基于matlab的通信系统仿真.doc
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创新实践报告
报告题目：
基于matlab的通信系统仿真
学院名称：
信息工程学院
姓名：
班级学号：
指导老师：
二O一四年十月十五日
一、引言
现代社会发展要求通信系统功能越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂；另一方面，要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期，降低成本，提高水平。
这样尖锐对立的两个方面的要求，只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。
在这种迫切的需求之下，MATLAB应运而生。
它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。
通信系统仿真贯穿着通信系统工程设计的全过程，对通信系统的发展起着举足轻重的作用。
通信系统仿真具有广泛的适应性和极好的灵活性，有助于我们更好地研究通信系统性能。
通信系统仿真的基本步骤如下图所示：
二、仿真分析与测试
（1）随机信号的生成
利用Matlab中自带的函数randsrc来产生0、1等概分布的随机信号。
源代码如下所示：
globalN
N=300;
globalp
p=0.5;
source=randsrc（1,N,[1,0;p,1-p]）;
（2）信道编译码
1、卷积码的原理
卷积码（convolutionalcode）是由伊利亚斯（p.Elias）发明的一种非分组码。
在前向纠错系统中，卷积码在实际应用中的性能优于分组码，并且运算较简单。
卷积码在编码时将k比特的信息段编成n个比特的码组，监督码元不仅和当前的k比特信息段有关，而且还同前面m=（N-1）个信息段有关。
通常将N称为编码约束长度，将nN称为编码约束长度。
一般来说，卷积码中k和n的值是比较小的整数。
将卷积码记作（n,k,N）。
卷积码的编码流程如下所示。
可以看出：
输出的数据位V1,V2和寄存器D0,D1,D2,D3之间的关系。
根据模2加运算特点可以得知奇数个1模2运算后结果仍是1，偶数个1模2运算后结果是0。
2、译码原理
卷积码译码方法主要有两类：
代数译码和概率译码。
代数译码主要根据码本身的代数特性进行译码，而信道的统计特性并没有考虑在内。
目前，代数译码的主要代表是大数逻辑解码。
该译码方法对于约束长度较短的卷积码有较好的效果，并且设备较简单。
概率译码，又称最大似然译码，是基于信道的统计特性和卷积码的特点进行计算。
在现代通信系统中，维特比译码是目前使用最广泛的概率译码方法。
维特比译码算法基本原理是：
将接收到的信号序列和所有可能的发送信号序列比较，选择其中汉明距离最小的序列认为是当前发送序列。
维特比译码的前提是建立合适的网格图，以便寻找最优路径。
或者可以认为，维特比译码的关键是寻找最优路径。
在实际的译码操作过程中，怎样建立网格以及建立网格后的路径的选择是译码的关键问题。
（3）调制与解调
1）BPSK的调制原理
在二进制数字调制中，当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时，则产生二进制移相键控2PSK信号。
通常用已调信号载波的0度和180度分别表示二进制数字基带信号的1和0。
二进制移相键控信号的时域表达式为
其中，与2ASK和2FSK时的不同，在2PSK调制中，应选择双极性，即当发送概率为P，，当发送概率为1-P,。
若是脉宽为、高度为1的矩形脉冲，则有
当发送概率为P时，（式2—2）
发送概率为1-P时，（式2—3）
由（式2—2）和（式2—3）可以看出，当发送二进制符号1时，已调信号取0度相位，当发送二进制符号为0时，取180度相位，则有，其中发送符号1，，发送符号0，。
这种以载波的不同相位直接表示相应二进制数字调制信号的调制方式，称为二进制绝对移向方式。
下面为2PSK信号调制原理框图2.1所示：
S（t）
码型变换
乘法器
图2.1:
