MATLAB仿真在现代通信中的应用：无线接入系统

无线接入系统9.1蓝牙系统BLUETOOTH9.2无线局域网HiperLAN29.3无线局域网802.11标准

“蓝牙”的英文为Bluetooth，是以一位几千年前统一丹麦和挪威的丹麦国王哈拉德·

布鲁图斯(HaroldBluetooth)的名字来命名的。蓝牙技术是由爱立信、诺基亚、Intel、IBM和东芝5家公司于1998年5月共同提出并开发的。9.1蓝牙系统BLUETOOTH蓝牙技术是一种支持点对点或点对多点的语音、数据业务的短距离无线通信技术。蓝牙技术产品是采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的，其传输速率最高为每秒1Mb/s，以时分方式进行全双工通信，通信距离为10m左右，配置功率放大器可以使通信距离进一步增加。蓝牙产品采用的是跳频技术，能够抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性；采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰；采用2.4GHz的ISM(即工业、科学、医学)频段，以省去申请专用许可证的麻烦；采用GFSK调制方式，使设备变得更为简单可靠；“蓝牙”技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每一个分组占用一个时隙，也可以增至5个时隙；“蓝牙”技术支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步语音的通道。“蓝牙”的每一个语音通道支持64kb/s的同步语音，异步通道支持的最大速率为721kb/s、反向应答速率为57.6kb/s的非对称连接，或者432.6kb/s的对称连接。蓝牙技术产品与因特网Internet之间的通信，使得家庭和办公室的设备不需要电缆也能够实现互通互联，大大提高了办公和通信效率。从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。说得通俗一点，就是蓝牙技术使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车产品等。

表9-1蓝牙系统的主要技术参数图9-1是一个蓝牙语音传输的仿真系统(SCHX9_1.mdl)。该系统取自MATLAB工具箱通信模块(Toolbox\Commblocks\Commblocksdemos\commbluetoothvoice)。它是由主发射(MasterTransmitter)、从接收(SlaveReceiver)和传输(AGWN、BTPathLoss)、干扰(802.11bInterferer)等主要部分，以及信号源和误码表、信号显示单元组成的仿真系统。系统的主要部分及信号流程如下：

主发射机发出的信号首先经过的两个模块是：可以由开关控制的加性白噪声传输环境和衰耗设为40dB的自由空间传播损耗模块。然后与一个设计为802.11b模式的干扰信号(同样经过40dB的自由空间传播损耗)相加。最终馈送到从接收模块。

图9-1蓝牙仿真系统(SCHX9_1.mdl)

图9-2蓝牙仿真系统发射机仿真框图

1．主发射部分

信号源采用从工作空间来的信号(SignalFromWorkspace)，采样时间为1/8000s，每帧采样数为1(语音信号采样)。提高采样速率到64ksymbol/s，以实现连续可变斜率增量调制CVSD(得到64kb/s二进制数字话音)形成有效载荷。经前向纠错编码(PayloadFECEncode)之后与报头信息组合，报头信息CRC校验，再与接入码(AccessCodes)一起打包后进入调制(GFSK)。然后与跳频序列产生器(HopSequenceGenerator(79-FSK))产生的(±39MHz共79个频率，频率间隔1MHz)跳频信号相乘完成跳频操作。经过自由空间的传输损耗为30dB。在开槽宽度为625μs中传输码元速率为1MHz的信息。随机整数发生器用于误码测试(OptionalRandomBitDataforBERtests)。

点击图9-2所示的编码调制EncodeandModulate，弹出图9-3所示原理框图。图中显示信号经CRC校验与接入码一起组合，馈入调制、跳频模块。

点击图9-3中的GFSK调制和跳频(GFSKModulateandFrequencyhop)，弹出图9-4所示原理框图。图中显示信号经连续相位调制后，与79-FSK信号相乘，完成跳频操作。

图9-3蓝牙仿真系统编码调制单元

图9-4蓝牙仿真系统跳频实现方法

2.传输部分

802.11b规定的冲突信息编织到与被传信息相邻的时间开槽中，与主发射机输出的信号相加。加上加性高斯白噪声干扰(Es/No为15dB)和自由空间传输损耗40dB。

