MATLAB在数字通信仿真系统上的应用

1、第5卷第19期(2009年7月MATLAB在数字通信仿真系统上的应用李超(山东科技大学信息与电气工程学院,山东青岛266510摘要:现代计算机科学技术快速发展,己经研发出了新一代的可视化的仿真软件MATLAB。这些功能强大的仿真软件,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。采用MATLAB/Simulink动态仿真环境搭建了数字通信系统仿真的通用平台,给出了详细的实现方法和仿真范例,充分显示了MATLAB/Simulink仿真环境在数字通信系统应用上的重要性。关键词:可视化;仿真软件;MATLAB;动态仿真;数字通信系统中图分类号:TP3

2、91.9文献标识码:A文章编号:1009-3044(200919-5227-02Appliance of Digital Communication System Simulation Based on MATLABLI Chao(College of Information and Electric Engineering,Science and Technology of Shandong University,Qingdao266510,China Abstract:The rapid development of computer science causes the successf

3、ul research and development of new generation visual simulation software.The simulation software is powerful which makes the process of design and analysis of communications system simulation more intutitional and convenient.Today,the communications system simulation is rapid developing.This paper c

4、onstructs a general simulation platform on digital communication system using MATLAB/Simulink dynamic simulation circumstances,provides the detailed methods and some simulation examples.This shows fully that MATLAB/Simulink is important in the appliance of digital communication system.Key words:Visu

5、al;simulation software;MATLAB;dynamic simulation;digital communication system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。实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统,对这个系统作出的任何改变(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作出改进或建立一个新系统之前,通常需要对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

6、数设置,然后再应用于实际系统中,这个过程就是通信系统仿真1。MATLAB的名称源自Matrix Laboratory,它是一种科学计算软件,专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起,并提供了大量的内置函数,从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作2。利用M语言还开发了相应的MATLAB专业工具箱函数供用户直接使用。这些工具箱用的算法是开放的可扩展的,用户不仅可以查看其中的算法,还可以针对一些算法进行改进,甚至允许开发自己的算法扩充工具箱的功能。目前MATLAB产品的工具箱有四十多个,分别涵盖了数据获取、科学计算、控制系统设计与

7、分析、数字信号处理、数字图像处理、融财务分析以及生物遗传工程等专业领域3。Simulink是MATLAB为模拟动态系统而提供的一个交互式程序。Simulink允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统,并动态地控制该系统。采用鼠标驱动方式,能够处理线性、非线性、连续、离散等多种系统。它还提供了两个应用程序扩展,分别是Simulink extensions和Blocksets4。MATLAB是MATLAB产品家族的基础,它提供了基本的数学算法,例如矩阵运算、数值分析算法,MATLAB集成了2D和3D图形功能,以完成相应数值可视化的工作,并且提供了一种交互式的高级编程语言M语言,利用M语言可以通过编写

8、脚本或者函数文件实现用户自己的算法5。1通信系统仿真技术通信系统仿真一般分成3个步骤,即仿真建模、仿真实验和仿真分析6。应该注意的是,通信系统仿真是一个螺旋式发展的过程,由图1我们可以看出。因此,这3个步骤可能需要循环执行多次之后才能够获得令人满意的仿真结果。1.1仿真建模仿真建模是根据实际通信系统建立仿真模型的过程,它是整个通信系统仿真过程中的一个关键步骤,因为仿真模型的好坏直接影响着仿真结果的真实性和可靠性。仿真模型一般是一个数学模型。数学模型有多种分类方式,包括确定性模型和随机性模型,静态模型和动态模型7。确定性模型的输入变量和输出变量都有固定数值,而在随机模型中,至少有一个输入变量是随

9、机的。静态模型不需要考虑时间变化因素,动态模型的输入输出变量则需要考虑时间变化因素。一般情况下,通信系统模型是一个随机动态系统。收稿日期:2009-04-23图1通信系统仿真流程图ISSN1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.5,No.19,July2009,pp.5227-5228E-mail:eduf Tel:+86-551-569096356909645227 人工智能及识别技术本栏目责任编辑:唐一东本栏目责任编辑:唐一东人工智能及识别技术Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术

