1、基于MATLAB的通信系統傳輸信道性能仿真研究畢業設計 1 緒論 通信就是把信息從一地有效地傳遞到另一地,及消息傳遞的全過程。通信是由通信系統來實現的,通信系統是只完成信息傳遞的傳輸介質和全部設備的總稱。現代通信系統主要借助電磁波在自由空間的傳播或在導引媒體中的傳輸機理來實現,前者稱為無線通信系統,后者稱為有線通信系統。1.1 課題的研究背景及意義1.1.1 通信系統研究背景實際的通信系統是一個功能結構相當復雜的系統,對這個系統作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定。因此,在對原有的通信系統作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

2、仿真,通過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,這個過程就是通信系統仿真1。 在通信技術快速發展的今天,人們對通信系統的性能以及造價都提出了比較高的要求,于是通信仿真便應運而生。仿真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。現代計算機科學技術快速發展,已經研發出了新一代的可視化的仿真軟件。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展2。通過仿真.可以降低新系統失敗的可能性,消除系統中潛在的弊端,防止對系

3、統中某些功能部件造成過量的負載,優化系統的整體性能,因此,仿真是科學研究和工程建設中不可缺少的方法。 計算機輔助分析和設計技術發展十分迅速,出現了大量實用仿真軟件與工具,并應用于通信系統建模、分析和設計,使得通信系統仿真發展很快。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。 現代計算機軟硬件技術的快速發展,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便捷,推動了通信系統仿真的快速發展。1.1.2 通信系統仿真的意義 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,

4、還是實現,測試,使用等各個階段。在概念定義階段,通信系統仿真獲得項層指標;在接下來的設計和研發中,通信系統仿真確定硬件研發的指標,檢驗己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。 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定的各個模塊,再把它們通過導線或電纜等接在一起,然后用示波囂、頻譜議、誤碼儀等通信儀表得到各種測量,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,

5、通信系統的全過程在計算機中仿真運行。與硬件實驗相比,軟件實驗具有如下一些優點: 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昧著要重傲硬件,而在軟件實驗中是改一、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 軟件實驗建設開發周期短,成本低。 隨著通信和信號處理系統的復雜程度的提高,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

6、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,通信系統仿真為通信網絡的發展提供了強有力的支持,在通信系統工程設計中起著舉足輕重的作用。1.1.3 通信系統仿真流程 與一股的仿真過程類似,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1.1是關于通信系統仿真流程的一個示意圖3。 圖1.1 通信系統仿真的流程1.1.4 通

7、信技術發展現狀和趨勢 進入20世紀以來,隨著晶體管、集成電路的出現與普及、無線通信迅速發展。特別是在20世紀后半葉,隨著人造地球衛星的發射,大規模集成電路、電子計算機和光導纖維等現代技術成果的問世,通信技術在以下幾個不同方向都取得了巨大的成功。 1. 微波中繼通信使長距離、大容量的通信成為了現實。 2. 移動通信和衛星通信的出現,使人們隨時隨地可通信的愿望可以實現。 3. 光導纖維的出現更是將通信容量提高到了以前無法想象的地步。 4. 電子計算機的出現將通信技術推上了更高的層次,借助現代電信網和計算機的融合,人們將世界變成了地球村。 5. 微電子技術的發展,使通信終端的體積越來越小,成本越來越

8、低,范圍越來越廣。 隨著科學技術的進步,人們對通信的要求越來越高,各種技術會不斷地應用于通信領域,各種新的通信業務將不斷地被開發出來。1.2 通信系統的基本內容1.2.1 通信系統簡介 通信系統是用以完成信息傳輸過程的技術系統總稱。現代通信系統主要借助電磁波在自由空間的傳播或在導引媒體中的傳輸機理來實現。前者稱為無線通信系統,后者稱為有限通信系統。當電磁波的波長達到光波范圍時,這樣的通信系統稱為光通信系統,其他電磁波范圍的通信系統則稱為電磁通信系統,簡稱為電信系統。由于光的導引媒體采用特制的玻璃纖維,因此有線光通信系統又稱光纖通信系統4。一般電磁波的導引媒體是導線,按其具體結構可分為電纜通信系

9、統和明線通信系統;無線電通信系統按其電磁波的波長則有微波通信系統與短波通信系統之分。另一方面,按照通信業務的不同,通信系統又可分為 通信系統、數據通信系統、 通信系統和圖像通信系統等。由于人們對通信的容量要求越來越高,對通信的業務要求越來越多樣化,所以通信系統正迅速向著寬帶化方向發展,而光纖通信系統將在通信網中發揮越來越重要的作用。1.2.2 基本的通信系統基本的通信系統一般由信源、信宿(收信者)、發端設備、收端設備和傳輸媒介等組成。圖 1.2 通信系統的基本模型信源(信息源):信息的發出者,通常將信息轉化為基帶信號的電路。可分為模擬信源和離散信源。發送設備:匹配信源與傳輸媒介,調制,功率放大