3.接收部分

接收单元接收从传输部分来的信号，经历了发射的相反过程；在79-FSK跳频信号源作用下解跳、解包。将二进制信号经连续可变斜率增量解调CVSD还原为语音信号。

4.显示部分

可以点击开启、关闭信号的时域图、误码表以及发射功率谱的矩阵显示。蓝牙仿真系统跳频实现方法参见图9-4所示。图9-5是蓝牙仿真系统显示的图形。其中，从上到下：图(a)是跳频信号的频谱；图(b)是蓝牙信号、802.11b以及开槽信号的时域图；图(c)是跳频系统的时(水平轴)频(垂直轴)图。

图9-5蓝牙仿真系统显示的图形(a)

图9-5蓝牙仿真系统显示的图形(b)

图9-5蓝牙仿真系统显示的图形(c)图9-6、图9-7是采用与第7章7.2节跳频系统中相同的方法得到的如图9-1所示的蓝牙仿真系统的跳频记录和跳频图案。运行SCHX9_2G1(见光盘)，可得跳频记录如图9-6所示，运行SCHX9_1后再运行程序9-7(见光盘)可得跳频图9-7。

图9-6蓝牙仿真系统跳频记录

图9-7蓝牙仿真系统跳频图案

HiperLAN是欧盟在1992年提出的一个WLAN标准，HiperLAN2是它的后续版本，HiperLAN2部分建立在GSM基础上，使用频段为5GHz。在物理层上HiperLAN2和802.11a几乎完全相同，它采用OFDM技术，最大数据传输速率为54Mb/s。该技术和802.11a最大的不同是HiperLAN2不是建立在以太网基础上的，而是采用TDMA结构，形成一个面向连接的网络。9.2无线局域网HiperLAN2HiperLAN2的面向连接的特性使它很容易满足QoS要求，可以为每个连接分配一个指定的QoS，确定这个连接在带宽、延迟、拥塞、比特错误率等方面的要求。这种QoS支持与高传输速率一起保证了不同的数据序列(如视频、语音和数据等)可以同时进行高速传输。欧洲及日本的一些开发商开发采用HiperLAN2标准的产品，已有成熟的产品问世。

图9-8所示HiperLAN2仿真系统是一个演示系统(SCHX9_8)。取自工具箱通信模块(Toolbox\Commblocks\Commblocksdemos\commHiperlan2)。它是由发射、接收和传输部分，以及信号源和误码表、星座图仪、频谱仪组成的仿真系统。

图9-8HiperLAN2仿真系统(SCHX9_8.mdl)仿真系统的主要部分及信号流程如下：

1.发射部分

信号源是伯努利分布的二进制信号发生器、采样速率为36Mb/s、每帧144bit的数据流。数据格式是布尔格式Boolean。信道编码经过以下三个流程：

(1)网格结构为poly2trellis(7，[133171])，打孔矢量为[111001]的缩短卷积码，此时信号流变为192行(144

×

2

×

(2/3)=192)。

(2)矩阵交织(行数16、列数12)。

(3)参数为[[2*floor([0:191]/2)+mod(([0:191]+192-floor(16*[0:191]/192))，2)+1]的通用块交织。

调制采用矩形16QAM调制。192行的二进制码流变为48行的经16QAM调制的符号流(192/4

=

48)，然后进行归一化处理(先将数据求共轭再乘0.3162)。最后，信号送入“正交频率调制多路发射器OFDMTransmittor”。

OFDM原理框图如图9-9所示(点击图9-8中的发射模块OFDMTransmitor后弹出)。

图9-9OFDM发射机原理框图由图可见，48行数据与一个m为7的m序列编织后，成为53行的数据流。将收发端预约的信息编织到发射的信号流中，它们起一个训练序列的作用，通过接收方对训练序列的正确解调的程度，可以判断传输路径的好坏。编织的秩序是：

5(1)13(1)6(0)6(1)13(-1)5即5行信号序列之后编入一行训练序列，再编入13行的信号序列，编入一行训练序列，6行信号序列之后编入一行全零的数据，6行信号序列之后编入一行训练序列，再编入13行的信号序列，编入一行乘以-1的训练序列，最后编入5行信号序列。处理后的信号成了53行。多路选择器(MultipleSelector)的指针输出(IndicesOutput)是按以下设置的：

{1:5，6:18，19:24，25:30，31:43，44:48}将53行的数据块经过填零操作后变为64行的数据块。IFFT操作要求是2的幂次方。再将数据块的数据重新排列(填零的数据搬移到中间)，多路选择器(MultipleSelector)的指针输出(IndicesOutput)是按以下设置的：

[27:641:26]

