计算机仿真Matlab通信系统链路级仿真ppt课件.pptx

旋风小子 2 主要内容 数字通信系统的组成通信系统链路级仿真的一般性假设前提Matlab中的通信系统仿真资源信号处理工具箱及常用信号处理函数通信工具箱Simulink信号处理模块集 通信系统基本模型 3 点到点数字通信系统基本模型 4 更为一般的通信链路模型示意图 5 一般数字通信系统的组成 信号源信息源信源编码和解码信道编码和解码射频调制与解调振荡器 混频器 变频器和功率放大器滤波和自适应均衡信道 多路复用以及多址接入噪声和干扰源同步 包括载波同步 扩频码同步 符号同步 数据帧同步等等 6 7 主要内容 数字通信系统的组成通信系统链路级仿真的一般性假设前提Matlab中的通信系统仿真资源信号处理工具箱及常用信号处理函数通信工具箱 通信系统链路级仿真的一般假设前提 带通信号的基带等效最佳接收机 8 带通信号的基带等效表示 9 最佳接收机 假设为最佳接收机与噪声方差的计算密切相关 二进制反极性基带通信系统仿真的例子 带通信号基带等效后得到相同结果 如BPSK信号的仿真程序和二进制反极性基带通信系统仿真程序完全相同 如果引入频偏 时偏或相偏则仿真模型会有所区别 10 仿真与实现的关系 通信系统链路级仿真与实际发射机与接收机实现之间的关系非常密切 大部分关于发射机和接收机的仿真模型实际上就是其基带处理模型 可以认为发射机和接收机的基带处理包含两类操作 信息处理 信源编解码 加解密 信道编解码信号处理 采样 滤波 调制 估计 检测 均衡等 11 仿真与实现的关系 浮点仿真与基带处理实现之间的区别仅仅在于对数的表示方式不同 定点仿真则完全在计算机上模拟实际实现时在DSP FPGA ASIC上的处理 定点仿真通常作为实际实现之前的验证和测试向量产生手段 12 13 主要内容 数字通信系统的组成通信系统链路级仿真的一般性假设前提Matlab中的通信系统仿真资源信号处理工具箱及常用信号处理函数通信工具箱 Matlab中的通信系统仿真资源 Matlab和Simulink都针对通信系统的物理层 链路级 仿真提供了专门的工具箱和模块库 传统数字通信系统常用的各种信息处理 信号处理算法都有相应的函数与之对应 近年来新出现的一些技术推动工具箱不断更新 14 Matlab中的通信系统仿真资源 主要资源 信号处理工具箱 SignalProcessingToolbox 通信工具箱 CommunicationsToolbox 配套资源 滤波器设计工具箱 FilterDesignToolbox 定点工具箱 Fixed PointToolbox 统计工具箱 StatisticsToolbox 15 信号处理工具箱 支持各种信号处理操作 包括波形产生 滤波器设计与实现 卷积 常用的变换和谱分析等 分为两类工具 一类是命令行形式的函数 另一种是GUI形式的集成工具 16 信号处理工具箱 命令行形式的函数包括 离散时间滤波器设计 分析与实现模拟滤波器设计分析与实现线性系统变换窗函数谱分析统计信号处理线性预测多速率信号处理波形产生GUI工具滤波器设计与分析窗设计与分析信号绘图等 17 常用波形产生函数 sawtooth 锯齿波square 方波gauspuls 高斯调制正弦脉冲chirp 线性调频信号sinc 抽样函数 18 常用统计信号处理函数 xcorr和xcov分别用于计算互相关函数和互协方差函数自相关函数和自协方差函数作为特例处理 本来应该计算但是只能估计 c xcorr x y 返回长度为2 N 1的向量 如果x和y不一样长 将短的补零 19 常用统计信号处理函数 默认情况下 执行计算 可以指定归一化选项 biased unbiased 或 coeff 如果选 biased 则如果选 unbiased 如果选 coeff 是将R 0 归一 20 常用统计信号处理函数 xcov与其类似 21 常用统计信号处理函数 periodogram 周期图法计算功率谱密度 22 常用统计信号处理函数 23 fs 1000 Samplingfrequencyt 0 fs fs OnesecondworthofsamplesA 12 Sinusoidamplitudes rowvector f 150 140 Sinusoidfrequencies columnvector xn A sin 2 pi f t 0 1 randn size t Hs spectrum periodogram Hamming psd Hs xn Fs fs NFFT 1024 SpectrumType twosided 常用变换函数 DFT变换 fft fftshift fftw ifftFFT是数字信号处理的基础但是这些函数属于Matlab本身 不属于SPToolbox 24 常用变换函数 fft函数当输入参数个数为1 且为一个向量时 执行该向量的DFT计算当输入参数为一个矩阵时 计算每列的DFT t 0 1 100 10 1 100 x sin 2 pi 15 t sin 2 pi 40 t y fft x ComputeDFTofxm abs y p unwrap angle y f 0 length y 1 99 length y Frequencyvectorplot f m title Magnitude set gca XTick 15406085 figure plot f p 180 pi title Phase set gca XTick 15406085 25 常用变换函数 fft参数为两个时 第二个参数为DFT点数N 向量长度大于N时 需要截断 小于N时则加零 N的大小对fft的计算速度有很大影响 Matlab中的fft函数的算法采用的是著名的fftw算法核心思想 根据不同的fft点数选择不同的算法 26 常用变换函数 ifft函数的使用方法与fft非常类似 注意fft和ifft函数对于输出功率的影响 fft函数之后总功率为fft之前的N倍 