10、,以及各種信號處理功能。傳輸設備:信號的傳輸媒介,可稱為信道。接收設備:發送設備的逆過程,小信號放大,解調。信宿:消息的接收者,將基帶型號轉化為信息的電路。噪聲源:信號傳輸時所受的干擾,信道的噪聲。通信設備的噪聲,電源噪聲,干擾統稱為噪聲。 通信系統的分類:按業務分為 通信系統,數據通信系統,電報通信系統,圖像通信系統等。按傳輸媒介分為:有線和無線通信系統。有線通信系統包括光纖通信,電纜通信等;無線通信包括移動通信,微博接力通信,衛星通信等。按信號特征分類:按照信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號,可相應地吧通信系統分為模擬通信系統和數字通信系統。按照信道中傳輸的信號是否經過調制,可將通信系統分

11、為基帶傳輸和頻帶傳輸系統5。基帶傳輸系統是將未調制的信號直接傳輸;頻帶傳輸是將基帶信號經調制后送入信道傳輸。按通信復用方式分類,通信系統有頻分復用(FDM通信系統,時分復用(TDM通信系統,碼分復用(CDMA通信系統。 通信方式分為:單工方式,半雙工方式,全雙工方式通信。 評價一個通信系統,往往要設計到很多性能指標。但要從研究信息傳輸方面考慮,通信的有效性和可靠性是通信系統中最主要的性能指標。有效性是指信息傳輸的“速度”問題,而可靠性主要是指信息傳輸的“質量”問題。有效性和可靠性相互矛盾又相互聯系。提高有效性降低可靠性,反之亦然。因此在設計通信系統時,對二者應統籌考慮6。1.2.3 數字通信系

12、統 按信道中傳輸的是模擬信號還是數字信號,可相應的將通信系通分為模擬通信系統和數字通信系統。圖 1.3 數字通信系統的模型 信源和信宿:信源的作用是將信息轉化為原始電信號,完成非電/電的轉換。信宿的作用是將原始的電信號還原為信息,完成電/非電的轉換。 信源編碼和信源解碼:信源編碼器對原始電信號進行數字化編碼(A/D變換),數據壓縮,以減少數據的冗余量。信源解碼是信源編碼的逆過程。 信道編碼和信道解碼:數字信號在信道中傳輸時,要受到噪聲干擾,會引起差錯。為使數字信號適應信道所進行的變換稱為信道編碼。信道編碼的目的就是提高通信系統的抗干擾能力,盡量控制差錯,保證通信質量。信道解碼是信道編碼的反變換

13、。 調制和解調:調制是將原始電信號變換成適合在信道中傳輸的信號。解調是反變換。 信道:信號傳輸的通道。信道分為有線信道和無線信道。數字通信系統的性能指標:1 有效性用碼元速率,信息速率及系統頻帶利用率則三個性能指標來描述。(1)碼元速率RB又稱馬原傳輸速率或傳碼率。它被定義為每秒所傳輸的碼元數目,單位為波特,常用符號Baud表示。(2)信息速率Rb又稱信息傳輸速率或數據傳輸率。它被定義為每秒所傳輸的信息量,單位為比特/秒,或記為bit/s。(3)系統頻帶利用率是一個系統效率的指標。在比較兩個通信系統的有效性時,僅從傳輸速率上衡量是不夠的,還應衡量系統所占頻帶的大小。2 可靠性主要用誤碼率Pe誤

14、信率Pb來衡量。誤碼率是指通信過程中,通信系統傳輸錯誤碼元的數量與所傳輸的總碼元數量之比,也就是傳錯碼元的概率。誤信率又稱誤信息率、誤比特率,是指錯誤接受的信息量與傳輸的總信息量的比值。1.2.4 模擬通信系統 區別于數字通信系統,模擬通信系統少了信源編碼和信源解碼,信道編碼和信道解碼。 圖 1.4 模擬通信系統模型 在模擬通信系統中:有效性是利用信息傳輸速度或者有效頻帶來衡量。同樣的消息采用不同的調制方式,則需要不同的頻帶寬度。頻帶寬度越窄,則對頻帶的有效(利用)性越好。可靠性是用接收端輸出的信噪比(輸出信號平均功率與噪聲平均功率的比值)來衡量7。信噪比越高,通信質量越好。1.3 本論文的主

