Matlab平臺下的通信系統(tǒng)建模與仿真

1、Matlab平臺下的通信系統(tǒng)建模與仿真2.1 Matlab平臺簡介及MATLAB的特點2.1.1 Matlab平臺簡介MATLAB軟件的最初版本是由Cleve Moler博士等組成的名為MathWorks公司在1992年推向市場的，軟件名稱MATLAB為矩陣（matrix）和實驗室（laboratory）兩個英文單詞的前三個字母的組合（即矩陣實驗室）。所以，MATLAB非常適合矩陣運算,這也是MATLAB軟件的最大特點之一。2.1.2 MATLAB的特點（1）語言簡潔，使用方便，運算符豐富，庫函數(shù)極其豐富。利用其豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務。（2）語法限制不嚴格，程序設計自由。例如，在

2、MATLAB里，用戶無需對矩陣預定義就可以使用。（3）MATLAB既具有結構化的控制語句（如for循環(huán)、while循環(huán)、break語句和if語句），又有面向對象編程的特性。（4）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計算機和操作系統(tǒng)上運行。（5）MATLAB的圖形功能強大。數(shù)據(jù)的可視化非常簡單,同時MATLAB還具有較強的編輯圖形界面的能力。（6）MATLAB的缺點是軟件成本高；其次MATLAB的程序不用編譯等預處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序為解釋執(zhí)行，和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。（7）MATLAB由核心部分和各種可選的工具箱兩部分組成。核心部分中包含數(shù)百個核心內部函

3、數(shù)。MATLAB的另一重大特色是功能強勁的工具箱。其工具箱又可分為兩類：功能性工具箱和學科性工具箱。功能性工具箱能用于多種學科，主要用來擴充其符號計算功能、圖示建模仿真功能、文字處理功能以及與硬件實時交互功能。而學科性工具箱是專業(yè)性比較強的，如control、toolbox、signal processing toolbox、communication toolbox等。（8）源程序的開放性。2.2 Matlab平臺下的系統(tǒng)建模與仿真方法在上一章我們介紹了OFDM系統(tǒng)的基本原理，闡明了如果在通信系統(tǒng)中一如OFDM可以提高系統(tǒng)的抗多徑干擾能力，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。為了對理論上的分析結果

4、進行檢驗，這里借助基于MATLAB平臺的仿真來驗證前面的分析結果。要想證明OFDM的先進性，就要有一個參考。該課題采用的是QAM調制系統(tǒng)與OFDM系統(tǒng)的比較。下面對OFDM系統(tǒng)的仿真及許多關鍵技術，實際的系統(tǒng)比較復雜，因此，需要首先從整體上把握該系統(tǒng)?；诿嫦驅ο蟮乃枷耄覀儾捎米陨隙碌牟呗裕葘⑾到y(tǒng)劃分為幾個大的功能模塊，然后再細化每個具體模塊，這樣可使系統(tǒng)的仿真流程如圖2-1所示。制定仿真內容、仿真方案和仿真步驟根據(jù)系統(tǒng)的實際情況，確定仿真的主要模塊編寫和調試各個子模塊，集成主模塊得出仿真結果，并將之于理論情況進行分析比較總結、得出結論圖2-1 系統(tǒng)的仿真流程圖為了對不同條件下OFDM的

5、數(shù)據(jù)傳輸情況進行仿真，我們根據(jù)前面介紹的OFDM系統(tǒng)的基本原理，給出了OFDM基帶系統(tǒng)的真題結構，如圖2-2所示。仿真模型是建立在基帶傳輸基礎上的。信號通過載波傳輸產(chǎn)生的變化可以用某種相應的基帶傳輸系統(tǒng)中產(chǎn)生的變化進行等價轉換。下圖是OFDM系統(tǒng)的框圖，主要包括：信源、信宿、調制映射和逆映射、調制和解調、串/并轉換、并/串轉換和比較器。不同信噪比下的誤碼率IFFT變換串/并轉換MQAM的映射二進制格雷碼編碼MQAM的逆映射并/串轉換加入高斯白噪聲信道串/并轉換FFT變換并/串轉換反格雷碼編碼比較器輸出信號信號源圖2-2 OFDM基帶系統(tǒng)框圖在圖2-2中，信源既可以是外部輸入文件中的數(shù)據(jù)，也可以