2PSK信号的调制原理图（模拟调制方法）
2）BPSK解调原理
2PSK信号的解调通常都采用相干解调，解调器原理如图2.3所示，在相干解调过程中需要用到和接收的2PSK信号同频同相的想干载波。
带通滤波器
相乘器
低通滤波器
抽样
判决器
定时脉冲
输出
a
b
c
d
e
图2.3：
BPSK相干解调
图2.4BPSK解调各点时间波形
Ts
1
0
1
0
t
b
1
\t
t
t
tt
1
1
1
0
0
a
d
e
c
2）QPSK调制与解调
（1）QPSK的调制原理：
四相相移键控是MPSK的一种特殊情况，它是利用载波的4个不同相位来描述数字信息的调制方式，具有较强的抗干扰能力。
QPSK的表达式可以写为：
其中，是角频率，是第K个码元的载波相位取值，TS是一个发送码元的持续时间，它将取可能的四种相位之一，g（t）是发送的波形函数。
将上式展开可以得到：
从式中可以看出，四相调制的波形，可以看成是对两个正交载波进行二进制幅度调制信号之和。
从XN和YN的取值，容易发现两者具有一定的适量约束关系。
保证两者合成的矢量点落在同一圆周上。
这个关系意味着，系统的非线性失真对QPSK系统的可靠性影响很小。
（2）QPSK的解调原理：
正交电路和同相电路分别设置两个相关器（或匹配滤波器），得到I（t）和Q（t），经过电平判决和串并转换即可恢复原始信号。
（4）信道
1）加性高斯白噪声信道
加性高斯白噪声（AWGN）从统计上而言是随机无线噪声，其特点是其通信信道上的信号分布在很宽的频带范围内。
加性高斯白噪声在通信领域中指的是一种各频谱分量服从均匀分布（即白噪声），且幅度服从高斯分布的噪声信号。
因其可加性、幅度服从高斯分布且为白噪声的一种而得名。
该噪声信号为一种便于分析的理想噪声信号，实际的噪声信号往往只在某一频段内可以用高斯白噪声的特性来进行近似处理。
由于AWGN信号易于分析、近似，因此在信号处理领域，对信号处理系统（如滤波器、低噪音高频放大器、无线信号传输等）的噪声性能的简单分析（如：
信噪比分析）中，一般可假设系统所产生的噪音或受到的噪音信号干扰在某频段或限制条件之下是高斯白噪声。
这种噪声假设为在整个信道带宽下功率谱密度（PDF）为常数，并且振幅符合高斯概率分布。
2）瑞利信道
在无线通信信道中，由于信号进行多径传播达到接收点处的场强来自不同传播的路径，各条路径延时时间是不同的，而各个方向分量波的叠加，又产生了驻波场强，从而形成信号快衰落称为瑞利衰落。
瑞利衰落信道（Rayleighfadingchannel）是一种无线电信号传播环境的“统计模型（statisticalmodel）”。
这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度（amplitude）是随机的，即“衰落（fading）”，并且其包络（envelope）服从瑞利分布（Rayleighdistribution）。
这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境。
[1][2]瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信号（LoS，LineofSight）的情况，否则应使用莱斯衰落信道（Riceanfadingchannel）作为信道模型。
（5）多径合并
1）MRC方式
最大比合并是对等增益合并的改进，即各个支路加权系数与该支路信噪比成正比，各支路信噪比越大，其相应的加权系数越大，该支路对合并信噪比的贡献也越大。
假定每个支路的平均噪声功率相等，可以证明当各个支路加权系数为Gi=Ai/σ2时，分集合并后的平均输出信噪比最大。
其中，Ai为第i条支路信号幅度；σ2为每条支路噪声平均功率。
合并后的输出信号幅度为
2）EGC方式
当支路加权系数设定为G1=G2=…=GN时，称为等增益合并，但需要对每个支路的信号进行同相化处理。
（6）采样判决
由于从匹配滤波器出来的信号的点数8倍于原来信息的点数，为了恢复出原信号，所以需要对该信号进行采样。
从匹配滤波器出来时，首先要剔除卷积过程中冗余的点，接着抽取现在信号中的第1个，第9个，……，第8×k＋1个点，源代码如下：