15、要研究內容本文對通信系統的仿真研究主要做了一下的工作:介紹了通信系統仿真的基本概念和仿真的相關內容,其中包括通信系統仿真的一般步驟,matlab的一種可視化的仿真工具simulink以及對matlab模型庫進行擴展的s函數的相關概念。對通信系統模型中的主要環節,包括通信系統信道、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、方法和過程都進行了詳細的介紹。(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。在具體模型的設計過程中,對模型的組成機構,仿真流程以及仿真結果的分析都做了詳細的闡述。1.4 本章小結 本章首先介紹了通信系統的基本內容,其

16、次介紹了通信系統仿真的研究背景和意義,最后對本論文要研究的內容作了說明。2 通信系統仿真基本內容2.1 通信系統仿真的基本步驟 通信系統仿真一般可分為三個步驟,分別是仿真建模,仿真實驗,仿真分析。由于現代通信系統功能越來越強,通信系統仿真的過程需要這三個步驟循環往復執行多次才能得到滿意的效果。2.1.1 仿真建模 仿真模型是對實際系統的一種模擬和抽象,但又不是完全的復制。因此,仿真模型的建立需要綜合考慮其可行性和簡單性。仿真模型一般是一個數學模型,有多種分類方式,包括確定性模型和隨機模型,靜態模型和動態模型。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,至少有一個輸入變量是隨機的

17、。靜態模型不需要考慮時間變化因素,動態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,通信系統模型是一個隨機動態系統8。 在仿真建模開始時,首先需要分析系統實際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。有了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系數。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,通過數學工具來確定隨機變量的分布特性,然后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,還可以采用專門的仿真軟件包括MATLAB,OPENT ,NS2 等,這些軟件具有各自不同的特點,適用于不

18、同層次的通信仿真。2.1.2仿真實驗 仿真實驗是一個或一系列對仿真模型的測試。仿真過程中使用的輸人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9。 在仿真實驗過程中,通常需要多次改變仿真輸入信號的數據,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。 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10。 在明確了仿真系統對輸入信號和輸出信號的要

19、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,它能夠幫助人們回憶起仿真設計過程的一些細節。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的初始值。 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,這樣才能夠保證分析和比較的客觀性和可靠性。2.1.3 仿真分析 仿真分析是一個通信仿真流程中的最后一個步驟。在仿真分析過程中,用戶已經從仿真過程中獲得了足夠多的關于系統性能的信息,但是這些信息只是一些原始數據,需要經過數值分析和

20、處理才能夠獲得衡量系統性能的尺度11。常用的系統性能尺度包括平均值、方差、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。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準確的,因為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,仿真分析的結果一般都繪制成圖表形式。我們使用的仿真工具一般都具有很強的繪圖功能,能夠便捷地繪制各種類型的圖表。2.2 MATLAB/Simulink簡介2.2.1 MATLAB介紹 MATLAB是矩陣實驗室(

21、Matrix Laboratory),是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件,用于算法開發,數據可視化,數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境,主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。 美國Mathworks公司于1967年推出了矩陣實驗室“Matrix Laboratory”(縮寫為Matlab)這就是Matlab最早的雛形。開發的最早的目的是幫助學校的老師和學生更好的授課和學習。從Matlab誕生開始,由于其高度的集成性及應用的方便性,在高校中受到了極大的歡迎。由于它使用方便,能非常快的實現科研人員的設想,極大的節約了科研人員的時間,受到了大多數科研人員的支持,

22、經過一代代人的努力,目前已發展到了7.X版本。 Matlab是一種解釋性執行語言,具有強大的計算、仿真、繪圖等功能。由于它使用簡單,擴充便,尤其是世界上有成千上萬的不同領域的科研工作者不停的在自己的科研過程中擴充Matlab的功能,使其成為了巨大的知識寶庫。可以毫不夸張的說,哪怕是你真正理解了一個工具箱,那么就是理解了一門非常重要的科學知識。科研工作者通常可以通過Matlab來學習某個領域的科學知識,這就是Matlab真正在全世界推廣開來的原因。目前的Matlab版本已經可以方便的設計漂亮的界面,它可以像VB等語言一樣設計漂亮的用戶接口,同時因為有最豐富的函數庫(工具箱),所以計算的功能實現也

23、很簡單,進一步受到了科研工作者的歡迎。另外,Matlab和其他高級語言也具有良好的接口,可以方便的實現與其他語言的混合編程,進一步拓寬了Matlab的應用潛力。可以說,Matlab已經也很有必要成為大學生的必修課之一,掌握這門工具對學習各門學科有非常重要的推進作用。 MATLAB是一種科學計算軟件,專門以矩陣的形式處理數據。它將數值分析、矩形計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中,為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案,并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言(如C、Fortran)的編輯模

