现代通信技术实验指导书实验.docx
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现代通信技术实验指导书实验
实验一数字通信Matlab程序仿真
一、实验目的
1、掌握Matlab程序设计的基本方法；
2、掌握Matlab通信仿真的基本原理；
3、掌握信源产生、信道编码、调制、信道传输、解调、信道译码、差错比较等通信过程的仿真方法；
4、掌握仿真结果的图形化表示方法；
5、仿真比较几种2FSK、2PSK、QPSK、DQPSK、16PSK、16QAM等调制方法的性能；
6、仿真比较Hamming码不同码型的纠错性能。
二、实验原理
仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真横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。
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。
实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统做出的任何改变（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做出改进或建立一个新系统之前．通常需要寸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。
这个过程就是通信仿真。
通信仿真是衡量通信系统性能的工具。
通信仿真可以分成离散事件仿真和连续仿真。
在离散事件仿真中，仿真系统只对离散事件做出响应，而在连续仿真中，仿真系统对输入信号产生连续的输出信号；离散事件仿真是对实际通信系统的—种简化，它的仿真建模比较简单，整个仿真过程需要花费的时间出比连续仿真少。
虽然离散事件仿真舍弃了一些仿真细节，在有些场合显得不够具体，但仍然是通信仿真的主要形式。
与一般的仿真过程类似．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。
下图所示是关于通信系统仿真流捏的一个示意图。
从图中可以看到，通信系统仿真是一个循环往复的过程，它从当前系统出发，通过分析建立起一个能够在一定程度上描述原通信系统的仿真模型，然后通过仿真实验得到相关的数据，通过对仿真数掂的分析可以得且相应的结论，然后把这个结论应用到对当前通信系统的改造中，如果改造后通信系统的性能并不像仿真结果那样令人满意，还需要重新实施通信系统仍真，这时候改造后的通信系统就成了当前系统，并且开始新一轮的通信系统仿真过程。
通信系统仿真的模型
Matlab仿真中，程序在命令窗口（CommandWindow）中按照代码的顺序解释执行，运行的初值、中间结果及输出形成数据流。
程序中的函数按照数据流的顺序依次执行，这意味着处理的数据首先要经过一个运算阶，然后再激活下一个运箅阶。
这种仿真被称为数据流仿真。
Matlab仿真可在命令窗口逐行输入命令（函数），逐步完成仿真。
也可在文本编辑器中先全部编写完成全部代码，形成M文件，再运行该文件执行仿真。
对Matlab来说，两者没有差别。
只是M文件执行时，中间不需要不断的向命令窗口输入，比较方便而已。
Matlab通信工具箱包含了大量应用于通信领域的库函数。
这些库函数是完成通信程序仿真的基础，大大方便了研究人员。
这些库函数包括：
（1）信号源函数；
randerrGeneratebiterrorpatterns
randintGeneratematrixofuniformlydistributedrandomintegers
randsrcGeneraterandommatrixusingprescribedalphabet
wgnGeneratewhiteGaussiannoise
（2）性能估计函数
berawgnBiterrorrate（BER）foruncodedAWGNchannels
bercodingBiterrorrate（BER）forcodedAWGNchannels
berconfintBERandconfidenceintervalofMonteCarlosimulation
berfadingBiterrorrate（BER）forRayleighfadingchannels
berfitFitacurvetononsmoothempiricalBERdata
bersyncBiterrorrate（BER）forimperfectsynchronization
biterrComputenumberofbiterrorsandbiterrorrate
distspecComputethedistancespectrumofaconvolutionalcode
eyediagramGenerateaneyediagram
noisebwEquivalentnoisebandwidthofafilter
scatterplotGenerateascatterplot
semianalyticCalculatebiterrorrateusingthesemianalytictechnique
symerrComputenumberofsymbolerrorsandsymbolerrorrate
（3）信源编／译码函数；
略。
（4）差错控制编码函数；
bchdecBCHdecoderbchencBCHencoder
bchgenpolyGeneratorpolynomialofBCHcode
convencConvolutionallyencodebinarydata
cyclgenProduceparity-checkandgeneratormatricesforcycliccode
cyclpolyProducegeneratorpolynomialsforacycliccode
decodeBlockdecoder
encodeBlockencoder
gen2parConvertbetweenparity-checkandgeneratormatrices
gfweightCalculatetheminimumdistanceofalinearblockcode
hammgenProduceparity-checkandgeneratormatricesforHammingcode
rsdecReed-Solomondecoder
rsdecofDecodeanASCIIfilethatwasencodedusingReed-SolomoncodersencReed-Solomonencoder
rsencofEncodeanASCIIfileusingReed-Solomoncode
rsgenpolyGeneratorpolynomialofReed-Solomoncode
syndtableProducesyndromedecodingtable
vitdecConvolutionallydecodebinarydatausingtheViterbialgorithm
（5）调制/解凋函数；
模拟：
amdemodAmplitudedemodulation
ammodAmplitudemodulation
fmdemodFrequencydemodulation
fmmodFrequencymodulation
pmdemodPhasedemodulation
pmmodPhasemodulation
ssbdemodSinglesidebandamplitudedemodulation
ssbmodSinglesidebandamplitudemodulation
数字：
dpskdemodDifferentialphaseshiftkeyingdemodulation
dpskmodDifferentialphaseshiftkeyingmodulation
fskdemodFrequencyshiftkeyingdemodulation
