【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng) 仿真。像ＤＳＰ Ｂｌｏｃｋｓｅｔ和Ｃｏｍｍｎｕｎｉｅａｔｉｏｎ Ｂｌｏｃｋｓｅｔ這樣的功能模塊庫也提供了所有常規(guī) 的數(shù)字信號系統(tǒng)和通信系統(tǒng)應用中的算法模塊，為用戶建立完整的系統(tǒng)提供方便。同時， Ｆｉｘｅｄ．Ｐｏｉｎｔ Ｂｌｏｃｋｓｅｔ增加了進行定點系統(tǒng)仿真的功能，可以將結(jié)果與浮點仿真進行比較， 以便在仿真之前解決定點定標問題。除此以外，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ還有一個伴生產(chǎn)品Ｓｔａｔｅｆｌｏｗ用 以對控制邏輯事件驅(qū)動系統(tǒng)進行建模。 １．４本文的主要工作及組織 本文主要利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ進行基于通信基帶系統(tǒng)的仿真研究，如ＡＷＧＮ信道仿真，以 及Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落信道仿真分析等。 第二章利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ對基于ＢＰＳＫ調(diào)制的ＡＷＧＮ信道進行了仿真分析，由于采用的 數(shù)字傳輸是動態(tài)的，所以Ｓｉｍｕｌｉｎｋ表現(xiàn)了很好的仿真效果和優(yōu)越性。并且結(jié)合Ｓｉｍｕｌｉｎｋ自 有的特點，簡化了模型，使該模型在仿真過程中更容易觀察其動態(tài)信息。 第三章則利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ對基于Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落信道的通信系統(tǒng)進行了仿真分析。在此章 中，首先根據(jù)Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落信道的特點搭建了仿真模型，在對其進行分析的同時，結(jié)合 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的優(yōu)點、在對Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落信道深入了解的基礎上，自我構(gòu)建了Ｒａｙｌｅｉｇｈ衰落信 道的模型，取得了很好的效果。 第四章的工作是在了解了如何利用連續(xù)狀態(tài)離散時間Ｈｏｐｆｉｅｌｄ神經(jīng)網(wǎng)絡去進行盲均衡 的基礎上，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ對該系統(tǒng)的工作過程進行了完整的仿真，在驗證了該系統(tǒng)性能的 同時，也為本文的工作一一基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的軟件無線電的研究做了很好的證明。由于 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是基于時間流的，即和現(xiàn)實的通信系統(tǒng)相同，這就使得它不同于以往任何形式的 仿真語言。為了更好的證明Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的仿真性能，在對上述模型進行仿真的同時，也和Ｍ 文件仿真做了對比。由于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的硬件化特性，使得本論文的工作有很大實用性及一定 的創(chuàng)新性。 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第二章基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的加性高斯白噪聲信道的研究 第二章基于Ｓｉｍｕｌ ｉｎｋ的加性高斯白噪聲信道的研究 在上一章中，我們主要介紹了Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的一些特性，本章將通過具體的實例來說明 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ在通信系統(tǒng)仿真過程中的作用。