24、式,代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。 MATLAB將高性能的數值計算和可視化集成在一起,并提供了大量的內置函數,從而被廣泛地應用于科學計算、控制系統、信息處理等領域的分析、仿真和設計工作,而且利用MATLAB產品的開放式結構,可以非常容易地對MATLAB的功能進行擴充,從而在不斷深化對問題認識的同時,完善MATLAB產品以提高產品自身的競爭能力。 MATLAB是MATLAB產品家族的基礎。它提供了基本的數學算法,例如矩陣運算、數值分析算法,MATLAB集成了2D和3D圖形功能,以完成相應數值可視化的工作,并且提供了一種交互式的高級編程語言?M語言,利用M語言可以通過編寫腳本或者函數文件實

25、現用戶自己的算法。 MATLAB Compiler是一種編譯工具,它能夠將那些利用MATLAB提供的編程語言?M語言編寫的函數文件編譯生成為函數庫、可執行文件COM組件等等。這樣就可以擴展MATLAB功能,使MATLAB能夠同其他高級編程語言例如C/C+語言進行混合應用,取長補短,以提高程序的運行效率,車富程序開發的手段。 利用M語言還開發了相應的MATLAB專業工具箱函數供用戶直接使用。這些工具箱應用的算法是開放的可擴展的,用戶不僅可以查看其中的算法,還可以針對一些算法進行修改,甚至允許開發自己的算法擴充工具箱的功能。目前MATLAB產品的工具箱有四十個,分別涵蓋了數據獲取、科學計算、控制系

26、統設計與分析、數字信號處理、數字圖像處理、金融財務分析以及生物遺傳工程等專業領域。2.2.2 Simulink介紹 Simulink是MATLAB提供的用于動態系統進行建模、仿真和分析的工具包。Simuink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在工作區或文件中,供用戶在仿真結柬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。基于上述優點,Simulink成為一種通用的仿真建模工具,廣

27、泛應用于通信系統仿真、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提供3種類型的模塊:連續模塊、離散模塊和混合模塊。連續模塊是指輸出信號隨著輸入信號發生連續變化的模塊,離散模塊則是輸出信號以固定間隔變化的模塊。對于連續模塊,Simulink采用積分方式計算輸出信號的數值,因此,連續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,這時候Simulink只需以一定的間隔計算輸出信號的數值。混合模塊是根據輸入信號的類型來確定輸出信號類型的,它既能夠產生連續輸出信號,也能夠產生離散輸出信號。 在初始化階

28、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,制定仿真模塊的執行順序,以及內存分配。在仿真循環階段,5imulink按照初始化階段制定的順序依次執行各個模塊,計算當前時刻的離散狀態和輸出信號,以小步長積分的方式計算各個連續狀態的數值以及由此產生的輸出。這個過程一直持續到仿真過程結束,然后Sinulink進入仿真結束階段,清理各種已經分配的資源,同時保護仿真過程中產生的數據。2.2.3 S函數介紹 S函數是系統函數的簡稱,是指采用非圖形化的方式即計算機語言,區別于Simulink的系統模塊描述的一個功能塊。在很多情況下,Simulink模型庫中的模塊不能完全

29、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。S函數是對Simulink模塊功能的擴展,既可以用MATLAB語言編寫,也可以用其它通用的編程語言如C、C+等編寫,后者具有更強的控制能力,它們被編譯成MEXMATLAB Executalbe文件,并且在仿真過程中動態裝載。 S函數能夠接受來自Simulink求解器的相關信息,并對求解器發出的命令作出適當的響應,這種交互作用非常類似于Simulink系統模塊與求解器的交互作用。一個結構體系完整的S-函數包含了描述動態系統所需的全部能力,所有其他的使用情況都是這個結構體系的特例。往往S-函數模塊是整個Simulink動態系統的核心。2.3 本

30、章小結本章主要介紹了通信系統仿真的一般步驟,對其中的每一步作了充分的說明。其次,介紹了MATLAB軟件以及它的一種可視化仿真工具simulink。3 通信系統信道以及噪聲的研究3.1 通信系統信道相關內容 通信信道是數據傳輸的通路。各種發送信息傳送到既定的信宿,可選用適于傳輸的物理媒體,完成通信功能。連接發信號與收信號設備、適用于不同類型通信業務的各種物理媒體通稱為信道。在計算機網絡中信道分為物理信道和邏輯信道。物理信道是只用于傳輸數據信號的物理通路,它由傳輸介質與有關通信設備組成;邏輯信道指在物理信道的基礎上,發送與接收數據信號的雙方通過中間結點所實現的邏輯通路,由此為傳輸數據信號形成的邏輯