fskmodFrequencyshiftkeyingmodulation
genqamdemodGeneralquadratureamplitudedemodulation
genqammodGeneralquadratureamplitudemodulation
modnormScalingfactorfornormalizingmodulationoutput
mskdemodMinimumshiftkeyingdemodulation
mskmodMinimumshiftkeyingmodulation
oqpskdemodOffsetquadraturephaseshiftkeyingdemodulation
oqpskmodOffsetquadraturephaseshiftkeyingmodulation
pamdemodPulseamplitudedemodulation
pammodPulseamplitudemodulation
pskdemodPhaseshiftkeyingdemodulation
pskmodPhaseshiftkeyingmodulation
qamdemodQuadratureamplitudedemodulation
qammodQuadratureamplitudemodulation
（6）发送/接收滤波器函数
略。
（7）信道函数；
awgnAddwhiteGaussiannoisetoasignal
bscModelabinarysymmetricchannel
filter（channel）Filtersignalwithchannelobject
rayleighchanConstructaRayleighfadingchannelobject
reset（channel）Resetchannelobject
ricianchanConstructaRicianfadingchannelobject
（8）多址接入函数；
略。
（9）同步函数：
略。
（10）实用函数。
bi2deConvertbinaryvectorstodecimalnumbers
de2biConvertdecimalnumberstobinaryvectors
istrellisTrueforavalidtrellisstructure
marcumqGeneralizedMarcumQfunction
mask2shiftConvertmaskvectortoshiftforashiftregisterconfiguration
oct2decConvertoctalnumberstodecimalnumbers
poly2trellisConvertconvolutionalcodepolynomialstotrellisdescription
qfuncQfunctionqfuncinvInverseQfunction
shift2maskConvertshifttomaskvectorforashiftregisterconfiguration
vec2matConvertavectorintoamatrix
这些通信仿真函数，可在Matlab帮助系统中查询并学习使用。
如我们需要查询正交幅度调制（QAM）函数的使用方法，可在命令行输入：
>>helpqammod
则Matlab会在下面显示如下的该函数的使用方法：
QAMMODQuadratureamplitudemodulation
Y=QAMMOD（X,M）outputsthecomplexenvelopeofthemodulationofthemessagesignalXusingquadratureamplitudemodulation.Misthealphabetsizeandmustbeanintegerpoweroftwo.Themessagesignalmustconsistofintegersbetween0andM-1.Thesignalconstellationisarectangularconstellation.Fortwo-dimensionalsignals,thefunctiontreatseachcolumnas1channel.
Y=QAMMOD（X,M,INI_PHASE）specifiesaphaseoffset（rad）.
Seealsoqamdemod,genqammod,genqamdemod,pammod,pamdemod,modnorm.
ReferencepageinHelpbrowser
docqammod
如需进一步查询该函数的相关内容可在Matlab帮助浏览器中的左边查询栏按index查询输入：
qammod。
下面会列出与此相关的内容，其中有qammodfunction，点击后右边窗口会显示与上述内容差不多的内容：
CommunicationsToolbox
qammodQuadratureamplitudemodulation
Syntax
y=qammod（x,M）
y=qammod（x,M,ini_phase）
Description
y=qammod（x,M）outputsthecomplexenvelopeyofthemodulationofthemessagesignalxusingquadratureamplitudemodulation.Misthealphabetsizeandmustbeanintegerpowerof2.Themessagesignalmustconsistofintegersbetween0andM-1.Thesignalconstellationisrectangularorcross-shaped,andthenearestpairofpointsintheconstellationisseparatedby2.Ifxisamatrixwithmultiplerows,thenthefunctionprocessesthecolumnsindependently.
y=qammod（x,M,ini_phase）specifiestheinitialphaseofthemodulatedsignalinradians.
Examples
ExamplesusingthisfunctionareinComputingtheSymbolErrorRateandExamplesofSignalConstellationPlots.
SeeAlso
qamdemod,genqammod,genqamdemod,pammod,pamdemod,modnorm,Modulation
可以看出对qammod函数的解释大同小异。
如果再点击相关的例子，还可以查看符号误比特率的计算和信号星座图的绘制方法。
如果我们需要绘出16QAM的信号星座图，可按如下的办法进行：
>>M=16;%16进制
x=[0:
M-1];%数据源
y=qammod（x,M）;%QAM调制
scatterplot（y）;%绘制星座图
可得到如下的图形：
可以看出，该图的缺点是其幅度没有进行规一化处理，如果我们对其按峰值功率1瓦进行规一化处理：
>>scale=modnorm（y,'peakpow',1）;
y=scale*y;%规一化
再次输出星座图：
>>scatterplot（y）;%绘制星座图
但此时还有不尽如人意的地方，就是：
（1）、信号点没有给出序号注释；
（2）、信号点太靠近边缘，幅度相位的坐标范围需要扩大。
为此，给出下面的代码：
>>％给定输出坐标范围，语法axis（[xminxmaxyminymax]）
axis（[-11-11]）;
%绘制序号注释使其靠近信号点
holdon;%可以连续绘图而不去掉原来的图形
forj=1:
length（y）%每个点循环
text（real（y（j））,imag（y（j））,[''num2str（j-1）]）;
end%循环结束
holdoff;
可以看到图形变成了下面的形状：
至此，星座图绘制完成。
其中text语句的内容可通过查阅帮助知道：
>>helptext
TEXTTextannotation.