10、第5卷第19期(2009年7月1.2仿真实验仿真实验是一个或一系列针对仿真模型的测试。在仿真实验过程中,通常需要多次改变仿真模型输入信号的数据,以观察和分析仿真模型对这些输入信号的反应,以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能。需要强调的一点是,仿真过程中使用的输入数据必须具有一定的代表性,即能够从各个角度显著地改变仿真输出信号的数值。在仿真建模过程中,首先需要分析实际系统存在的问题或设立系统改造的目标,并且把这些问题和目标转化成数学变量和公式。例如,我们可以设定改造后系统或新系统在达到系统最大容量时的误帧率等等。1.3仿真分析仿真分析是一个通信系统仿真流程中的最后一个步骤。在仿真分析过程中,用

11、户已经从仿真过程中获得了足够多的关于系统性能的信息,但是这些信息只是一个原始的数据,一般还需要经过数值分析和处理才能够获得衡量系统性能的尺度,从而获得对仿真系统的一个总体评价。常用的系统性能尺度包括平均值、方差、标准差、最大值和最小值等,它从不同的角度描绘了仿真系统的性能。图表是最简洁的说明工具,它具有很强的直观性,便于分析和比较,因此,仿真分析结果一般都绘制成图表形式8。我们使用的仿真工具一般都具有很强的绘图功能,能够便捷地绘制各种类型的图表。2仿真应用实例我们将根据MATLAB 的两种仿真方法Simulink 动态仿真环境和M 文件,对数字通信系统中两种常用的调制方式BFSK 和BP -S

12、K 的性能进行比较,并给出仿真结果。2.1Simulink 仿真模块是建立Simulink 模型的基本单元,用适当的方式把各种模块连接在一起就能够建立任何动态系统模型。下面就以建立分别使用BFSK 和BPSK 调制解调技术的数字通信系统为例,说明仿真模型的构建过程。该系统有3个子模块构成:发射模块、信道模块和接受模块。整个系统如图2和3所示: 图2BFSK 信号在高斯白噪声信道中的传输系统图3BPSK 信号在高斯白噪声信道中的传输系统这两个传输系统的信源都是贝努力二进制序列产生器(Bernoulli Binary Generator ,在接收端解调后的信号通过误码率计算器(Error Rate

13、 Calculation 计算信号的误比特率。利用加性高斯白噪声信道(AWGN Channel 模块,在输入信号中加入高斯白噪声。通过选择器(Selector将译码器输出信号的第一个数据导入工作空间。通过改变加性高斯白噪声信道模块中的信噪比参数(SNR 和选择器输出的第一个数据误码率,我们可以动态的观察这两种调制方式在不同信噪比下的误码率仿真结果,从而比较这两种调制方式的性能。2.2M 文件仿真利用MATLAB 的专业工具箱函数编写M 文件,对BFSK 和BPSK 这两种调 制方式下误码率和信噪比的关系进行仿真。其仿真结果如图4所示。图4中X 轴表示信噪比(单位:dB ,Y 轴表示信号的误比特

14、率(对数坐标。从图中看以看出,在加性高斯白噪声信道下,对二进制码源来说,BPSK 性能要优于BFSK ,因此要获得好的传输效果采用BPSK 要比BFSK 要好。这个仿真只是我们的一个特例,在现实通信系统设计中,面临的无线传输环境要远远的复杂,我们仍然可以通过MATLAB 的仿真给出可供参考的方案。3结束语本文首先介绍了通信系统仿真技术,然后基于MATLAB/Simulink 动态仿真环境和M 文件方法给出了一个实例并进行了研究。从仿真结果表明基于MATLAB 通信系统仿真在通信系统工程设计中起着举足轻重的作用。参考文献:1Jeruchim M C.通信系统仿真建模、方法和技术M.北京:国防工业出版社,2004.2张葛祥,李娜.MATLAB 仿真技术与应用M.北京:清华大学出版社,2003.3孙亮.MATLAB 语言与控制系统仿真M.北京:北京工业大学出版社,2001.4肖伟,刘忠.MATLAB 程序设计与应用M.北京:清华大学出