31、通路12。邏輯信道可以是有連接的,也可以是無連接的。物理信道還可根據傳輸介質的不同而分為有線信道和無線信道,也可按傳輸數據類型的不同分為數字信道和模擬信道。 信道可分為有界與無界兩大類,即通常所說的有線信道與無線信道。前者如雙絞線、電纜、光纖、波導等,后者為自由空間提供的各種頻段或波長的電磁波傳播信道13。 按不同的分類方式,信道可分為有線信道和無線信道、調制信道和編碼信道、線性信道和非線性信道、記憶信道和不記憶信道、恒參信道和變參信道等。 狹義信道:單指傳輸媒介。廣義信道除了包含傳輸媒質外,還包括通信系統有關的變換裝置,這些裝置可以是發送設備,接收設備,饋線與天線,調制器,解調器等等。廣義信

32、道按照它包括的功能,可以分為調制信道,編碼信道等。還可以定義其他形式的廣義信道。 圖3.1 編碼信道和調制信道 調制信道:調制器輸出到解調器輸入之間的部分,只是對已調信號進行某種變換,調制信道用于研究調制與解調問題是方便和恰當的。 編碼信道:編碼器輸出到解碼器輸入之間的部分,只是對已編碼信號進行某種變換,編碼信道用于研究編碼與譯碼問題時使問題的分析更容易。 通常信道的特性是一個復雜的函數,它可能包括各種線性失真、非線性失真、交調失真、衰落等。同時由于信道的遲延特性和損耗特性隨時間做隨機變化,所以信道特性往往只能用隨機過程描述。 若信道特性基本不隨時間變化,即信道對信號的影響是固定的或變化極為緩

33、慢的,稱為恒定參量信道,簡稱恒參信道。若信道特性隨時間隨機快變化,稱為隨機參量信道,簡稱隨參信道。3.1.1恒參信道 恒參信道是指由架空明線、電纜、中長波地波傳輸,超短波及微波視距傳輸,人造衛星中繼,光導纖維以及光波視距傳輸等傳輸媒體構成的信道14。 恒參信道以有線信道為最典型,其特征參數主要是頻率特征,如幅度頻率特征與相位頻率特征及頻率漂移等。反映在時域,如信道時延、抖動,尚有電平波動和非線性等。其中,幅度頻率特性,就理想而言,可表示為理想傳輸函數。3.1.2隨參信道 隨參信道包括短波電離層反射、超短波流星余跡散射,超短波及微波對流層散射,超短波電離層散射以及超短波超視距繞射等傳輸媒質所分別

34、構成的信道15。 隨參信道的特性比恒參信道要復雜的多。由于地面以上不同高度大氣的電離層濃度不同,并隨機流性變化,對短波傳輸具有反射作用,對超短波具有對流層散射作用。乘性干擾的現象表現為各種類型的衰落,在多徑信道中,發送端發出的信號通過多個反射之后沿多條路徑到達接收端,這些路徑具有不同的時延和不同的接收強度,它們之間的相互作用就形成了衰落。 衰落可分為以下三種情況:1慢衰落:它是由電離層隨機變化引起的衰落。2快衰落:它是由于短波信道的多徑引起的衰落,對信號的影響更為嚴重。由于發射電磁波束傳播到不同的電離層,反射后到地面構成不同的信號路徑而至接收天線,也可能是地面反射回電離層經兩次反射后到達接收天

35、線。3選擇性衰落:頻率選擇性衰落是由于多徑衰落導致的幅度隨機性起伏衰落和相位隨機性變化所引起的。下面介紹兩種重要的衰落信道:瑞利衰落信道 瑞利衰落信道是一種無線電信號傳播環境的統計模型。這種模型假設信號通過無線信道之后,其信號幅度是隨機的,即“衰落”,并且其包絡服從瑞利分布。這一信道模型能夠描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境16。 瑞利衰落信道是移動通信中相當重要的衰落信道,它在很大程度上影響著移動通信系統的質量。在移動通信中,發送端和接收端都可能處在不停的運動狀態之中,發送端和接收端之間的相對運動將產生多普勒頻移。 多普勒頻移與運動速度和方向有關,它的計算公式為:

36、3.1 其中,v是發送端和接收端的相對運動速度,是運動方向與發送端和接收端連線之間的夾角,c/f 是載波的波長。倫琴衰落信道 在移動通信系統中,如果發送端和接收端存在一條占優勢的視距傳播路徑,這種信道就可以模擬成倫琴衰落信道。當發送端和接收端既存在視距傳播路徑LOS,又有多條反射路徑時,它們之間的信道可以利用Simulink中的倫琴衰落信道模塊和多徑瑞利衰落信道模塊的組合來進行仿真。 倫琴衰落信道的一個重要因素是K因子,即視距傳輸能量和反射路徑的能量之間的比值。故K值越大,表示發送端和接收端的之間的視距傳播路徑的能量越強;當k0時,發送端和接收端不存在視距傳輸路徑,這是倫琴衰落信道就演變成瑞利

