paper analyses the intention, configuration, simulation links and simula

14、tion results.In the end, the paper summarizes main content of the research and some following study and research objects are suggested.Key Words: MATLAB, Digital Communication, System Design前 言在過去的幾十年里，通信和信號處理系統的復雜程度顯著地提高了。與此同時出現了一系列新的技術，如：用于數字信號處理的價格不高但速度很快的硬件、光纖光學器件、集成光學設備和單片微波集成電路，這些對通信系統的實現均有重要影

15、響。通信系統復雜度的提高使得用來分析和設計系統的時間和精力也相應提高了，然而在商用產品中引入新技術要求設計能做到短時、高效、省力，而這些要求只有通過使用強大的計算機輔助分析和設計工具才能實現。所以，通信系統仿真在通信系統工程設計中起著舉足輕重的作用。雖然軟件實驗不像硬件實驗那樣讓人感到“真實”，但對于許多通信問題的研究來說的確非常有效。與硬件實驗相比，軟件實驗具有如下一些優(yōu)點：(1) 軟件實驗具有廣泛的適應性和極好的靈活性。在硬件實驗中改變系統參數也許意味著要重做硬件，而在軟件實驗中則是改一、兩個數據，甚至只是在屏幕上按幾下鼠標。(2) 軟件實驗更有助于我們較為全面地研究通信系統。有許多問題，

16、通過硬件實驗來研究可能非常困難，但在軟件實驗中卻易于解決。（3）硬件實驗的精確度取決于元器件及工藝水平，軟件實驗的精度取決于CPU的運算速度或者說是程序的運算量。(4) 軟件實驗建設開發(fā)周期短，成本低。而且近年來，隨著計算機硬件性能的不斷提升和計算機軟件技術的飛速發(fā)展，利用計算機進行實驗系統仿真成為一種國際潮流。國內也逐步開始了這一方面的工作，并正取得積極的成果。第一章 MATLAB與通信仿真1.1 MATLAB簡介Matlab軟件系列產品是一套高效強大的工程技術數值運算和系統仿真軟件，廣泛應用于當今的航空航天、汽車制造、半導體創(chuàng)造、電子通信、醫(yī)學研究、財經研究和高等教育答領域，被譽為“巨人肩

17、膀上的工具”，研發(fā)人員借助Matlab軟件能迅速測試設計構想，綜合評測系統性能，快速設計出更好的方案來確保更高技術的要求。同時，Matlab也是國家教委重點提倡的一種計算工具。綜合起來，Matlab有以下幾個特點：（1）友好的工作平臺和編程環(huán)境Matlab由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用Matlab的函數和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括Matlab桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著Matlab的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，Matlab的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標準界面，人機交互性更強

18、，操作更簡單。而且新版本的Matlab提供了完整的聯機查詢、幫助系統，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調試系統，程序不必經過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現的錯誤及進行出錯原因分析。（2）簡單易用的程序語言Matlab一個高級的距陣/陣列語言，它包含控制語句、函數、數據結構、輸入和輸出和面向對象編程特點。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應用程序(M文件)后再一起運行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C語言基礎上的，因此語法特征與C語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數學表達式的書寫格式。使之更利于非計

19、算機專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強，這也是Matlab能夠深入到科學研究及工程計算各個領域的重要原因。（3）強大的科學計算機數據處理能力Matlab是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數學運算函數，可以方便的實現用戶所需的各種計算功能。函數中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C+ 。在計算要求相同的情況下，使用Matlab的編程工作量會大大減少。MATLAB的這些函數集合包括從最簡單最基本的函數到諸如距陣，特征向量、快速傅立葉變換的復雜函數。函數所能解決

20、的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數據的統計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復數的各種運算、三角函數和其他初等數學運算、多維數組操作以及建模動態(tài)仿真等。（4）出色的圖形處理功能Matlab自產生之日起就具有方便的數據可視化功能，以將向量和距陣用圖形表現出來，并且可以對圖形進行標注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖?？捎糜诳茖W計算和工程繪圖。新版本的Matlab對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使他不僅在一般數據可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善

21、，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數據的表現等），Matlab同樣表現了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，Matlab也有相應的功能函數，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的Matlab還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。（5）應用廣泛的模塊集合工具箱Matlab對許多專門的領域都開發(fā)了功能強大的模塊集和工具箱。一般來說，他們都是由特定領域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，Matlab已經把工具箱延伸到了科學研究和工

