【文章內容簡介】 analyses the intention, configuration, simulation links and simulation results. In the end, the paper summarizes main content of the research and some following study and research objects are suggested. Key Words: MATLAB, Digital Communication, System Design 湖南工程學院畢業(yè)設計（論文） 3 前 言 在過去的幾十年里，通信和信號處理系統(tǒng)的復雜程度顯著地提高了。與此同時出現(xiàn)了一系列新的技術，如 ： 用于數字信號 處理的價格不高但速度很快的硬件、光纖光學器件、集成光學設備 和單片微波集成電路，這些對通信系統(tǒng)的實現(xiàn)均有重要影響。通信系統(tǒng)復雜度的提高使得用來分析和設計系統(tǒng)的時間和精力也相應提高了，然而在商用產品中引入新技術要求設計能做到短時、高效、省力，而這些要求只有通過使用強大的計算機輔助分析和設計工具才能實現(xiàn)。所以，通信系統(tǒng)仿真在通信系統(tǒng)工程設計中起著舉足輕重的作用。 雖然軟件實驗不像硬件實驗那樣讓人感到 “ 真實 ” ，但對于許多通信問題的研究來說的確非常有效。與硬件實驗相比，軟件實驗具有如下一些優(yōu)點： (1) 軟件實驗具有廣泛的適應性和極好的靈活性。在硬件實驗中改變系統(tǒng)參數也許意味著要重做硬件，而在軟件實驗中則是改一、兩個數據，甚至只是在屏幕上按幾下鼠標。 (2) 軟件實驗更有助于我們較為全面地研究通信系統(tǒng)。有許多問題，通過硬件實驗來研究可能非常困難，但在軟件實驗中卻易于解決。 （ 3）硬件實驗的精確度取決于元器件及工藝水平，軟件實驗的精度取決于 CPU 的運算速度或者說是程序的運算量。 (4) 軟件實驗建設開發(fā)周期 短，成本低。 而且 近年來，隨著計算機硬件性能的不斷提升和計算機軟件技術的飛速發(fā)展，利用計算機進行實驗系統(tǒng)仿真成為一種國際潮流。國內也逐步開始了這一方面的工作，并正取得積極的成果。 數字通信系統(tǒng)的 MATLAB 設計與仿真 4 第一章 MATLAB 與通信仿真 MATLAB 簡介 Matlab 軟件系列產品 是一套 高效強大的工程技術數值運算和系統(tǒng)仿真軟件，廣泛應用于當今的航空航天、汽車制造、半導體創(chuàng)造、電子通信、醫(yī)學研究、財經研究和高等教育答領域，被譽為“巨人肩膀上的工具”，研發(fā)人員借助 Matlab 軟件能迅速測試設計構想，綜 合評測系統(tǒng)性能，快速設計 出 更好 的 方案來確保更高技術的要求。同時， Matlab也是國家教委重點提倡的一種計算工具。綜合起來， Matlab 有以下幾個特點： （ 1） 友好的工作平臺和編程環(huán)境 Matlab 由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用 Matlab 的函數和文件，其中 許多 工具采用的是圖形用戶界面。包括 Matlab 桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著 Matlab 的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級， Matlab 的用戶界面也越來越精致，更加接近 Windows的標準界面，人機交互性更強，操作更簡單。而且新版本的 Matlab 提供了完整的聯(lián)機查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調試系統(tǒng)，程序不必經過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析 。 （ 2） 簡單易用的程序語言 Matlab 一個高級的距陣 /陣列語言，它包含控制語句、函數、數據結構、輸入和輸出和面向對象編程特點。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應用程序 (M 文件 )后再一起運行。新版本的 MATLAB 語言是基于最為 流行的 C＋＋語言基礎上的，因此語法特征與 C＋＋語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數學表達式的書寫格式。使之更利于非計算機專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強，這也是 Matlab 能夠深入到科學研究及工程計算各個領域的重要原因。 （ 3） 強大的科學計算機數據處理能力 Matlab 是一個包含大量計算算法的集合。其擁有 600 多個工程中要用到的數學運算函數，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況 下，可以用它來代替底層編程語言，如 C 和 C++ 。