【正文】 正文 1 1 前 言 信號(hào)調(diào)制仿真的概念 仿真是衡量系統(tǒng)性能的工具，它通過(guò)仿真模型的仿真結(jié)果來(lái)判斷原系統(tǒng)的性能從而為新系統(tǒng)的建立或原系統(tǒng)的改造提供可靠的參考。通過(guò)仿真，可以降低新系統(tǒng)失敗的可能性，消除系統(tǒng)中潛在的瓶頸，防止對(duì)系統(tǒng)中某些功能部件造成過(guò)量的負(fù)載，優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能，因此，仿真是科學(xué)研究和工程建設(shè)中不可缺少的方法 [12]。 實(shí)際的信號(hào)調(diào)制是一個(gè)功能結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)這個(gè)系統(tǒng)做出的任何改變 (如改變某個(gè)參數(shù)的設(shè)置、改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等 )都可能影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。因此，在對(duì)原有的系統(tǒng)作出改進(jìn) 或建立一個(gè)新系統(tǒng)之前，通常需要對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。通過(guò)仿真結(jié)果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)置，然后再應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中，這個(gè)過(guò)程就是信號(hào)調(diào)制仿真 [3]。 與一般的仿真過(guò)程類似，在對(duì)信號(hào)調(diào)制實(shí)施仿真之前，首先需要研究信號(hào)調(diào)制的特性，通過(guò)歸納和抽象建立信號(hào)調(diào)制的仿真模型。圖 11 是關(guān)于信號(hào)調(diào)制仿真流程的一個(gè)示意圖。 圖 11 仿真流程示意圖 從圖中可以看到，信號(hào) 調(diào)制仿真是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，它從當(dāng)前系統(tǒng)出發(fā)，通過(guò)分析建立起一個(gè)能夠在一定程度上描述原信號(hào)調(diào)制的仿真模型，然后通過(guò)仿真當(dāng)前系統(tǒng) 改造后系統(tǒng) 仿真分析 仿真實(shí)驗(yàn) 仿真建模 結(jié)論分析 實(shí)際系統(tǒng) 仿真系統(tǒng) 正文 2 實(shí)驗(yàn)得到相關(guān)的數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)的分析可以得到相應(yīng)的結(jié)論，然后把這個(gè)結(jié)論應(yīng)用到對(duì)當(dāng)前信號(hào)調(diào)制系統(tǒng)的改造中。值得注意的是，信號(hào)調(diào)制仿真并不是一個(gè)機(jī)械的過(guò)程，它實(shí)際上是人的思維活動(dòng)在計(jì)算機(jī)協(xié)助下的一種延伸。 信號(hào)調(diào)制仿真問(wèn)題的提出、研究?jī)r(jià)值及研究現(xiàn)狀 信號(hào)調(diào)制仿真問(wèn)題的提出 信號(hào)調(diào)制的性能可以用基于公式的計(jì)算方法、波形級(jí)仿真或通過(guò)硬件樣機(jī)研究和測(cè)量來(lái)估計(jì)得到。以簡(jiǎn)化模型為 基礎(chǔ)的公式法只能應(yīng)用于一些理想化和過(guò)于簡(jiǎn)單的例子，要想估計(jì)出復(fù)雜信號(hào)調(diào)制的性能是非常困難的。基于測(cè)量的性能估計(jì)方法通常代價(jià)很高，并且很不靈活。用基于仿真的方法來(lái)估計(jì)性能時(shí)，系統(tǒng)可以用任何所期待的細(xì)節(jié) (主觀的，當(dāng)然有一定局限 )來(lái)模擬。與公式法或測(cè)量法相比較。仿真的方法能更好的利用設(shè)計(jì)空間，很容易將數(shù)學(xué)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)合起來(lái)，并結(jié)合設(shè)備和真實(shí)信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。 信號(hào)調(diào)制仿真問(wèn)題的研究?jī)r(jià)值 信號(hào)調(diào)制仿真實(shí)質(zhì)上就是把硬件實(shí)驗(yàn)搬進(jìn)了計(jì)算機(jī)，可以把它看成是一種軟件實(shí)驗(yàn)。在硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，用各種電子元器件 制作出信號(hào)調(diào)制中的理論模型所規(guī)定的各個(gè)模塊，再把它們通過(guò)導(dǎo)線或電纜等接在一起，然后再用示波器、頻譜議、誤碼儀等信號(hào)調(diào)制儀表做各種測(cè)量，最后分析測(cè)量結(jié)果。在軟件實(shí)驗(yàn)中我們也是這樣做，只不過(guò)所有信號(hào)調(diào)制模塊及信號(hào)調(diào)制儀表的功能都是用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，信號(hào)調(diào)制的全過(guò)程在計(jì)算機(jī)中仿真運(yùn)行。 與硬件實(shí)驗(yàn)相比，軟件實(shí)驗(yàn)具有如下一些優(yōu)點(diǎn) [4]： (1)軟件實(shí)驗(yàn)具有廣泛的適應(yīng)性和極好的靈活性。在硬件實(shí)驗(yàn)中改變系統(tǒng)參數(shù)也許意味著要重做硬件，而在軟件實(shí)驗(yàn)中則是改一、兩個(gè)數(shù)據(jù)，甚至只是在屏幕上按幾下鼠標(biāo)。 (2)軟件實(shí)驗(yàn)更有助于我們 較為全面地研究信號(hào)調(diào)制。有許多問(wèn)題，通過(guò)硬件實(shí)驗(yàn)來(lái)研究可能非常困難，但在軟件實(shí)驗(yàn)中卻易于解決。 （ 3）硬件實(shí)驗(yàn)的精確度取決于元器件及工藝水平，軟件實(shí)驗(yàn)的精度取決于CPU 的運(yùn)算速度或者說(shuō)是程序的運(yùn)算量。 (4)軟件實(shí)驗(yàn)建設(shè)開(kāi)發(fā)周期短，成本低。 信號(hào)調(diào)制仿真問(wèn)題的研究現(xiàn)狀 計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展十分迅速，出現(xiàn)了大量實(shí)用仿真軟件與工具，并應(yīng)用于信號(hào)調(diào)制建模，分析和設(shè)計(jì)，使得信號(hào)調(diào)制仿真發(fā)展很快。計(jì)算機(jī)正文 3 輔助技術(shù)基本上有兩大類 [5]，一是基于公式的方法，用計(jì)算機(jī)計(jì)算復(fù)雜的公式；二是用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的 信號(hào)波形，即波形級(jí)仿真。 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，新一代的可視化的仿真軟件的使用使得信號(hào)調(diào)制仿真的設(shè)計(jì)和分析過(guò)程變得相對(duì)直觀和便捷，推動(dòng)了信號(hào)調(diào)制仿真的快速發(fā)展。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容 現(xiàn)代通信的發(fā)展要求信號(hào)調(diào)制技術(shù)越來(lái)越強(qiáng)，性能越來(lái)越高，構(gòu)成越來(lái)越復(fù)雜 ； 另一方面，要求信號(hào)調(diào)制技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)縮短周期，降低成本，提高水平。這樣尖銳對(duì)立的兩個(gè)方面的要求，只有通過(guò)使用強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)技術(shù)和工具才能實(shí)現(xiàn)。信號(hào)調(diào)制仿真貫穿信號(hào)調(diào)制工程設(shè)計(jì)的全過(guò)程，對(duì)信號(hào)調(diào)制技術(shù)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。 本論文針對(duì)信號(hào)調(diào)制仿真的研究主要做了以下的工作 : (1)介紹了信號(hào)調(diào)制仿真的相關(guān)內(nèi)容，包括信號(hào)調(diào)制仿真的一般步驟 和MATLAB 中的一種可視化仿真工具 Simulink。 (2)對(duì)信號(hào)調(diào)制中的主要環(huán)節(jié)，包括 信道、 噪聲以及信號(hào)調(diào)制的原理、方法和過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。 (3)在理解信號(hào)調(diào)制理論的基礎(chǔ)上，利用 MATLAB 強(qiáng)大的仿真功能，設(shè)計(jì)了具體的信號(hào)調(diào)制模型。