22、程應用的諸多領域，諸如數據采集、數據庫接口、概率統計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經網絡、小波分析、信號處理、圖像處理、系統辨識、控制系統設計、LMI控制、魯棒控制、模型預測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統開發(fā)、定點仿真、DSP與通訊、電力系統仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。（6）實用的程序接口和發(fā)布平臺新版本的Matlab可以利用Matlab編譯器和C/C+數學庫和圖形庫，將自己的Matlab程序自動轉換為獨立于Matlab運行的C和C+代碼。允許用戶編寫可以和Matlab進行交互的C或C語言程序。另

23、外，Matlab網頁服務程序還容許在Web應用中使用自己的Matlab數學和圖形程序。Matlab的一個重要特色就是他有一套程序擴展系統和一組稱之為工具箱的特殊應用子程序。工具箱是Matlab函數的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學科專業(yè)和應用而定制的，主要包括信號處理、控制系統、神經網絡、模糊邏輯、小波分析和系統仿真等方面的應用。（7）應用軟件開發(fā)（包括用戶界面）在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強大的圖形標注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5。1.2 通信仿真仿真

24、是衡量系統性能的工具，它通過仿真模型的仿真結果來推斷原系統的性能，從而為新系統的建立或原系統的改造提供可靠的參考。通過仿真，可以降低新系統失敗的可能性，消除系統中潛在的瓶頸，防止對系統中某些功能部件造成過量的負載，優(yōu)化系統的整體性能，因此，仿真是科學研究和工程建設中不可缺少的方法。實際的通信系統是一個功能結構相當復雜的系統，對這個系統做出的任何改變(如改變某個參數的設置、改變系統的結構等)都可能影響到整個系統的性能和穩(wěn)定。因此，在對原有的通信系統做出改進或建立一個新系統之前，通常需要對這個系統進行建模和仿真，通仿真結果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統配置和參數設置，然后再應用于實際系統中

25、。這個過程就是通信仿真。1.2.1 通信仿真的概念 通信仿真是衡量通信系統性能的工具。通信仿真可以分成離散事件仿真和連續(xù)仿真。在離散事件仿真中，仿真系統只對離散事件做出響應，而在連續(xù)仿真中，仿真系統對輸入信號產生連續(xù)的輸出信號。離散事件仿真是對實際通信系統的一種簡化，它的仿真建模比較簡單，整個仿真過程需要花費的時間也比連續(xù)仿真少。雖然離散事件仿真舍棄了一些仿真細節(jié)，在有些場合顯得不夠具體，但仍然是通信仿真的主要形式。與一般的仿真過程類似，在對通信系統實施仿真之前，首先需要研究通信系統的特性，通過歸納和抽象建立通信系統的仿真模型。圖11所示是關于通信系統仿真流程的一個示意圖。從圖中可以看到，通信

26、系統仿真是一個循環(huán)往復的過程，它從當前系統出發(fā)，通過分祈建立起一個能夠在一定程度上描述原通信系統的仿真模型，然后通過仿真實驗得到相關的數據。通過對仿真數據的分析可以得到相應的結論，然后把這個結論應用到對當前通信系統的改造中。如果改造后通信系統的性能并不像仿真結果那樣令人滿意，還需要重新實施通信系統仿真，這時候改造后的通信系統就成了當前系統，并且開始新一輪的通信系統仿真過程。當前系統仿真建模仿真實驗仿真分析結論分析改造后的系統實際系統 仿真系統圖1.1通信系統仿真流程圖1.2.2 通信仿真的基本步驟通信仿真系統一般分為3個步驟，即：仿真建模、仿真實驗和仿真分析。應該注意的是，通信仿真是一個螺旋式

27、發(fā)展的過程，因此這3個步驟可能需要循環(huán)執(zhí)行多次之后才能夠獲得令人滿意的仿真結果。1、仿真建模仿真建模是根據實際通信系統建立仿真模型的過程，它是整個通信仿真過程中的個關鍵步驟，因為仿真模型的好壞直接影響者仿真的結果以及仿真結果的真實性和可靠性。 仿真模型是對實際文件系統的一種模擬和抽象，但又不是完全的復制。簡單的仿真模型容易被理解和操作，但是由于它忽略了很多關于實際系統的細節(jié)，因而在一定程度上影響了仿真的可靠性。如果仿真模型比較復雜，雖然它是對實際系統的種忠實反映，但是其中包含了過多的相互作用因素，這些因素不僅需要消耗過多的仿真時間，而且使仿真結果的分析過程變的相當復雜。因此，仿真模型的建立需要