37、衰落信道。3.1.3光纖信道 光纖通信是利用光導纖維傳遞光脈沖來進行通信的,由光源、光纖線路及光電探測器等三個基本部分組成。 已調光信號 調制電信號 解調電信號 基帶電信號 基帶電信號 圖 3.2 光線信道的一般組成3.2 通信系統中噪聲相關內容 信道的噪聲,通信設備的噪聲,電源噪聲,干擾統稱為噪聲。 信號在信道中傳輸,要受到信道特性及噪聲的影響,致使信號接收造成某些差錯。此時受到干擾及噪聲影響的信號可稱為受擾信號。加性干擾的噪聲其來源可分為人為噪聲、自然噪聲和內部噪聲三個方面。通常將宇宙噪聲、散彈噪聲和熱噪聲歸為起伏噪聲,它們的統計特性基本上是高斯分布16。3.2.1 高斯白噪聲 在研究通信

38、系統時,為了分析方便,把噪聲假想成一種理想化的形式,認為它通信的頻段不受限于實際通信系統的頻段,并包括電磁輻射全部可見頻率,這種噪聲稱為白噪聲。 高斯白噪聲:如果一個噪聲,它的幅度分布服從高斯分布,而它的功率譜密度又是均勻分布的,則稱它為高斯白噪聲。熱噪聲和散粒噪聲是高斯白噪聲。 由于高斯過程的普遍存在和高斯噪聲過程在通信中的重要意義,我們歸納它們的統計特性的特點。高斯隨機過程的一維統計特性只取決于均值和方差,二維統計特性主要取決于協方差或相關函數。高斯過程若廣義平穩,則同時也嚴格平穩。窄帶高斯噪聲及其同相、正交分量均值皆為0,方差均等于窄帶高斯噪聲本身的方差,同相分量與正交分量不相關且統計獨

39、立。窄帶噪聲包絡為瑞利分布,相位為均勻分布。載波信號加窄帶噪聲一般為賴斯分布,當信號幅度很大時,為高斯分布:幅度很小時,接近于瑞麗分布;信號包絡與噪聲包絡相差不大時,為賴斯分布。 3.3 仿真系統設計一BFSK信號在三種傳輸信道中的傳輸性能分析 (1)BFSK信號 FSK信號:是Frequency-shift keying信號的縮寫,數字頻率調制又稱頻移鍵控(FSK),頻移鍵控是利用載波的頻率變化來傳遞數字信息,即用所傳送的數字消息控制載波的頻率。它是利用基帶數字信號離散取值特點去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數字調制技術。BFSK是二進制頻移鍵控,BFSK信號便是符號“1”對應于載頻f1,而符

40、號“0”對應于載頻f2(與f1不同的另一載頻)的已調波形,而且f1與f2之間的改變是瞬間完成的。 由于實際通信中不少信道都不能直接傳輸基帶信號,因此,必須用基帶信號對載波波形的某些參數進行控制,使載波的這些參量隨基帶信號變化而變化,即所謂載波調制。以正弦波作為載波的數字調制系統有調幅、調頻和調相三種基本形式。 設信息源發出的由二進制符號0、1組成的序列,且假定0符號出現的概率為P,1符號出現的概率為1-P,它們彼此獨立。BFSK信號是0符號對應于載頻W1,而l符號對應于載頻W2與W2不同的另一載頻的已調波形,而且W1和W2的改變是瞬間完成的。根據以上BFSK信號的產生原理,已調信號的數學表示為

41、: (3.2)式中gt為單個矩形脈沖,脈寬為Ts ,是的反碼,即 2 仿真模型設計思路探討BFSK信號在高斯白噪聲信道、多徑瑞利信道和多徑倫琴信道中的傳輸性能。 3 仿真模型設計分析及其組成結構 圖3.3 BFSK信號在高斯白噪聲信道中傳輸系統圖3.4 BFSK在多徑瑞利信道中的傳輸系統 圖3.5 BFSK在多徑倫琴信道中的傳輸系統這三個傳輸系統的信源都是隨機整數產生器(在上圖中的Random integer Generator,在接收端解調后的信號通過誤碼率計算器上圖中的Error Rate Calculation計算信號的誤比特率。 利用加性高斯白噪聲AWGH Channel信道模塊,在輸