ifft之后总功率则减小到原来的1 N 27 常用变换函数 fftshift 作用是将fft之后数据的零频移到数据的中间 实际上就是将向量的左右两个半边交换位置 ifftshift 注意奇数时的处理fftw 能够进一步提高fft的执行效率 在真正做fft以前先执行一次plan选择最适当的fft算法 28 其他常用信号处理函数 conv 卷积w conv u v 计算向量u和v的卷积 还可以应用于多项式乘法 Letm length u andn length v Thenwisthevectoroflengthm n 1whosekthelementisThesumisoverallthevaluesofjwhichleadtolegalsubscriptsforu j andv k 1 j j max 1 k 1 n min k m 29 其他常用信号处理函数 filter 滤波标准差分仿真的直接II型横向滤波器结构实现 30 GUI形式的工具 fdatool 滤波器设计和分析工具箱SPTool AnalyzesignalsDesignfiltersAnalyze view filtersFiltersignalsAnalyzesignalspectra 31 Matlab通信工具箱 一些Matlab函数的集合 能够完成以下任务 随机信号产生信源编解码信道编解码信号分析和差错分析模拟和数字调制解调有限域运算GUI工具 BERtooleyescope 32 常用随机信号源产生函数 randerr 产生随机差错模式g randerr 5 4 1 2 0 4 0 6 表示产生一个5 4的 0 1 矩阵 Eachrowhasone 1 withprobability0 4 otherwisetwo 1 srandint 产生指定范围内的随机整数d randint 5 4 0 10 randsrc 在制定的数据范围内按照给定分布产生随机数 a randsrc 1 100 0 1 33 常用的信源编解码相关函数 quantiz 量化 index quants distor quantiz sig partition codebook compand A律或 律压扩out compand in param v out compand in Mu v mu compressor out compand in Mu v mu expander out compand in A v A compressor out compand in A v A expander dpcmenco和dpcmdeco DPCM编解码 34 Matlab通信工具箱信道编译码概述 支持线性分组码 卷积码 CRC检错码其中分组码又按照图中的类型进行划分 35 常用信道编译码函数 encode 能实现线性分组码 循环码和汉明码编码 code encode msg n k linear fmt genmat code encode msg n k cyclic fmt genpoly code encode msg n k hamming fmt prim poly code encode msg n k decode 与encode对应 实现三种码的译码 36 常用信道编译码函数 n 3 k 2 A 3 2 cycliccodemsg randint 100 k 0 1 100messages kbitseachcode encode msg n k cyclic binary noisycode rem code randerr 100 n 01 7 3 2 newmsg decode noisycode n k cyclic Trytodecode Computeerrorratefordecodingthenoisycode number ratio biterr newmsg msg disp Thebiterrorrateis num2str ratio 37 常用信道编译码函数 cyclpoly 产生循环码的生成多项式cyclgen 由生成多项式产生循环码的生成阵和校验阵pol cyclpoly 7 4 parmat genmat k cyclgen 7 pol 38 常用信道编译码函数 有关卷积码的函数poly2trellis 由生成多项式产生Trellis图trellis poly2trellis ConstraintLength CodeGenerator trellis poly2trellis ConstraintLength CodeGenerator FeedbackConnection 实际上产生的是一个格图结构体这个结构体要作为编码和译码函数的输入 convenc 卷积码编码函数code convenc msg trellis code convenc msg trellis puncpat code convenc msg trellis puncpat init state 39 常用信道编译码函数 trel poly2trellis 54 23350 0513 msg randint 10 1 2 123 Encodepartofmsg recordingfinalstateforlateruse code3 fstate convenc msg 1 6 trel Encodetherestofmsg usingstateasaninputargument code4 convenc msg 7 10 trel fstate 40 常用信道编译码函数 vitdec 用Viterbi算法对卷积码进行译码不同的调用方法对应不同情况 包括 硬判决 指定量化比特的软判决 无穷量化连续 回零 截断decoded vitdec code trellis tblen opmode dectype puncpat 41 常用信道编译码函数 42 trel poly2trellis 3 