TEXT（X,Y,'string'）addsthetextinthequotestolocation（X,Y）onthecurrentaxes,where（X,Y）isinunitsfromthecurrentplot.IfXandYarevectors,TEXTwritesthetextatalllocationsgiven.If'string'isanarraythesamenumberofrowsasthelengthofXandY,TEXTmarkseachpointwiththecorrespondingrowofthe'string'array.
意思是：
把'string'中的内容绘制在（X,Y）所代表的坐标上。
本例中，正交幅度调制QAM后的信号坐标点在图中是一个复数，实部是相位，虚部是幅度。
real（y（j））,imag（y（j））就是取第j个信号点的实部和虚部。
''num2str（j-1）是先输出一个空格，以让出点的位置，再在其右边输出j-1所代表的数字字符串。
三、实验内容
1、学习Matlab使用环境、图形输出的一般方法；
2、学习掌握信源产生、信道编码、调制、信道传输、解调、信道译码、差错比较等通信过程常用函数的使用；
3、学习plot、semilogy、title、xlabel、ylabel、axis、axes、hold、legend、subplot、scatter、scatterplot等图形输出函数的使用方法；
4、仿真比较几种2FSK、2PSK、QPSK、16PSK、16QAM等调制方法在不同信道参数下的误码性能；
5、仿真比较Hamming码不同码型的纠错性能，分析提高通信系统抗误码能力的方法。
四、实验步骤
1、打开Matlab程序，点击帮助菜单上的MatlabHelp栏，或按F1打开程序帮助，如图所示：
2、熟悉Matlab程序环境，练习plot、semilogy、title、xlabel、ylabel、axis、axes、hold、legend、subplot、scatter、scatterplot等图形输出函数的使用方法。
3、通过在命令行输入help‘command’和在帮助系统查询的方法学习下列函数的使用：
（1）rand、randint、wgn
（2）biterr
（3）encode、decode、convenc、vitdec、hammgen
（4）dpskdemod、dpskmod、fskdemod、fskmod、genqamdemod、genqammod、modnorm、pskdemod、pskmod、qamdemod、qammod
4、采用下列简化的通信系统模型建立Matlab仿真模型，对比不同调制解调方式在相同信道噪声功率下的误码率。
调制方式有：
2FSK、2PSK、QPSK、16PSK、16QAM等。
例如，我们需要仿真对比2FSK、2PSK调制抗噪声性能，可编写如下程序：
clear;%清除内存变量
M=2;
Fs=16;
nsamp=17;
freq_sep=8;
x=randint（5000,1,M）;
y_fsk=fskmod（x,M,freq_sep,nsamp,Fs）;
y_psk=pskmod（x,M）;
N=10;
forj=1:
N
SNR=j;
y_fsk_noise=awgn（y_fsk,SNR-10*log10（Fs）,'measured',[],'dB'）;
y_psk_noise=awgn（y_psk,SNR,'measured',[],'dB'）;
z_fsk=fskdemod（y_fsk_noise,M,freq_sep,nsamp,Fs）;
z_psk=pskdemod（y_psk_noise,M）;
[num_fsk（j）,ber_fsk（j）]=biterr（x,z_fsk）;
[num_psk（j）,ber_psk（j）]=biterr（x,z_psk）;
end
semilogy（1:
N,ber_fsk,'*-b'）;
holdon;
semilogy（1:
N,ber_psk,'d--k'）;
title（'不同信噪比下2FSK和2PSK误码性能仿真'）;
legend（'FSK','PSK'）;
xlabel（'SNRdB'）;
ylabel（'BER'）
holdoff
可以看到输出结果为：
根据上述例子，通过阅读Matlab帮助，完成其它调制形式的性能仿真。
5、设通信系统采用QPSK调制，Hamming码纠错，仿真分析（7，4）、（15，11）、（31，26）Hamming码在不同信噪比下的纠错性能。
仿真方法是在数据调制之前，先进行纠错编码。
语法为：
编码：
code=encode（msg,n,k,'hamming'）
译码：
msg=decode（code,n,k,'hamming'）
五、实验报告要求
1、写出每个仿真程序的原理及其信号框图，给出完整的代码，注释应占整个代码2/3以上，仿真结果要用图形表示出来，图中应有明确的注释。
2、对仿真结果应利用所学知识给出完整、准确的分析。
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