42、入信號中加入高斯白噪聲。利用多徑瑞利衰落(Multipath Rician fading Channel)信道模塊,實現基帶信號的多徑瑞利信道仿真。它的輸入信號是標量形式或幀格式的復信號,輸入信號被延遲一定時間之后形成多徑信號,這些多徑信號分別乘以相應的增益,疊加之后就形成了瑞利衰落信號。利用倫琴衰落信道模塊對基帶信號的倫琴衰落信道進行仿真,它的輸入信號是標量形式或幀格式的復信號。(4)仿真模型運行結果及分析圖3.6 BFSK信噪比-誤比特率關系曲線 上圖中X軸表示信噪比單位:dB,Y軸表示信號對數坐標的誤比特率。從圖中可以看出,在三個信道中,BFSK調制信號的誤比特率隨著信噪比的增加而降低。

43、第一條曲線瑞利信道,第二條是倫琴信道,第三條是高斯白噪聲信道。 對于相同的信噪比,倫琴信道的誤比特率明顯優于多徑瑞利衰落信道。當信號的信噪比低于6dB時,倫琴信道的誤比特率甚至優于只存在加性高斯白噪聲的信道。當信噪比等于156dB時,加性高斯白噪聲信道的誤比特率遠遠低于此時瑞利衰落信道的誤比特率。這樣,如果在瑞利衰落信道中獲得與高斯白噪聲信道相同的傳輸效果,就需要增加信號的信噪比。在移動通信中,瑞利衰落是不可以避免的,因此需要采取其它措施來提高通信系統的性能。5 matlab文件程序代碼xO:15;yx;FrequencySeparation24000; BitRate10000;Simula

44、tionTimel0;SamplesPerSymbol2; Velocity40; LightSpeed3*108;Frequency825*l06;WaveLengthhighzSpeed/Frequency;FdVelocity*103/3600/WaveLength;ProjectImain ;hold on;for ilengthx; SNRxi;simprojectl; yimeanBitErrorRate;End;semilogyx,y; 3.4 本章小結 本章主要研究的是通信系統的信道和噪聲模塊。首先,介紹了通信系統的信道和噪聲的基本內容;其次,介紹了幾種常見的信道和噪聲。最后設

45、計了具體的仿真模型,并給出了仿真分析。4 模擬信號的數字化傳輸的研究及其仿真4.1 模擬信號的數字化傳輸以及抽樣定理4.1.1 模擬信號的數字化傳輸 通信系統分為模擬通信系統和數字通信系統,如果我們在發送端的信息源中包括一個模/數轉換裝置,在接收端包含一個數/模轉換裝置,則可以在數字系統中傳輸模擬信號17。采用脈碼調制的模擬信號數字傳輸系統如下圖: mt 模擬隨機信號數字隨機信號數字隨機序列 模擬隨機信號圖4.1 模擬信號數字傳輸系統4.1.2 抽樣定理 所謂抽樣,就是對時間連續的信號隔一定的時間間隔T抽取一個瞬時幅度值(樣值) ,抽樣是由抽樣門完成的。 抽樣定理是指在一個頻帶限制在(0,fh

46、)內的時間連續信號f(t),如果以1/2fh的時間間隔對它進行抽樣,那么根據這些抽樣值就能完全恢復原信號。或者說,如果一個連續信號f(t)的頻譜中最高頻率不超過fh,當抽樣頻率fs2fh時,抽樣后的信號就包含原連續的全部信息。從抽樣定理中可以得出,如果對一個頻帶有限的時間連續信號(模擬信號)進行抽樣,且抽樣速率達到一定的數值,那么根據這些抽樣值就能準確的回復原信號。也就是說,要傳輸模擬信號,不一定要傳輸其本身,可以只傳輸抽樣定理得到的抽樣值。所以抽樣定理為模擬信號的數字化傳輸提供了理論支持。 模擬信號進行抽樣以后,其抽樣值還是隨信號幅度連續變化,即抽樣值fkT可以去無窮多個可能值,如果用N為二

47、進制數字信號來代表抽樣值的大小,用數字系統來傳輸該樣值信息,而N位二進制數字信號能同時同M2N電平樣值相對應,而不能同無窮多個電平樣值相對應。這樣一來,抽樣值必須劃分為M個離散電平,此電平被稱為量化電平。 利用預先給定的有限個電平來表示模擬抽樣值的過程被稱為抽樣。抽樣是把一個時間連續的信號變換成時間離散的信號,而量化則是將取值連續的抽樣變成取值離散的抽樣。4.2 模擬信號的量化4.2.1 均勻量化 把輸入信號的取值區域按等距離分割的量化稱為均勻量化。均勻量化的每個量化區間的量化電平均取在個區間的中點。量化間隔v取決于輸入信號的變化范圍和量化電平數。4.2.2 非均勻量化 非均勻量化的方法通常是