28、綜合考慮其可行性和簡單性。在仿真建模過程中，我們可以先建立一個相對簡單的仿真模型，然后再根據仿真結果和仿真過程的需要逐步增加仿真模型的復雜度。仿真模型一般是一個數學模型。數學模型有多種分類方式，包括確定性模型和隨機模型，靜態(tài)模型和動態(tài)模型。確定性模型的輸入變量和輸出變量都有固定數值，而在隨機模型中，至少有個輸入變量是隨機的。靜態(tài)模型個需要考慮時間變化因素，動態(tài)模型的輸入輸出變量則需要考慮時間變化因素。一般情況下通信仿真模型是一個隨機動態(tài)系統。在仿真建模過程中，首先需要分析實際系統存在的問題或設立系統改造的目標，并且把這些問題和目標轉化成數學變量和公式。例如，我們可以設定改造后系統或新系統在達到

29、系統最大容量時的誤碼率，或者是通信系統的最大呼損率，等等。有了這些具體的仿真目標之后，下一步是獲取實際通信系統的各種運行參數，如通信系統占用的帶寬及其頻率分布，系統對于特定的輸入信號產生的輸出等。同時，對于通信系統中的各個隨機變量，可以采集這些變量的數據，然后通過數學工具來確定隨機變量的分布特性。有了上面的準備工作，下一步就可以通過仿真軟件來建造仿真模型了。最簡單的工具是采用c語言等編程工具直接編寫仿真程序，這種方法的優(yōu)點是效率高，缺點則是不夠靈活，沒有一個易于實現的人機交互界面，不便于對仿真結果進行分析。除此之外，還可以采用專門的仿真軟件建造仿真模型，比較常用的仿真軟件包括Matlab、0P

30、NET、NS2等，這些軟件具有各自不同的特點，適用于不同層次的通信仿真。例如，物理層仿真通常采用Matlab，而網絡層仿真則適用采用0PNET。在完成仿真模型的軟件實現之后，還需要對這個仿真模型的有效性進行初步的驗證。一種簡便的驗證方法是采用特定的已知輸入信號，這個輸入信號分別通過仿真模型和實際系統，產生兩種輸出信號。如果仿真模型的輸出信號與實際系統的輸出信號比較吻合，說明這個仿真模型與原系統具有較好的相似性。當這兩種輸出信號差別很大時，最好先檢查一下仿真模型的內部連接和設置，找出造成這種差異的原因。仿真建模的最后一步是做好仿真模型的文檔工作，這是最容易被大家忽略的。很多情況下，我們在完成系統

31、的設計之后就迫不及待地運行仿真程序，待發(fā)現仿真結果與預期目標相差甚遠時才回過頭來焦頭爛額地檢查仿真模型的內部結構。這時候，往往原先的很多參數設置和條件假設都變得不可理解，這非常不利于修改多數和結構，不利于找錯和排錯。2、仿真實驗仿真實驗是一個或一系列針對仿真模型的測試。在仿真實驗過程中，通常需要多次改變仿真模型輸入信號的數值，以觀察和分析仿真模型對這些輸入信號的反應，以及仿真系統在這個過程中表現出來的性能。需要強調的一點是，仿真過程中使用的輸入數據必須具有一定的代表性，即能夠從各個角度顯著地改變仿真輸出信號的數值。 實施仿真之前需要確定的另外一個因素是性能尺度。性能尺度指的是能夠衡量仿真過程中

32、系統性能的輸出信號的數值(或根據輸出信號計算得到的數值)，因此，在實施仿真之前，首先需要確定仿真過程中應該收集哪些仿真數據，這些數據以什么樣的格式存在，以及收集多少數據。 在明確了仿真系統對輸入信號和輸出信號的要求之后，最好把這些設置整理成一份簡單的文檔。編寫文檔是一個好習慣，它能夠幫助我們回億起仿真設計過程的一些細節(jié)。當然，文檔的編寫不一定要求很規(guī)范，并且文檔大小應該視仿真設計的規(guī)模而定。 最后，還應該明確各個輸入信號的初始設置以及仿真系統內部各個狀態(tài)的初姑值。仿真的運行實際上是計算機的計算過程，這個過程一般不需要人工干預，花費的時間由仿真的復雜度確定。如果需要比較仿真系統在不同參數設置下的

33、性能，應該使仿真系統在取不同參數值時具有相同的輸入信號(或相同的隨機輸入信號)，這樣才能夠保證分析和比較的客觀性和可靠性。對于需要較長時間的仿真，應該盡可能地使用批處理方式，使得仿真過程在完成種參數配置的仿真之后能夠自動啟動針對下個參數配置下個仿真。這種方式減少了仿真過程中的人工下頸，提高了系統利用率利仿真效率。3、仿真分析 仿真分析是個通信仿真流程中的最后個步驟。在仿真分析過程個，用戶已經從仿真過程中獲得了足夠多的關于系統件能的信息，這是這些信息只是一些原始數據，一般還需要經過數值分析和處理才能夠獲得衡量系統性能的尺度，從而獲得對仿真系統件能的一個總體評價。常用的系統性能尺度包括平均值、方差