6、使仿真中函數(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；信宿接收解調后的數(shù)據(jù)，并將結果顯示出來；比較器收集信源產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)與信宿接收到的數(shù)據(jù)，進行誤碼個數(shù)統(tǒng)計，計算誤碼率，依次來衡量整個傳輸系統(tǒng)的性能；串/并轉換模塊將原來的高速串行數(shù)據(jù)信號分解為多路低速的并行數(shù)據(jù)信號，從而延長并行信道中二進制碼的持續(xù)時間，降低碼間串擾；并/串轉換模塊的作用是將多路低速并行數(shù)據(jù)信號合成單路高速串行數(shù)據(jù)信號；信道的作用是模擬真實通信環(huán)境中傳輸媒介對信號產(chǎn)生的影響。上圖給出的是系統(tǒng)的總體框架，體現(xiàn)的是自上而下設計中的“上”。其實，每個模塊都可以單獨構成一個較小的系統(tǒng)，由于篇幅的關系，這里僅介紹該系統(tǒng)中最核心的模塊的設計，即OFDM調制和解調模塊

7、的內部設計（也包含了與之相連的串/并和并/串轉換部分，在有的文獻中，這被歸到了OFDM調制解調模塊里），這里體現(xiàn)的是“下”。OFDM發(fā)送端和接收端如圖2-3和圖2-4所示：串/并轉換MQAM映射載入數(shù)據(jù) 并/串轉換加入循環(huán)前綴IFFT變換圖2-3 OFDM基帶系統(tǒng)的發(fā)送端去掉循環(huán)前綴FFT變換串/并轉換輸出數(shù)據(jù)MQAM逆映射并/串轉換圖2-4 OFDM基帶系統(tǒng)的接收端2.3仿真整體設計及部分模塊設計2.3.1仿真整體設計在明確了系統(tǒng)的仿真模型之后，設計仿真系統(tǒng)就比較容易了。下一步所要做的主要工作就是將抽象的仿真模型向實際的仿真系統(tǒng)轉換，依據(jù)這一思路可以比較容易地確定仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程，這一

8、流程是整個仿真設計的主要依據(jù)，如圖2-5和圖2-6所示：下面介紹一下系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程的每一步的功能。（1）讀入數(shù)據(jù)在這一步，原始數(shù)據(jù)進入到仿真系統(tǒng)中。這些數(shù)據(jù)可以是任何形式的，如文本數(shù)據(jù)，音頻數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)等，MATLAB可以處理上述數(shù)據(jù)。（2）將數(shù)據(jù)轉換為二進制數(shù)據(jù)流在這一步里，第（1）步中輸入的數(shù)據(jù)通過PCM（Pulse Code Modulation,脈沖編碼調制）被轉換為二進制數(shù)據(jù)流。（3）將二進制數(shù)據(jù)轉換為OFDM/QAM信號這是整個仿真中最為復雜的一部分。二進制數(shù)據(jù)流必須被轉換為相應的OFDM和QAM信號，這里用到的技術是正交幅度調制。前一步生成的二進制數(shù)據(jù)流必須被轉換

9、為8bit的數(shù)據(jù)塊，然后還要被進一步分成2bit的數(shù)據(jù)塊。這些2bit的數(shù)據(jù)塊要被轉換為QAM信號。最后需要對這些數(shù)據(jù)進行你傅里葉變換為OFDM信號。（4）信號模擬在這里，我們采用加性高斯白噪聲來模擬模擬無線信道中的噪聲。通過將發(fā)送端輸出的信號放到具有不同時延和不同衰落程度的路徑上傳輸來模擬信道中存在的多徑干擾現(xiàn)象。（5）OFDM/QAM信號轉換為二進制數(shù)據(jù)流這一步的功能和第（3）步相反，不在贅述。（6）恢復原始數(shù)據(jù)這一步的功能和第（2）步相反，不再贅述。（7）分析比較這一步主要實現(xiàn)了誤碼計數(shù)和在二進制數(shù)據(jù)流層次上的誤碼率計算，此外它還輸出系統(tǒng)還原的數(shù)據(jù)，以便能使我們獲得不同系統(tǒng)性能的感性認識

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13、;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>根據(jù)前面的分析結果，下面對該仿真中主要模塊的實現(xiàn)方法做一個簡單介紹：（1）數(shù)據(jù)輸入部分。不同的類型的文件可以通過調用MATLAB中不同的庫函數(shù)來讀取。如果要讀取的是文本文件，可用fread函數(shù)；如果要讀取的是音頻文件，可用wavread函數(shù)；而如果要讀取的是圖像文件則要用到imread函數(shù)。（2）OFDM系統(tǒng)的核心部分主要包括卷積編碼、正交、調制和循環(huán)前綴等，這些工作的完成需要大量的數(shù)學運算，因此OFDM系統(tǒng)的發(fā)送端必須具有強大的計算能力。（3）信號映射：信號映射采用QAM調制方式。在仿真中采用通信工具箱中Rectangular QPSK Modulator Baseband模塊來實現(xiàn)一組相互獨立的信號映射器。不同的模塊可以采用不同的映