在模型的設(shè)計(jì)過(guò)程，對(duì)模型設(shè)計(jì)的目的、具體的結(jié)構(gòu)組成、仿真流程以及仿真結(jié)果都給出了具體詳實(shí)的說(shuō)明和分析。 2 仿真步驟及 MATLAB 簡(jiǎn)介 仿真的一 般步驟 仿真一般分成 三 個(gè)步驟，即仿真建模、仿真實(shí)驗(yàn)和仿真分析 [6]。應(yīng)該注意的是，信號(hào)調(diào)制仿真是一個(gè)螺旋式發(fā)展的過(guò)程，因此，這 三 個(gè)步驟可能需要循環(huán)執(zhí)行多次之后才能夠獲得令人滿意的仿真結(jié)果。 仿真建模 仿真建模是根據(jù)實(shí)際信號(hào)調(diào)制建立仿真模型的過(guò)程，它是整個(gè)信號(hào)調(diào)制仿真過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵步驟，因?yàn)榉抡婺Ｐ偷暮脡闹苯佑绊懼抡娼Y(jié)果的真實(shí)性和可靠性。 正文 4 仿真模型一般是一個(gè)數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型有多種分類方式，包括確定性模型和隨機(jī)性模型，靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型 [7]。確定性模型的輸入變量和輸出變量都有固定數(shù)值，而在隨 機(jī)模型中，至少有一個(gè)輸入變量是隨機(jī)的。靜態(tài)模型不需要考慮時(shí)間變化因素，動(dòng)態(tài)模型的輸入輸出變量則需要考慮時(shí)間變化因素。一般情況下，信號(hào)調(diào)制模型是一個(gè)隨機(jī)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。 在仿真建模過(guò)程中，首先需要分析實(shí)際系統(tǒng)存在的問(wèn)題或設(shè)立系統(tǒng)改造的目標(biāo)。并且把這些問(wèn)題和目標(biāo)轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)變量和公式。例如，我們可以設(shè)定改造后系統(tǒng)或新系統(tǒng)在達(dá)到系統(tǒng)最大容量時(shí)的誤幀率等等。有了上面的準(zhǔn)備工作，下一步就可以通過(guò)仿真軟件來(lái)建立仿真模型了。最簡(jiǎn)單的工具包括 MATLAB、OPNET、 NS2 等，這些軟件具有各自不同的特點(diǎn)，適用于不同層次的信號(hào)調(diào)制仿 真 [8]。 仿真實(shí)驗(yàn) 仿真實(shí)驗(yàn)是一個(gè)或一系列針對(duì)仿真模型的測(cè)試。在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通常需要多次改變仿真模型輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)，以觀察和分析仿真模型對(duì)這些輸入信號(hào)的反應(yīng)，以及仿真系統(tǒng)在這個(gè)過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的性能。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，仿真過(guò)程中使用的輸入數(shù)據(jù)必須具有一定的代表性，即能夠從各個(gè)角度顯著地改變仿真輸出信號(hào)的數(shù)值。 仿真的運(yùn)行實(shí)際上是計(jì)算機(jī)的計(jì)算過(guò)程，這個(gè)過(guò)程一般不需要人工干預(yù)，花費(fèi)的時(shí)間由仿真的復(fù)雜度確定。如果需要比較仿真系統(tǒng)在不同參數(shù)設(shè)置下的性能，應(yīng)該使仿真系統(tǒng)在取不同參數(shù)值時(shí)具有相同的輸入信 號(hào)，這樣才能夠保證分析和比較的客觀性和可靠性。 仿真分析 仿真分析是一個(gè)信號(hào)調(diào)制仿真流程中的最后一個(gè)步驟。在仿真分析過(guò)程中，用戶已經(jīng)從仿真過(guò)程中獲得了足夠多的關(guān)于系統(tǒng)性能的信息，但是這些信息只是一個(gè)原始的數(shù)據(jù)，一般還需要經(jīng)過(guò)數(shù)值分析和處理才能夠獲得衡量系統(tǒng)性能的尺度，從而獲得對(duì)仿真系統(tǒng)的一個(gè)總體評(píng)價(jià)。常用的系統(tǒng)性能尺度包括平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值和最小值等，它們從不同的角度描繪了仿真系統(tǒng)的性能。 