34、、標準差、最大值和最小值等，它們從不同的角度描繪了仿真系統的性能。 如果仿真過程需要一定的時間才能夠達到平衡狀態(tài)，在對輸出數據進行分析和處理時一般要忽略最初的若干個數據，而只考慮平衡之后的輸出。對于仿真尺度不隨時間變化的平衡系統(Stationary System)，還可能涉及到對輸出變量穩(wěn)定狀態(tài)的求解。 另外一個需要注意的地方是，即使仿真過程中收集的數據正確無誤，由此得到的仿真結果并不一定就是難確的。造成這種結果的原因可能是輸入信號恰好與仿真系統的內部特性相吻合，或者輸入的隨機信號不具有足夠的代表性。圖表是最簡潔的說明工具，它具有很強的直觀性，便于分析和比較，因此仿真結果一般繪制成圖表形式。

35、我們使用的仿真工具股都具有很強的繪圖功能，能夠便捷的繪制各種類型的圖表。以上就是通信仿真的一個循環(huán)。應該強調的是，仿真分析并不定意味著通信仿真過程的完全結束。如果仿真分析得到的結果達不到預期的目標，用戶還需要重新修改通信仿真模型，這時候仿真分析就成為了另外一個循環(huán)的開始。1.2.3 通信系統仿真的重要作用在過去的幾十年里，通信和信號處理系統的復雜程度顯著地提高了。與此同時出現了一系列新的技術，如用于數字信號處理的價格不高但速度很快的硬件、光纖光學器件、集成光學設備和單片微波集成電路，這些對通信系統的實現均有重要影響。通信系統復雜度的提高使得用來分析和設計系統的時間和精力也相應提高了，然而在商用

36、產品中引入新技術要求設計能做到短時、高效、省力，而這些要求只有通過使用強大的計算機輔助分析和設計工具才能實現。所以，通信系統仿真在通信系統工程設計中起著舉足輕重的作用。1.3 通信系統仿真問題的提出、研究價值及研究現狀1.3.1 通信系統仿真問題的提出通信系統的性能可以用基于公式的計算方法、波形級仿真或通過硬件樣機研究和測量來估計得到。以簡化模型為基礎的公式法只能應用于一些理想化和過于簡單的例子，要想估計出復雜通信系統的性能是非常困難的。基于測量的性能估計方法通常代價很高，并且很不靈活。用基于仿真的方法來估計性能時，系統可以用任何所期待的細節(jié)(主觀的，當然有一定局限)來模擬。與公式法或測量法相

37、比較，仿真的方法能更好的利用設計空間，很容易將數字和經驗模型結合起來，并結合設備和真實信號的特點進行分析和設計。1.3.2 通信系統仿真問題的研究價值通信系統仿真實質上就是把硬件實驗搬進了計算機，可以把它看成是一種軟件實驗。在硬件實驗系統中，用各種電子元器件制作出通信系統中的理論模型所規(guī)定的各個模塊，再把它們通過導線或電纜等接在一起，然后再用示波器、頻譜議、誤碼儀等通信儀表做各種測量，最后分析測量結果。在軟件實驗中我們也是這樣做，只不過所有通信模塊及通信儀表的功能都是用程序來實現的，通信系統的全過程在計算機中仿真運行。雖然軟件實驗不像硬件實驗那樣讓人感到“真實”，但對于許多通信問題的研究來說的

38、確非常有效。與硬件實驗相比，軟件實驗具有如下一些優(yōu)點：(1) 軟件實驗具有廣泛的適應性和極好的靈活性。在硬件實驗中改變系統參數也許意味著要重做硬件，而在軟件實驗中則是改一、兩個數據，甚至只是在屏幕上按幾下鼠標。(2) 軟件實驗更有助于我們較為全面地研究通信系統。有許多問題，通過硬件實驗來研究可能非常困難，但在軟件實驗中卻易于解決。（3）硬件實驗的精確度取決于元器件及工藝水平，軟件實驗的精度取決于CPU的運算速度或者說是程序的運算量。(4) 軟件實驗建設開發(fā)周期短，成本低。1.3.3 通信系統仿真問題的研究現狀計算機輔助分析和設計技術發(fā)展十分迅速，出現了大量實用仿真軟件與工具，并應用于通信系統建