进行反向快速傅里叶变换IFFT。紧接其后的选择器(Selector)的指针(Index)是按以下设置的:

[49:641:64]

将49到64行共16行的数据重复排列，作为循环前缀，以防止码元混叠。这样便完成了正交频分多址OFDM的操作

2.传输部分

加性高斯白噪声信道信噪比设置为15dB。

3.接收部分

OFDM接收包括去循环前缀，正向快速傅里叶变换，去填零，剔除训练序列，去归一化。

然后送入16QAM解调(十六进制数转变为二进制数)。解通用块交织，解矩阵交织，填零以实现解缩短操作，经过维特比解卷积编码，最终得到二进制基带信号。

4.显示部分

在基带信号的收发端，接上误码仪可以测试仿真系统的传输特性。在接收机的输入端放置一个频谱仪，OFDM编码前以及OFDM解调后各放置一个星座图仪。图9-10是图9-8仿真系统的信号显示图。

图9-10图9-8仿真系统的信号显示图(a)发射端调制后OFDM操作前的图9-10图9-8仿真系统的信号显示图(b)接收端解调前OFDM操作后的信号星座图

图9-10图9-8仿真系统的信号显示图(c)经过传输环境以后的信号星座图信号星座图利用图9-8的仿真系统，可以进一步探讨在不同的电路参数情况下，系统的传输特性的变化，下面是实验的内容：

(1)将图9-8所示的仿真系统中的差错控制部分的卷积码网格结构更改为poly2trellis(9，[753561])，观察与poly2trellis(7，[133171])的差别。可以将图9-8所示的仿真软件取名为SCHX9_8A，网格码结构更改后的取名为SCHX9_8B，取数模块s改为s1，加性高斯白噪声传输环境AWGN中的信噪比SNR(dB)更改为snr，运行程序9-11，可以得到图9-11所示的传输特性比较。比较二者的结果可以看出更改过的系统高信噪比有1dB的优势。

程序9-11

clear

ErproVec=3:1:18;

forn=1:length(ErproVec)

snr=ErproVec(n);

sim('SCHX9_8A')

S2(n)=[mean(s)]';

S1(n)=log10(S2(n)+eps);

S3(n)=S2(n)+eps;

EN(n)=[ErproVec(n)]';

sim('SCHX9_8B')

S21(n)=[mean(s1)]';

S11(n)=log10(S21(n)+eps);

S31(n)=S21(n)+eps;

EN(n)=[ErproVec(n)]';

end

semilogy(EN，(S3)，'r.-'，EN，(S31)，'b')

grid

title('(7，[133171])'R与(9，[753561])'B卷积编码的传输特性比较')

xlabel('SNR')

ylabel('erroratioLOG')

图9-11更改卷积码的网格结构后的传输特性比较

(2)将图9-8所示的仿真系统中的差错控制部分的矩阵交织参数更改为行8列24，并观察与原来行16列12的差别，可以将图9-10所示的仿真软件取名为SCHX9_8A，交织参数更改后的取名为SCHX9_8C，取数模块s改为s2，加性高斯白噪声传输环境AWGN中的信噪比SNR(dB)更改为snr，更改title的内容。运行程序9-12(见光盘)可以得到图9-12所示的传输特性比较。比较二者的结果可以看出更改过的系统高信噪比有2dB的优势。

图9-12更改交织编码参数后的传输特性比较

(3)将图9-8所示的仿真系统中的差错控制部分的卷积码网格结构更改为poly2trellis(5，[31273533])，打孔率仍然是2/3；差错控制部分的矩阵交织参数更改为行16列24，通用交织参数更改为[192:-1:1，193:384]，反向快速傅里叶变换长度为128(OFDM中的选择器参数需作适当调整)。观察与原仿真系统的差别，可以将图9-8所示的仿真软件取名为SCHX9_8A，更改后的取名为SCHX9_8D，取数模块s改为s3，加性高斯白噪声传输环境AWGN中的信噪比SNR(dB)更改为snr，更改title的内容。运行程序9-13(见光盘)可以得到图9-13所示的传输特性比较。比较二者的结果可以看出更改过的系统低信噪比有一定优势。