圖表是最簡(jiǎn)潔的說(shuō)明工具，它具有很強(qiáng)的直觀性，便于分析和比較，因此，仿真分析的結(jié)果一般都繪制成圖表 形式 [9]。我們使用的仿真工具一般都具有很強(qiáng)的繪圖功能，能夠便捷地繪制各種類型的圖表。 MATLAB 與 Simulink 簡(jiǎn)介 正文 5 MATLAB 的名稱源自 Matrix Laboratory，它是一種科學(xué)計(jì)算軟件，專門(mén)以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。 MATLAB 將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作，而且利用 MATLAB 產(chǎn)品的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，可以非常容易地對(duì) MATLAB 的功能進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對(duì)問(wèn)題認(rèn)識(shí)的同時(shí)，完善MATLAB 產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競(jìng)爭(zhēng)能力 [1011]。 MATLAB 是 MATLAB 產(chǎn)品家族的基礎(chǔ)，它提供了基本的數(shù)學(xué)算法，例如矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析算法， MATLAB 集成了 2D 和 3D 圖形功能，以完成相應(yīng)數(shù)值可視化的工作，并且提供了一種交互式的高級(jí)編程語(yǔ)言 — M 語(yǔ)言，利用 M 語(yǔ)言可以通過(guò)編寫(xiě)腳本或者函數(shù)文件實(shí)現(xiàn)用戶自己的算法 [12]。 Simulink 是 MATLAB 提供的用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的工具包。Simulink 提供了專門(mén)用于顯示輸出信號(hào)的模塊，可以在仿真過(guò)程中隨時(shí)觀察仿真結(jié)果。 3 信道和噪聲研究及 其仿真 信道模型及其分類 信道是傳輸 不同類型通信業(yè)務(wù)的各種物理媒體 的通道 [14]，發(fā)送端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信源編碼和信號(hào)調(diào)制轉(zhuǎn)化成調(diào)制信號(hào)，然后通過(guò)信道到達(dá)接收端，在接收端通過(guò)與發(fā)送端相反的過(guò)程得到原始數(shù)據(jù)。信道的傳輸質(zhì)量影響這些信號(hào)的接收與解調(diào)。這種影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是產(chǎn)生噪聲，二是減弱信號(hào)的強(qiáng)度和改變信號(hào)的形狀。信號(hào)調(diào)制仿真的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使接收端能夠毫無(wú)差別地再現(xiàn)發(fā)送端發(fā)送的原始數(shù)據(jù)。因此，在設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)制仿真的過(guò)程中，信道對(duì)傳輸信號(hào)的影響是一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。 在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中，它會(huì)不可避免地 受到各種干擾，這些干擾統(tǒng)稱為“噪聲”。加性高斯白噪聲 （ AWGN） 是一種常見(jiàn)的噪聲，它存在于各種傳輸媒介中，包括有線信道和無(wú)線信道。在無(wú)線信道中，信號(hào)在受到加性高斯白噪聲干擾的同時(shí)，還會(huì)受到瑞利衰落或倫琴衰落的影響。 信道可分為有界與無(wú)界兩大類，即通常所說(shuō)的有線信道與無(wú)線信道。前者如雙絞線、電纜、光纖、波導(dǎo)等，后者為自由空間提供的各種頻段或波長(zhǎng)的電磁波傳播信道。 正文 6 根據(jù)各種信道不同的特征和參量及其變化情況，又將它們分為恒參信道和隨參信道。前者如有線信道、微波與衛(wèi)星信道等，后者如無(wú)線系統(tǒng)的短波和超短波散射信道 。 恒參信道 恒參信道是指由架空明線、電纜、中長(zhǎng)波地波傳輸，超短波及微波視距傳輸，人造衛(wèi)星中繼，光導(dǎo)纖維以及光波視距傳輸?shù)葌鬏斆襟w構(gòu)成的信道。 恒參信道以有線信道為最典型，其特征參數(shù)