39、模，分析和設計，使得通信系統仿真發(fā)展很快。計算機輔助技術基本上有兩大類，一是基于公式的方法，用計算機計算復雜的公式：二是用計算機仿真系統的信號波形，即波形級仿真。通信系統仿真應用到了通信系統工程設計的各個階段，無論是從早期的概念設計，還是實現、測試、使用等各個階段。在概念定義階段，通信系統仿真獲得頂層指標；在接下來的設計和研發(fā)中，通信系統仿真確定硬件研發(fā)的指標，檢驗已完成子系統對整個系統性能的影響；在運行階段，通信系統仿真可以用來確定解決問題的方法；通信系統仿真還可以預測系統的使用壽命?，F代計算機軟硬件技術的快速發(fā)展，新一代的可視化的仿真軟件的使用使得通信系統仿真的設計和分析過程變得相對直觀和

40、便捷，推動了通信系統仿真的快速發(fā)展。1.4 本論文的主要研究內容現代社會發(fā)展要求通信系統功能越來越強，性能越來越高，構成越來越復雜；另一方面，要求通信系統技術研究和產品開發(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。通信系統仿真貫穿通信系統工程設計的全過程，對通信系統的發(fā)展起著舉足輕重的作用。本論文針對通信系統仿真的研究主要做了以下的工作：(1) 介紹了通信系統仿真的相關內容，包括通信系統仿真的一般步驟、Matlab中的一種可視化仿真工具Simulink以及S-函數的相關概念。(2) 對通信系統中的主要環(huán)節(jié)，包括通信系統信

41、道、噪聲、模擬信號的數字傳輸系統、信道編碼以及信號調制的原理、方法和過程進行了詳細的闡述。(3) 在理解通信系統理論的基礎上，利用Matlab強大的仿真功能，設計了具體的通信系統模型。在模型的設計過程，對模型設計的目的、具體的結構組成、仿真流程以及仿真結果都給出了具體詳實的說明和分析。第二章 simulink入門simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，廣泛應用于線性系統、數字控制、非線性系統以及數字信號處理的建模和仿真中。simulink采用模塊化方式，每個模塊都有自己的輸入輸出端口，實現一定的功能。在simulink中，仿真模型表現為若干個仿真模塊的集合以及這些模塊之間的連接關

42、系，這就使得仿真的設計和分析過程變得相對直觀和便捷，同時有利于仿真模型的擴充。2.1 simulink簡介動態(tài)系統是輸出信號隨時間變化的系統。要描述這種系統的特性，傳統的建模方法是先對系統的輸入信號和輸出信號進行分析，得到它們的系統方程，然后編寫程序進行仿真。這種仿真方法有兩個缺點：首先是不夠直觀，缺乏足夠的人機交互。由于所有的輸入信號和輸出信號都被抽象成數值之間的關系，仿真表現為一種計算過程，因此難以對仿真的過程進行控制，也難以對仿真的輸出數據進行直觀的描述和分析。另外，這種方法缺乏系統性，尤其是在對復雜系統的處理過程中，難以采用模塊化方法，從而降低了仿真程序的可讀性和可擴展性。simuli

43、nk是Matlab提供的用于對動態(tài)系統進行建模、仿真和分析的工具包。simulink提供了專門用于顯示輸出信號的模塊，可以在仿真過程中隨時觀察仿真結果。同時，通過simulink的存儲模塊，仿真數據可以方便地以各種形式保存到工作區(qū)或文件中，供用戶在仿真結束之后對數據進行分析和處理。另外，simulink把具有特定功能的代碼組織成模塊的方式，并且這些模塊可以組織成具有等級結構的子系統，因此具有內在的模塊化設計要求。基于上述優(yōu)點，simulink稱為一種通用的仿真建模工具，廣泛應用于通信仿真、數字信號處理、模糊邏輯、神經網絡、機械控制和虛擬現實等領域。根據輸出信號與輸入信號的關系，simulink

44、提供3種類型的模塊：連續(xù)模塊、離散模塊和混合模塊。連續(xù)模塊是指輸出信號隨著輸入信號發(fā)生連續(xù)變化的模塊，離散模塊則是輸出信號以固定間隔變化的模塊。對于連續(xù)模塊，simulink采用積分方式計算輸出信號的數值，因此，連續(xù)模塊主要涉及導數的計算及其積分。離散模塊的輸出信號在下一個抽樣時刻到來之前保持恒定，這時simulink只需以一定的間隔計算輸出信號的數值?；旌夏K是根據輸入信號的類型來確定輸出信號類型的，它既能夠產生連續(xù)輸出信號，也能夠產生離散輸出信號。2.2 simulink的工作環(huán)境當采用simulink進行建模和仿真時，一般是從simulink模型庫中提供的模塊出發(fā)，通過組合各種模塊來完成