在本章中，我們將利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ對加性高斯白噪 聲信道（ＡＷＧＮ）進行仿真。在充分理解該信道特性的基礎上，建立了實時的、動態(tài)的仿 真模型，并且用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ對其仿真，取得了比較好的效果，計算了該模型相應的誤碼率， 并和Ｍ語言仿真的誤碼率做了對比，驗證了其良好的仿真性能。 ２．１通信系統(tǒng)的一般模型 最基本的通信系統(tǒng)由發(fā)射器、接收器和通常作為無線連接的信道組成【４】，如圖２．１所 示。由于一般信號不能直接使用如語音那樣的低頻，因此需要在發(fā)射器中將傳遞的低頻信 息加到高頻載波信號上，這個過程叫做調(diào)制。使用調(diào)制也可以使多個信息信號共用一個無 線信道，只要對每個信息信號使用不同的載波頻率即可。調(diào)制的逆過程叫做解調(diào)，它是在 接收器中進行的，目的是恢復出原始信息。圖中的噪聲源是信道中的噪聲以及分散在通信 系統(tǒng)其他各處的噪聲的集中表示。 圖２－１通信系統(tǒng)的一般模型 信息信號稱作調(diào)制信號或基帶信號。理想的通信系統(tǒng)能夠在接收器中準確地恢復出信 息信號，只是無法避免從發(fā)射器到接收器之間的傳輸時延，再有可能就是信號幅值的改變。 除此之外的其他任何改變都將構(gòu)成失真。當然，任何實際使用的系統(tǒng)都會引起一些失真。 而且，由于噪聲的存在，我們不可能完全在接受端恢復出信號，但是我們可以利用一些技 術(shù)手段，使得接受信號接近原始信號，這樣，通信的目的也就可以在允許的誤差范圍內(nèi)達 到。 南京郵電大學碩上研究生學位論文 第二章基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的加性高斯白噪聲信道的研究 ２．２信號與噪聲 ２．２．１信噪比的定義 各個通信系統(tǒng)在許多方面都不相同，但是有兩個方面它們是一樣的。一個是它們都有 信號，用于承載有用信息；另一個就是它們都有噪聲，產(chǎn)生于各個噪聲源，并且進入系統(tǒng)， 使信號退化，降低通信質(zhì)量。保持一個足夠高的信號與噪聲之比（簡稱信噪比），是進行大 量通信系統(tǒng)設計工作的基礎。信噪比一般單位為分貝，表示為ＳＮＲ，它是所有通信系統(tǒng)的 一個重要指標。定義為： 姍＝再蒜囂‰ ㈣ｌ， 對于任何通信系統(tǒng)來說，保持一個合理的信號功率與噪聲功率之比是至關重要的，同 樣地，在已經(jīng)確定好系統(tǒng)模型各部分參數(shù)后，如何準確地估計出信噪比對于很多算法的優(yōu) 化也至關重要 ２．２．２噪聲 在通信中，我們說干擾，一般是指對傳輸信號的干擾，也就是對信道的干擾。對于信 道的含義，從廣義而言，通信中傳輸信號可以有基帶信號和非基帶信號（經(jīng)過適當調(diào)制）。 因此，信道不僅包含各種傳輸媒質(zhì)（導線、自由空間、電離層等），還包括天線、高頻放大 器、變頻器等設備。這樣，對信道而言，它的輸入信號和輸出信號之間的關系，常寫成如 下的形式嘲 ＆（于）＝尼（ｆ）ｓ，（ｆ）＋聆（，） 式中 （２．２） 氐（ｆ）：信道的輸出信號 Ｓ。（ｆ）：信道的輸入信號 尼（ｆ）：信道的乘性干擾 九（ｆ）：信道的加性干擾 所謂乘性干擾是由于信道特性而引起的，加性干擾是由于各種噪聲源引起的。當我們假設 ．１ｎ． 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第二章基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的加性高斯白噪聲信道的研究 信道為理想特性時，尼（ｆ）－－１，則 Ｓｏ（ｆ）＝Ｊ，（ｆ）＋刀（ｆ） 加性噪聲中最常見的是高斯白噪聲，下面就此做一個簡單的介紹。 （２．３） 首先介紹白噪聲，它是通信中噪聲分析的一個理想化模型。噪聲是一個隨機過程，稱 之為“白”，是因為噪聲刀（ｆ）的功率譜密度Ｓｎ（廠）在（—∞，＋∞）整個頻率范圍內(nèi)都是均勻分 布的。顯然，白噪聲的功率譜密度可表示為 蹦艫譬 其中，Ｎｏ為單邊功率譜密度，單位為（Ｗ／Ｈｚ）。 