48、將抽樣值通過壓縮再進行均勻量化。通常使用的壓縮器中,大多數采用對數式壓縮,即ylnx。廣泛采用的兩種對數壓縮率是u壓縮律和A壓縮律。美國采用u壓縮律,我國和歐洲各國均采用A壓縮律。 u壓縮率: (4.1) A壓縮率: (4.2) 4.3式中,y?歸一化的壓縮器輸出電壓; x?歸一化的壓縮器輸入電壓; u,A?壓擴參數,表示壓縮的程度。 實際中,往往都采用近似于A律函數規律的13折線A87.6的壓擴特性。這樣,它基本上保持了連續壓擴特性曲線的優點,又便于用數字電路實現。13折線形成的方法是把x軸的O?1分成8個不均勻段,而Y軸O?1的均勻地分成八段,與x軸的八段一一對應。至于當z在一1O及Y在一

49、l?0的第三象限中,壓縮特性的形狀與以上討論的第一象限壓縮特性的形狀相同,且它們以原點為奇對稱,所以負方向也有八段直線,合起來共有16個線段。由于正向一、二兩段和負向一、二兩段的斜率相同,這四段實際上為一條直線,因此,正、負雙向的折線總共由13條直線段構成,故稱其為13折線。13折線和A律A87.6壓擴特性的近似程度。表 4.1 A律函數規律u律15折線形成:把Y坐標從0到1之間劃分為八個均勻等分,對應于分界點y坐標i/8的x坐標,根據律壓縮特性得到u255,共14個斜率發生變化的分界點,將其分成15段直折線。表4.2 u律函數規律4.3 脈沖編碼調制及差分脈沖編碼調制原理4.3.1 脈沖編碼

50、調制(PCM 脈沖編碼調制是對信號進行抽樣和量化時,將所得的量化值序列進行編碼,變換為數字信號的調制過程。是數字信號是對連續變化的模擬信號進行抽樣、量化和編碼產生。PCM有兩個標準(表現形式):E1和T1。 脈沖編碼調制就是把一個時間連續,取值連續的模擬信號變換成時間離散,取值離散的數字信號后在信道中傳輸。脈沖編碼調制就是對模擬信號先抽樣,再對樣值幅度量化,編碼的過程18。 抽樣就是對模擬信號進行周期性掃描,把時間上連續的信號變成時間上離散的信號。該模擬信號經過抽樣后還應當包含原信號中所有信息,也就是說能無失真的恢復原模擬信號。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。抽樣速率采用8Kbit/s。

51、 量化,就是把經過抽樣得到的瞬時值將其幅度離散,即用一組規定的電平,把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示。 一個模擬信號經過抽樣量化后,得到已量化的脈沖幅度調制信號,它僅為有限個數值。 編碼,就是用一組二進制碼組來表示每一個有固定電平的量化值。然而,實際上量化是在編碼過程中同時完成的,故編碼過程也稱為模/數變換,可記作A/D。 PCM通信方框圖: 圖4.2PCM通信系統方框圖 在上圖中,輸入的模擬信號mt經抽樣、量化、編碼后變成了數字信號PCM信號,經信道傳輸到達接收端,由譯碼器恢復出抽樣值序列,再由低通濾波器濾出模擬基帶信號而。通常,將量化與編碼的組合稱為模/數變換器A/D變換器;而譯碼與低通

52、濾波的組合稱為數/模變換器D/A變換器。前者完成由模擬信號到數字信號的變換,后者則相反,即完成數字信號到模擬信號的變換。4.3.2 差分脈沖編碼調制 差分脈沖編碼調制DPCM,是一種對模擬信號的編碼模式。與PCM不同每個抽樣值不是獨立的編碼,而是先根據前一個抽樣值計算出一個預測值,再取當前抽樣值和預測值之差作編碼用.此差值稱為預測誤差.抽樣值和預測值非常接近因為相關性強,預測誤差的可能取值范圍比抽樣值變化范圍小.所以可用少幾位編碼比特來對預測誤差編碼,從而降低其比特率.這是利用減小冗余度的辦法,降低了編碼比特率19。 DPCM通信系統組成如下圖:圖 4.3 DPCM系統的組成4.4 仿真系統模型的設計4.4.1PCM系統與DPCM系統的量化噪聲設計仿真模型設計思路 模擬信息源輸出的模擬信號需經過抽樣和量化后得到輸出電平序列MQKTS,然后就可以將每一個量化電平用編碼方式傳輸。前面介紹了兩種編碼方式,即脈沖編碼調制PCM和差分脈沖編碼調制DPCM。差分脈沖編碼調制是一種結合了脈沖編碼調