45、模塊的設計。simulink模型庫提供了一種模塊的集成環(huán)境，通過它可以快速地開發(fā)各種仿真模型。2.2.1 simulink的模型庫在matlab的工作區(qū)中輸入“simulink”或是單擊matlab工具欄上的，就進入如2-1圖所示的模型庫界面圖2.1 simulink 模型庫simulink模型庫中的仿真模塊組織成個三級樹型結構，例如，圖21所示：Smulink于模型庫包含了Continuous、Discontinuities、Discrete等下一級的模型庫，其中Continuous模型庫中包含了若干個模塊，這些模塊可以直接加入到自己的仿真模型中。2.2.2 設計仿真模型在matlab或si

46、mulink窗口的工具欄中依次選擇“file”“new”“model”，自動生成一個空白的仿真模型模型窗口，如圖2-2所示圖2.2 空白仿真模型 在設計仿真模型的過程中，如果在simulink模型庫中包含了仿真模型所需的模塊，則在simulink模型庫中選中這個模塊，單擊鼠標右鍵，從浮動菜單中選擇“Add to untitled”(或直接把模塊拖到仿真模型中)，這時候就把這個選中的模塊加入到仿真模型中了。 simulink模型庫窗口提供了模塊查找功能。在simulink模型庫窗口的工具欄上單擊按鈕，彈出如圖23所示的模塊查找對話框。輸入所需查找的模塊名稱的關鍵字，單擊“find Next”按鈕

47、，則simulink自動搜索整個模型庫。圖2.3 simulink搜索模型 simulink模型庫中的模塊一般具有各種參數設置。在仿真模型窗口中雙擊模塊，彈出該模塊的參數設置對話框，這時候可以修改模塊中各個參數的數值。通常情況下，仿真模塊的設計過程就是對simulink模型庫中各個模塊的一種組合。如果simulink模型庫中沒有所需的模塊，這時候可以通過s函數構造自己的模塊，并且把這個模塊與其他simulink模塊合起來，實現相應的仿真功能。關于S函數的內容，將在后面進行詳細論述。2.2.3 運行仿真仿真模型有兩種運行方式：菜單方式和命令行方式。在simulink中打開仿真模型，然后在菜單欄中

48、依次選擇“simulation”“start”，或者在工具欄上單擊缺鈕，則仿真模型將以菜單方式運行。菜單方式的優(yōu)點在于它的交互性，通過在仿真模型中設置示波器模塊(Scope)或顯示模塊(Display)可以在仿真過程中觀察輸出信號的數值。同時，有些仿真模塊還允許用戶在不中斷仿真進程的條件下隨時更改模塊的參數設置。命令行方式一般用于執(zhí)行批處理方式的仿真，它是通過MATLAB命令“sim”啟動仿真進程，例如，在matlab工作區(qū)中輸入“sim (rayleighfading)”命令后，simulink開始運行仿真模型rayleighfading。如果需要多次運行仿真程序，可以把這些命令編寫成個M文

49、件，然后在matlab工作區(qū)中執(zhí)行這個M文件就可以了。用命令行方式啟動仿真模型后，simulink并不自動打開相應的模型，因此不能直接觀察仿真的進程，但是仍然可以通過各種顯示不模塊觀察輸出信號。matlab把工作區(qū)和simulink集成在一起，因此仿真模型的兩種運行方式可以交互使用。一般情況下，仿真結果保存到上作區(qū)中，用戶可以在仿真結束之后對仿真結果進行分析和加工，并且根據仿真數據繪制各種圖表。2.2.4 建立子系統 在Simulink中，若干個仿真模塊可以組合起來構成個子系統(subsystem)，以減少每個仿真模型窗口中顯示的仿真模塊的數日。采用子系統的另外一個好處是可以把復雜的仿真模型按

50、照功能關系組織成等級結構，使得每個子系統都是個相對獨立的功能實體，這些子系統組合起來構成一個功能更強的子系統。 Simulink子系統可以按照自頂向下的方式進行構造。首先，在仿真模型中添加一個子系統模塊(subsystem)，設置這個子系統模塊的名稱，然后雙擊該模塊，待打開該模塊之后就可以對子系統的功能進行設計了。子系統的輸入、輸出分別由Simulink模型庫中的輸入端口模塊(in)和輸出端口模塊(out)構造，在設計子系統的過程中可以根據需要添加若干個這樣的輸入輸出模塊。 另外個構造子系統的方法是自底向上，即先在同個窗門中添加各個Simulink模塊，當模塊的數目增加到一定的限度時，可以選中