function[y1,y2]=pick_sig（x1,x2,ratio）
y1=x1（ratio*3*2+1:
ratio:
length（x1））;
y2=x2（ratio*3*2+1:
ratio:
length（x1））;
经过前边的匹配滤波器解调或者称为相关解调产生了一组向量，在这里就是一个一维的向量，根据最大后验概率（MAP）准则（由于各个信号的先验概率相等，所以页可以认为是最大似然准则），得到了最小距离检测。
具体在本仿真系统中，判断为各个信号的门限如表2所示。
判决后得到的数据再按照格雷码的规则还原成0、1信号，最终将两路0、1信号合成一路0、1信号，用来同最初的信号一起决定误码率。
表2 判决电平对应表
判决前的信号的幅度
对应的判决后的幅度
－3
－1
1
3
（7）理论值与仿真结果的对比
在仿真完成之后，把得出的仿真结果与理论结果相互对比，了解仿真与理论的差异。
三、系统仿真分析
（一）有信道编码和无信道编码的的性能比较
1、信道编码的仿真
第一步：
产生随机序列，执行随机序列生成程序，得出随机序列：
01101011。
第二步：
对随机序列进行卷积编码得：
0001111111010000
第三步：
在接收端对信号进行相干解调，结果如下：
第四步：
对相干解调之后的信号进行解码得出下图所示信号：
总结：
有以上四图看出，发送信号与接收端解调出的信号一样，说明无线通信的目的就是无失真的传递信息；信道的功能就是尽可能无失真的传输信息。
2、有信道编码和无信道编码的比较
信道编码的实质是在信息码中增加一定数量的多余码元（称为监督码元），使它们满足一定的约束关系，这样，由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字。
一旦传输过程中发生错误，则信息码元和监督码元间的约束关系被破坏。
在接收端按照既定的规则校验这种约束关系，从而达到发现和纠正错误的目的。
为了分析误码率随着信噪比的编码所呈现出来在有信道编码和无信道编码的差别，首先产生的随机的10000*128个符号数，snr噪声为0到15d。
bitcoded=channelcoding（sym,G,4）;%信道编码，（7,4）码
bitdecoded=channeldecoding（Rstream,Etab,Smatrix,H,7,4）;
根据仿真曲线图可以看出，有信道编码的曲线的误码率比没有信道编码的误码率低，并且随着信噪比的增大而明显。
说明信道编码提高了信息传输的可靠性，提升了通信系统的传输性能。
（二）BPSK与QPSK调制方式对通信系统性能的比较
1、调制过程的仿真
对
（一）部分中卷积产生的序列001111111010000进行调制得出下示波形：
2、不同调制方式的误码率分析
<1>BPSK调制
data1=data.*2-1;
[data2]=oversamp（data1,nd,IPOINT）;
data3=conv（data2,xh）;%conv:
builtinfunction
<2>QPSK调制
[ich,qch]=qpskmod（data1_q,1,nd,2）;
[ich1,qch1]=compoversamp（ich,qch,length（ich）,IPOINT）;
[ich2,qch2]=compconv（ich1,qch1,xh）;
将BPSK和QPSK在同样的高斯信道下传输，在相同的信噪比和发码速率的情况下，仿真两种调制方式产生的误码率曲线如下所示：
从误码率图可以看出，BPSK比QPSK的误码率低，BPSK性能较好。
在相同的信道下，BPSK调制系统的误码率小于QPSK调制，因此相同系统情况下BPSK优于QPSK。
（三）高斯信道和瑞利衰落信道下的比较
1、信道加噪仿真
将经过调制的模拟信号通过加高斯噪声的信道传输后，信号会被噪声干扰，波形发生变化，如下图所示：
然而，在不同的信道下，波形受损的程度是不一样的，在同一类型的信道下，不同信噪比的受损程度也不相同。
因此我们对高斯信道和瑞利衰落进行了对比分析。
2、不同信道下的误码分析
<1>衰落信道