图9-13更改交织编码与快速傅里叶反变换后的传输特性比较

(4)将图9-8所示的仿真系统中的调制参数更改为64QAM、256QAM，观察与原poly2trellis(5，[31273533])的差别，打孔率分别是1/2和2/3；可以将图9-8所示的仿真软件取名为SCHX9_8A，参数更改后的取名为SCHX9_8E，取数模块s改为s4和SCHX9_8F，取数模块s改为s5，加性高斯白噪声传输环境AWGN中的信噪比SNR(dB)更改为snr，更改title的内容，运行程序9-14(见光盘)。得到具有三条传输特性曲线的图9-14。比较三者的结果可以看出MQAM调制当M大时系统传输性能比较差。

图9-14更改调制参数后的传输特性比较

全球第一个无线局域网标准—IEEE802.11是由IEEE成立的无线局域网委员会于1997年6月制定的。作为第一代无线局域网标准，IEEE802.11建立了无线局域网的拓扑结构，定义了媒体访问控制(MAC)协议、物理层(PHY)和逻辑链路层的规范，并允许无线局域网及无线设备制造商在一定范围内建立互操作网络设备。9.3无线局域网802.11标准随着无线技术的不断发展，接入速率突破了IEEE802.11标准规定的2Mb/s速率。IEEE802.11工作组又发布了IEEE802.11b和IEEE802.11a标准，将无线速率提高到11Mb/s和54Mb/s。

802.11b在2.4GHzISM频段开发更高速率的物理层标准，该标准的传输速率最高可达11Mb/s，这样实际扩大了无线局域网的应用领域，被称为“Wi-Fi”标准。802.11标准在扩频时是一个11位调制芯片，而802.11b标准采用一种新的调制技术CCK(ComplementaryCodeKeying)来完成。它采用了补码序列与直序列扩频技术，是一种单载波调制技术，通过PSK方式传输数据，传输速率分别为1Mb/s、2Mb/s、5.5Mb/s和11Mb/s。802.11b使用动态速率漂移，可因环境变化在11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s之间切换，且在2Mb/s、1Mb/s速率时与802.11兼容。实际的工作速度在5Mb/s左右，与普通的10Base-T规格有线局域网几乎是处在同一水平，可以基本满足使用的要求。

802.11a工作在5GHzUNII频带，任务组a在5GHzUNII(UnlicensedNationalInformationInfrastructure)频段开发新的物理层标准，使用52个正交频分多路复用副载波，最大原始数据传输率为54Mb/s，这达到了现实网络中等吞吐量(20Mb/s)的要求。该标准采用正交频分复用(OFDM)技术；可提供25Mb/s的无线ATM接口、10Mb/s的以太网无线帧结构接口，以及TDD/TDMA的空中接口；支持语音、数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。该标准被视为下一代高速无线局域网络，被称为“Wi-Fi5”标准。

表9-1三种不同的IEEE802.11扩展标准的特性图9-15所示的802.11a仿真系统(SCHX9_15.mdl)是一个按照IEEE802.11a标准构建的端到端的物理层演示系统。取自工具箱通信模块(Toolbox\Commblocks\Commblocksdemos\commwlan80211a)。它是由发射、接收和传输部分，还有信号源和误码表及信号显示系统组成的仿真系统。它支持6Mb/s、9Mb/s、12Mb/s、18Mb/s、24Mb/s、36Mb/s、48Mb/s和54Mb/s的数据率。可以根据多径信道的变化动态地调整调制方式，以恰当地发射数据率，适应传输信道的变化。

图9-15802.11a仿真系统(SCHX9_15.mdl)系统的主要组成部分及信号流程如下。

1.发射机部分

可变速率数据源多元调制器池，数据源的数据速率及调制器的调制元数受模式(Mode)值的控制。模式值在1～8之间变化，多元调制在BPSK、QPSK、16QAM、64QAM之间跳变。调制后的信号被组合成48

×

20大小的OFDM符号；在构成OFDM帧(AssembleOFDMFrame)的模块中。模块框图如图9-16所示。

图9-16装配OFDM帧

48

×

20的被调制信号，与1

×

20(输入口1)的引导Pilot信号编织成53

×

20的数据块，再与53

×

4(输入口2)的训练序列Training信号编织成53

×

24的OFDM数据帧。经过填零Pad模块帧长变为64

×

24，再将填零的11

×

24摆放到中间行。进行反向快速傅里叶变换变成64

×

24的时域序列；添加循环前缀(AppendCyclePrefix)后成为80

×

24的OFDM帧。最后经过OFDM帧多路器(MultiplexOFDMFrames)，整形为1920

×

1的数据流。

2.传输信道部分

具有可变的信噪比和多径衰落特性。

3.接收机部分