51、其中若干個模塊(按住shift鍵后單擊各個需要組合的模塊)，然后單擊鼠標右鍵，在彈出的菜單中選擇Create Subsystem，這時候就創(chuàng)建了一個子系統，并且Simulink自動為這個于系統設置了輸入端口和輸出端口。在Simulink中，子系統和輸入、輸出端口的名稱都可以由用戶自行設置。 子系統的命名方式類似于系統目錄的命名，每個子系統的名稱是它所在上一級系統名稱與子系統名稱的組合，中間以反斜杠(“”)分隔。例如，“preject5_1source”，表示preject5_1模型中名為source的子系統。用戶可以設置子系統在雙擊之后的打開萬式。選擇菜單欄上的“file”“Preferenc

52、es”命令打開如圖24所示的對話柜，在左邊的列表框中選擇“Simulink”，這時候可以在右邊面板的“window reuse”下拉列表中選擇所需的方式。圖2.4 matlab的preferences對話框如果把“window reuse”設置為“none”，雙擊子系統時，simulink在新窗口中打開子系統，原窗口保持不變：如果“window reuse”設置為“reuse”，simulink在當前窗口中打開子系統：如果“window reuse”設置為“replace”，simulink在新窗口中打開子系統，同時原窗口消失：如果“window reuse”設置為“mixed”，simuli

53、nk在新窗口中打開子系統，同時保持原窗口不變，這種方式與none的差別在于，當在于系統中選擇菜單欄上的“VIew”“go to parent”命令返回上一級系統時，none方式中這個子系統窗口不會消失，而mixer方式的子系統窗口被自動隱藏。2.2.5 封裝子系統simulink模塊庫中的每一個模塊部有它獨特的圖標和參數設置對話框。對于用戶自己創(chuàng)建的子系統，也可以通過simulink來設置該模塊的圖標和參數。選中某個子系統，單擊右鍵后從彈出式菜單中選擇“Mask subsynem”，這時候就創(chuàng)建了一個封裝子系統(Masked subsynem)。需要注意的是，對于一個已經被封裝的子系統，它的M

54、ask subsynem命令無效。 子系統轉化成封裝子系統之后，simulink彈出一個封裝編輯器對話框，這時候可以設置封裝子系統的圖標和模塊參數。封裝編輯器共有4個屬性頁，分別用與設置模塊的圖標、參數、初始化代碼以及文檔信息。在Icon屬性頁中，讀者可以設置模塊的外觀屬性，并且可以在Drawing commands編輯框中輸入代碼，以繪制模塊的圖標。我們可以通過MATLAB命令行“disp(source)”在模塊中顯示一行文字“Source”。 通過Parameters屬性頁我們可以設置封裝子系統的白定義參數，這些參數將出現在封裝子系統的參數設置對話框中。對于每一個自定義參數，它有一個用于在

55、參數設置對話框中顯示的名稱(prompt)和個變量名稱。每個自定義參數可以通過編輯框(edit)、復選框(checkbox)或者是下拉列表(Popup)設置參數值。如果選擇了Evaluate復選框，則該參數的輸入將自動轉化成數值傳遞給相應的變量；否則，simulink自動把字符串傳遞給這個變量。如果選擇了tunable復選框，則該參數的數值可以在仿真過程中動態(tài)改變。例如，對于名為samples Per symbl的白定義參數，它的內部變量名為samples Per symbl，用戶可以通過下拉列表“popup”來選擇該參數的數值2、3或4，同時simulink傳遞給變量samples Per

56、symbl個數值，并且該參數可以在仿真過程中動態(tài)改變。2.3 S函數及其簡介S-函數是系統函數（System-functions）的簡稱。在很多情況下，Simulink 模型庫（Simulink Library）中的模塊不能完全滿足用戶的要求，這時候需要由用戶自己來編寫相應的代碼。M文件雖然能夠用來編寫 MATLAB 函數代碼，但是它不具備與 Simulink 的接口，因此難以與Simulink其他模塊一起使用。S-函數則提供了函數代碼與 Simulink之間的接口，使得用戶編寫的代碼既能夠像 Simulink 模型庫中的模塊那樣具有統一的仿真接口，同時能夠實。各種靈活的控制和計算功能。從這個