在計算要求相同的情況下，使用 Matlab 的編程工作量會大大減少。 MATLAB 的這些函數集 合 包括從最簡單最基本的函數到諸如距陣，特湖南工程學院畢業(yè)設計（論文） 5 征向量、快速傅立葉變換的復雜函數。函數所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數據的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復數的各種運算、三角函數和其他初等數學運算、多維數組操作以及建模動態(tài)仿真等。 （ 4） 出色的圖形處理功能 Matlab 自產生之日起就具有方便的數據 可視化功能，以將向量和距陣用圖形表現(xiàn)出來 ， 并且可以對圖形進行標注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖?？捎糜诳茖W計算和工程繪圖。新版本的 Matlab 對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使他不僅在一般數據可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數據的表現(xiàn)等）， Matlab 同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等， Matlab 也有相應的功能函 數，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的 Matlab 還著重在圖形用戶界面（ GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足 。 （ 5） 應用廣泛的模塊集合工具箱 Matlab 對許多專門的領域都開發(fā)了功能強大的模塊集和工具箱。一般來說，他們都是由特定領域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前， Matlab 已經把工具箱延伸到了科學研究和工程應用的諸多領域，諸如數據采集、數據庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經網絡、小波分 析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設計、 LMI 控制、魯棒控制、模型預測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、 DSP 與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（ Toolbox）家族中有了自己的一席之地。 （ 6） 實用的程序接口和發(fā)布平臺 新版本的 Matlab 可以利用 Matlab 編譯器和 C/C++數學庫和圖形庫，將自己的 Matlab程序自動轉換為獨立于 Matlab 運行的 C 和 C++代碼。允許用戶編寫可以和 Matlab 進行交互的 C 或 C＋＋語言程序。另外， Matlab 網頁服務程序還容許在 Web 應用中使用自己的 Matlab 數學和圖形程序。 Matlab 的一個重要特色就是他有一套程序擴展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應用子程序。工具箱是 Matlab 函數的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學科專業(yè)和應用而定制的，主要包括信號處理、控制系統(tǒng)、神經網絡、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應用。 （ 7） 應用軟件開發(fā)（包括用戶界面） 數字通信系統(tǒng)的 MATLAB 設計與仿真 6 在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強大的圖形標注和處理功能，包括對 性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向 Excel 和 HDF5。 通信仿真 仿真是衡量系統(tǒng)性能的 工 具，它通過仿真模型的 仿真結果來 推斷原系統(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，防止對系統(tǒng)中某些功能部件造成過量的負載，優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能，因此，仿真是科學研究和工程建設中不可缺少的方法。 實際的通信系統(tǒng)是一個功能結構相當復雜的系統(tǒng)，對這個系統(tǒng)做出的任何改變 (如改變某個參數的設置、改變系統(tǒng)的結構等 )都可能影響到整個系統(tǒng)的性能和 穩(wěn)定。因此，在對原有的通信系統(tǒng)做出改進或建立一個新系統(tǒng)之前，通常需要對這個系統(tǒng)進行建模和仿真，通仿真結果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和參數設置，然后再應用于實際系統(tǒng)中。