[ifade,qfade]=sefade（data3,zeros（1,length（data3））,itau,dlvl,th1,n0,itnd1,now1,length（data3）,tstp,fd,flat）;
itnd1=itnd1+itnd0;
<2>高斯白噪声信道
inoise_0=randn（1,length（data3））.*attn;%randn:
builtinfunction
data4_0=data3+inoise_0;
data5_0=conv（data4_0,xh2）;%conv:
builtinfunction
将同样的信号分别送入仅含有高斯白噪声的信道和还有瑞利衰落与高斯白噪声组合起来的信道，绘制出了如下图的误码率曲线：
由图可看出，经过瑞利衰落的信道误码率比高斯噪声信道更高。
（四）不同合并方式下的对比
1、MRC不同信噪比下的误码分析
由上图分析可得：
天线越多，误码率越小。
信噪比越大，误码率也越小。
因此可得出结论：
系统的信息传输质量与信噪比和天线的数量是正相关的。
2、EGC不同信噪比下的误码分析
由上图看出：
等增益合并方式与最大比合并方式的基本规律一样，也是天线越多，误码率越小。
信噪比越大，误码率也越小。
因此可得出结论：
系统的信息传输质量与信噪比和天线的数量是正相关的。
3、MRC、EGC分别在2根、4根天线下的对比
从上图可以看出，最大比值合并比等增益合并的误码率更小，最大比值合并就是通过最优化的加权进行的接收，它们随着天线数量的增大，误码率减小；信噪比越大，误码率下降，其中最大比值随信噪比的误码率变化尤为明显。
（五）理论数据与仿真数据的区别
下图为BPSK的理论误码率与仿真误码率的曲线图，通过比较BPSK信道的理论误码率与仿真误码率的差别可看出，它们的差别很小，近似为一样的。
四、设计小结
经过这段时间的MATLAB通信系统仿真的学习，使我对通信原理及仿真实践有了更深层次的理解。
在学习过程中，我了解了MATLAB的语言基础以及应用的界面环境，基本操作和语法，让我在分析通信系统的性能时更加方便。
在学习当中，我明白了通信系统仿真的现实意义，系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质的一种描述。
通过仿真技术和方法，可以迅速构成一个通信系统模型，提供一个便捷，高效和精确的仿真平台。
学习过程中，我再次系统的学习了现代移动通信系统中送信源产生信息，再到通过发信机对信息进行信源编码和信道编码，再到在信道上（移动通信系统中为无线信道，即自由空间）受到各种噪声信号的干扰，导致传输的信息序列产生一些变化或误差，再到在新到的另一方向通过收信机接收到信号兵进行信道译码和信源译码，将接收到的信号还原为原始基带信号送至信宿将信息反映出来，从而完成移动通信的整个过程。
在这次次设计中，我首先进行了信号的产生（随机产生二进制序列），再通过比较经过有信道编码和无信道编码的信息的传输性能差异，得出结论：
信道编码增强了信息在信道上的传输性能，减小了误码率。
然后再通过比较BPSK
调制和QPSK调制对信息传输的性能影响，得出BPSK比QPSK的误码率低，BPSK性能较好。
在相同的信道下，BPSK调制系统的误码率小于QPSK调制，因此相同系统情况下BPSK优于QPSK。
另外，我还比较了在加性高斯白噪声信道和瑞利信道上传输信号的误码率情况，总结出经过瑞利衰落的信道误码率比高斯噪声信道更高。
我还比较了不同的合并方式对接收信号的误码率影响，了解到天线越多，误码率越小。
信噪比越大，误码率也越小。
因此可得出结论：
系统的信息传输质量与信噪比和天线的数量是正相关的。
另外我还明白了最大比合并方式优于等增益合并方式。
在最后的理论数据与仿真数据的对比中，我了解到，虽然实际结果与仿真结果之间存在一定的差距，但是们之间还是比较接近的，由此可以说明：
通过软件仿真可以比较好的估算出系统的信息传输情况，更方便系统的优化和设计。
总之，通过这次设计，我领悟到学习是一个渐进的过程，我们需要不断学习新知识并温习已经学过的知识，只有这样，我们才会不落后于时代的发展！
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