57、意義上說，S-函數是對 Simulink模塊庫功能的擴展。S-函數的代碼既可以用 MATLAB 語言編寫，也可以用其他通用的編程語言（如 C、C+、Ada 或 Fortran等）編寫，后者具有更強的控制能力，它們被編譯成 MEX（MATLAB EXecutable）文件，并且在仿真過程中動態(tài)裝載。 通過 S-函數可以方便地編寫仿真代碼以創(chuàng)建自己的 Simulink模塊，因此，S-函數是對Simulink模塊庫功能的擴展。根據S-函數代碼使用的編程語言，S-函數可以分成 M 文件 S-函數（即用MATLAB語言編寫的 S-函數）、C語言 S-函數、C+語言S-函數、Ada語言S-函數以及Fort

58、ran語言S-函數等。通過 S-函數創(chuàng)建的模塊具有與 Simulink模型庫中的模塊相同的特征，它可以與 Simulink求解器進行交互，支持連續(xù)狀態(tài)和離散狀態(tài)模型。2.3.1 S函數工作原理每個Simulink模塊都可以表示成輸入信號 x、輸入信號y以及內部狀態(tài)u之間的關系，如圖 3-1 所示。 內部狀態(tài)u輸出y輸入x圖2.5 simulink模塊基本模型在某個時刻t，Simulink 模塊的內部狀態(tài)u由兩部分組成：連續(xù)狀態(tài)和離散狀態(tài)，且u=+，此時輸出信號，連續(xù)狀態(tài)的導數，離散狀態(tài)。Simulink根據連續(xù)狀態(tài)導數方程進行積分運算，得到各個連續(xù)狀態(tài)的數值，同時通過離散狀態(tài)方程計算離散狀態(tài)的

59、當前值。這樣，Simulink就可以得到各個時刻的狀態(tài)及其輸出信號，實現對仿真結果的求解。 在仿真過程中，每個 Simulink模塊的執(zhí)行過程可以分成 3 個階段：初始化階段、仿真循環(huán)階段和仿真結束階段。在初始化階段，Simulink把各個模塊調入內存，檢查模塊的數據類型和長度，設置仿真時間間隔，制訂仿真模塊的執(zhí)行順序，以及內存分配。在仿真循環(huán)階段，Simulink按照初始化階段制定的順序依次執(zhí)行各個模塊，計算當前時刻的離散狀態(tài)和輸出信號，以小步長積分的方式計算各個連續(xù)狀態(tài)的數值以及由此產生的輸出。這個過程一直持續(xù)到仿真過程結束，然后Simulink進入仿真結束階段，清理各種已經分配的資源，同

60、時保存仿真過程中產生的數據。初始化計算下一個抽樣時間更新離散狀態(tài)計算過零點計算連續(xù)狀態(tài)導數計算連續(xù)狀態(tài)導數計算輸出信號循 環(huán) 仿 真仿真結束圖2.6 simulink模塊仿真流程對應于仿真流程中的每一個步驟，Simulink中的S-函數調用預先設定的函數來實現相應的功能。例如，我們可以編寫一個mdlInitializeSizes函數實現S-函數的初始化操作，通過mdlDerivatives和mdlUpdate函數在每一個抽樣時刻分別計算連續(xù)狀態(tài)變量的導數和更新離散狀態(tài)的數值，在mdlOutputs函數中計算S-函數的輸出信號等。需要指出的是，這些函數的名稱都可以由用戶自己設定。用戶需要在S-函

61、數的主體部分對這些函數進行注冊，Simulink通過回調函數（Callback Function）的方式在不同事件發(fā)生的時候調用相應的函數。 2.3.2 S函數基本概念在編寫S-函數的時候經常涉及到的概念有3個：直接反饋（Direct feedthrough）、可變長度輸入（Dynamically sized inputs）以及抽樣時刻和偏移（Setting sample times and offsets），它們是編寫S-函數的基礎。1 直接反饋 簡單說來，直接反饋（Direct feedthrough）指的是輸入信號是否直接影響著輸出信號和仿真的抽樣時間。在計算S-函數輸出信號的過程中，如果輸出信號（包括仿真過程中繪制的圖形）是輸入信號的函數，那么這個S-函數存在直接反饋。同樣地，如果在可變步長的仿真過程中，S-函數的輸入信號影響著對下一個仿真時刻的計算，這個S-函數也存在直接反饋。Simulink根據模塊中的S-函數是否存在直接反饋來確定仿真模型中各個模塊的執(zhí)行順序。如果S-函數不存在直接反饋，在計算該模塊的輸出信號時這個模塊就可以不等待前一個模塊的輸出信號，因而有可能先于前面的模塊執(zhí)行。在編寫S-函數的過程中，首要的是確