這個過程就是通信仿真。 通信仿真的概念 通信仿真是衡量通 信系統(tǒng)性能的工具。通信仿真可以分成離散事件仿真和連續(xù)仿真。在離散 事件仿真中，仿真系統(tǒng)只對離散事件做出響應，而在連續(xù)仿真中，仿真系統(tǒng)對輸入信號產生連續(xù)的輸出信號。離散事件仿真是對實際通信系統(tǒng)的一種簡化，它的仿真建模比較簡單，整個仿真過程需要花費的時間也比連續(xù) 仿真少。雖然離散事件仿真舍棄了一些仿真細節(jié)，在有些場合顯得不夠具體，但仍然是通信仿真的主要形式。 與一般的仿真過程類似，在對通信系統(tǒng)實施仿真之前，首先需要研究通信系統(tǒng)的特性，通過歸納和抽象建立通信系統(tǒng)的仿真模型。圖 1— 1 所示是關于通信系統(tǒng)仿真流程的一個示意圖。從圖中可以看到，通信系統(tǒng)仿真是一個循環(huán)往復的過程，它從當前系統(tǒng)出發(fā)，通過分祈建立起一個能夠在一定程度上描述原通信系統(tǒng)的仿真模型，然后通過仿真實驗得到相關的數據。通過對仿真數據的分析可以得到相應的結論，然后把這個結論應用到對當前通信系統(tǒng)的改造中。如果改造 后通信系統(tǒng)的性能并不像仿真結果那樣令人滿意，還需要重新實施通信系統(tǒng)仿真，這時候改造后的通信系統(tǒng)就成了當前系統(tǒng)，并且開始新一輪的通信系統(tǒng)仿真過程。 湖南工程學院畢業(yè)設計（論文） 7 當前系統(tǒng) 仿真建模 仿真實驗 仿真分析 結論分析 改造后的系統(tǒng) 實際系統(tǒng) 仿真系統(tǒng) 圖 通信仿真的基本步驟 通信仿真系統(tǒng)一般分為 3個步驟 ， 即 ： 仿真建模、仿真實驗和仿真分析。應該注意的是，通信仿真是一個螺旋式發(fā)展的過程，因此這 3 個步驟可能需要循環(huán)執(zhí)行多次之后才能夠獲得令人滿意的仿真結果。 仿真建模 仿真建模是根據實際通信系統(tǒng)建立仿真模型的過程，它是整個通信仿真過 程中的 —個關鍵步驟，因為仿真模型的 好壞 直接影響者仿真的結果以及仿真結果的真實性和可靠性。 仿真模型是對實際文件系統(tǒng)的一種模擬和抽象，但又不是完全的復制。簡單的仿真模型容易被理解和操作，但是由于它忽略了很多關于實際系統(tǒng)的細節(jié)，因而在一定程度上影響了仿真的可靠性。如果仿真模型比較復雜，雖然它是對實際系統(tǒng)的 — 種忠實反映，但是其中包含了過多的相互作用 因 素，這些因素不僅需要消耗過多的仿真時間，而且使仿真結果的分析過程變的相當復雜。 因此，仿真模型的建立需要綜合考慮其可行性和簡單性。在仿真建模過程中 ，我們可以先建 立一個相對簡單的仿真模型，然后再根據仿真結果和仿真過程的需要逐步增加仿真模型的復雜度。 仿真模型一般是一個數學模型。數學模型有多種分類方式，包括確定性模型和隨機模型，靜態(tài)模型和動態(tài)模型。確定性模型的輸入變量和輸出變量都有固定數值，而在隨機模型中，至少有 — 個輸入變量是隨機的。靜態(tài)模型個需要考慮時間變化因素，動態(tài)模型的輸入輸出變量則需要考慮時間變化因素。一般情況下通信仿真模型是一個隨機動態(tài)數字通信系統(tǒng)的 MATLAB 設計與仿真 8 系統(tǒng)。 在仿真建模過程中，首先需要分析實際系統(tǒng)存在的問題或設立系統(tǒng)改造的目標，并且把這些問題和目標轉化成數學變量和公 式。例如 ，我們可以設定改造后系統(tǒng)或新系統(tǒng)在達到系統(tǒng)最大容量時的誤碼 率，或者是通信系統(tǒng)的最大呼損率，等等。 有了這些具體的仿真目標之后，下一步是獲取實際通信系統(tǒng)的各種運行參數，如通信系統(tǒng)占用的帶寬及其頻率分布，系統(tǒng)對于特定的輸入信號產生的輸出等。同時，對于通信系統(tǒng)中的各個隨機變量，可以采集這些變量的數據，然后通過數學工具來確定隨機變量的分布特性。 有了上面的準備工作，下一步就可以通過仿真軟件來建造仿真模型了。最簡單的工具是采用 c 語言等編程工具直接編寫仿真程序，這種方法的優(yōu)點是效率高，缺點則是不夠靈活，沒有一個易于實現(xiàn) 的人機交互界面，不便于對仿真結果進行分析。除此之外，還可以采用專門的仿真軟件建造仿真模型，比較常用的仿真軟件包括 Matlab、 0PNET、NS2 等，這些軟件具有各自不同的特點，適用于不同層次的通信仿真。例如，物理層仿真通常采用 Matlab，而網絡層仿真則適用采用 0PNET。 在完成仿真模型的軟件實現(xiàn)之后，還需要對這個仿真模型的有效性進行初步的驗證。一種簡便的驗證方法是采用特定的已知輸入信號，這個輸入信號分別通過仿真模型和實際系統(tǒng)，產生兩種輸出信號。如果仿真模型的輸出信號與實際系統(tǒng)的輸出信號比較吻合，說明這個 仿真模型與原系統(tǒng)具有較好的相似性。當這兩種輸出信號差別很大時，最好先檢查一下仿真模型的內部連接和設置，找出造成這種差異的原因。 仿真建模的最后一步是做好仿真模型的文檔工作，這是最容易被大家忽略的。很多情況下