67 Definetrellis msg randint 100 1 2 123 Randomdatacode convenc msg trel Encode ncode rem code randerr 200 1 01 95 05 2 Addnoise tblen 3 Tracebacklengthdecoded1 vitdec ncode trel tblen cont hard Harddecision Useunquantizeddecisions ucode 1 2 ncode 1 常用信道编译码函数 43 Toprepareforsoft decisiondecoding maptodecisionvalues x qcode quantiz 1 2 ncode 75 5 250 25 5 75 76543210 Valuesinqcodearebetween0and2 3 1 decoded3 vitdec qcode trel tblen cont soft 3 Computebiterrorrates usingthefactthatthedecoder outputisdelayedbytblensymbols n1 r1 biterr decoded1 tblen 1 end msg 1 end tblen n2 r2 biterr decoded2 tblen 1 end msg 1 end tblen n3 r3 biterr decoded3 tblen 1 end msg 1 end tblen disp Thebiterrorratesare num2str r1r2r3 常用交织函数 matintrlv 行列交织 按行写入 按列读出randintrlv 随机交织 44 调制与解调常用函数 支持4种模拟调制和多种数字调制方式 其中对于模拟调制支持带通仿真 数字调制支持基带仿真 即低通等效模型的仿真方法 45 46 调制与解调常用函数 modulate 调制函数 实际上是Modem对象的调制方法 支持DPSK GeneralQAM MSK OQPSK PAM PSK和QAM调制方式 y modulate h x 其中h是一个Modem调制对象demodulate 解调函数 同样支持上述调制方式 47 调制与解调常用函数 x randint 10 1 8 Createasignalsource h modem qammod 8 Createamodulatorobject anddisplayitsproperties y modulate h x Modulatethesignalx g modem qamdemod h Createademodulatorobject fromamodem qammodobject anddisplayitsproperties z demodulate g y Demodulatethesignaly 48 调制与解调常用函数 解调函数还能够进行软解调 即计算每个比特的对数似然比 需要设置判决类型和噪声方差 49 升余弦滤波器设计与实现 rcosine 升余弦滤波器设计函数num rcosine Fd Fs num den rcosine Fd Fs type flag num den rcosine Fd Fs type flag r num den rcosine Fd Fs type flag r delay num den rcosine Fd Fs type flag r delay tol 类型可选择FIR或IIR 普通升余弦或平方根升余弦 rcosflt 用升余弦滤波器对输入信号进行滤波将设计与滤波结合在一起完成 50 常用信道函数 支持信道类型AWGN衰落BSCawgn AWGN信道y awgn x snr y awgn x snr sigpower y awgn x snr measured y awgn x snr sigpower state y awgn x snr measured state y awgn powertype 51 常用信道函数 y awgn x snr addswhiteGaussiannoisetothevectorsignalx Thescalarsnrspecifiesthesignal to noiseratiopersample indB Ifxiscomplex awgnaddscomplexnoise Thissyntaxassumesthatthepowerofxis0dBW y awgn x snr sigpower isthesameasthesyntaxabove exceptthatsigpoweristhepowerofxindBW y awgn x snr measured isthesameasy awgn x snr exceptthatawgnmeasuresthepowerofxbeforeaddingnoise 52 常用信道函数 y awgn x snr sigpower state isthesameasy awgn x snr sigpower exceptthatawgnfirstresetsthestateofthenormalrandomnumbergeneratorrandntotheintegerstate y awgn x snr measured state isthesameasy awgn x snr measured exceptthatawgnfirstresetsthestateofnormalrandomnumbergeneratorrandntotheintegerstate y awgn powertype isthesameastheprevioussyntaxes exceptthatthestringpowertypespecifiestheunitsofsnran