根據(jù)維納一辛欽關系，可以求得白噪聲的自相關函數(shù)為：‘ （２．４） 尺以（ｆ）亍芴１聃（ｎ ｅ帆ｄ緲＝絲２仃（ｆ） 同的瞬間取值是不相關的。 （２．５） 即白噪聲的自相關函數(shù)是位于ｆ：０處、強度為了ＮＯ的沖擊函數(shù)，這表明白噪聲在任何不 確切的說，實際噪聲的功率譜密度不可能具有無限寬的帶寬，否則其平均功將是無限 大，物理上是不可能實現(xiàn)的。然而，白噪聲在數(shù)學上處理比較方便，所以在通信系統(tǒng)的分 析中有十分重要的作用。一般地說，只要噪聲的功率譜密度的寬度遠大于它作用的系統(tǒng)的 帶寬，并且在系統(tǒng)帶寬內(nèi)，它的功率譜密度基本上是常數(shù)，就可以作為白噪聲處理。 其次我們來討論高斯噪聲，這是通信理論中研究最成熟的一種噪聲形式。顧名思義， 這種噪聲的振幅隨機變量服從高斯分布，即 黔去．Ｐ等 式中 ￡（Ｖ）：隨機變量ｖ的概率密度函數(shù) ｖ：隨機變量 仃，：ｖ的標準方差 仫６， 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第二章基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的加性高斯白噪聲信道的研究 蠢：ｖ的方差，即二階中心矩 ｍ。：１，的均值，即數(shù)學期望 從式（２．６）看到，只要確定高斯變量的方差和均值，其概率特性就可以完全確定。因 此，對于理論分析是方便的。所以對于其他隨機變量，只要能近似成高斯噪聲的都按高斯 噪聲處理。實驗表明：這樣做引起的偏差是很小的。 從前分析可以看出，高斯噪聲和白噪聲是從兩個不同角度來說明的。通常把服從高斯 分布而功率譜密度又是均勻的噪聲稱為高斯型白噪聲。 一個隨機過程，如果它的概率特性不隨時間而變化，我們稱為平穩(wěn)隨機過程。實際上 我們所遇到的噪聲大都是平穩(wěn)的或近似平穩(wěn)的隨機過程。特別要強調(diào)的是：平穩(wěn)并不要求 在整個時域上，而只要在我們所要求的時段內(nèi)是平穩(wěn)的，就可以說它是平穩(wěn)的隨機過程。 這時，只要用一階矩和二階矩就能描述它的全部概率特性。 根據(jù)式（２．６）可以計算出概率分布函數(shù)Ｐｖ（’，），它定義為 ●， Ｐｖ Ｏ＇≤巧）＝昂（巧）＝Ｉ＇ｐ礦（Ｖ）咖 （ｖ一肼Ｐ）２ （２．７） 將式（２．７）代入式（２．６）得 昂（Ｋ）２孺１上?？诳煽? 誤差積分的形式，列出數(shù)值表以供查用。 下面就給出變換過程： ．（２．８） 然而，昂（Ｋ）不能用某個基本函數(shù)表示，所以不便于實際計算，所以，常把它變換成 用變量代換，“＝（ｖ－ｍ礦）／√２仃；，可見，當ｖ＝Ｋ（常數(shù)）時，銘＝ｚ（常數(shù)，ｙ吉＇Ｇ 成積分限得變換），ｄｖ＝４２０－；ｄｕ，代入式（２．８），得到 乃（巧）＝｛Ｆｅ－－１１２ｄｕ 吖７／＂～ （２．９） 又因為’，＝Ｋ時，材＝ｏ，這是名（Ｋ）的中間值，即１／Ｚ，所以式（２．９）又可以寫為 昂（Ｋ）＝‘萬１＆。幽＋了１鄺ｆｅ－ｕ２砒 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第二章基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的加性高斯白噪聲信道的研究 ＝了１＋忑１ Ｐ２幽 ＝ｊ＋忑土ｇ。幽 幽’ ＝三ｃｌ＋ｊ２。ｒｅ－Ｕ＂幽， ＝ｉ‘１＋ｊ。 ＝三［１＋Ｐ礦（訓 ＝扣Ｐ礦皤， 式中，Ｐ礦。）＝ｊ２。ｆｅ－ｕ２幽為誤差積分。 ２．３ 汜㈣ ＢＰＳＫ傳輸方案嗍 ２．３．１調(diào)制方案簡介 采用無線電波傳送諸如＋ｌ和一１之類的數(shù)字信號時，最好的調(diào)制方法就是根據(jù)數(shù)字信 息數(shù)據(jù)調(diào)制載波信號的頻率五?！罢{(diào)制＂的意義在于改變載波信號的一些特殊元素。載波 信號的表達式如下： Ｓ（ｆ）＝Ａｅｏｓ｛２萬ｄ＋口０）） （２．１１） 其中，Ａ、Ｚ和ｏ（ｔ）分別是幅度、中心頻率和載波信號的時變相位。用戶可以通過改變 式（２．１１）中的三個元素來獲得期望值，這三個元素分別為幅度、頻率和相位。根據(jù)數(shù)字 信號改變式（２．１１）的幅度，我們稱之為ＡＭ調(diào)制方案；此外，改變式（２．１１）中的頻率， 稱之為ＦＭ調(diào)制方案；最后，如果改變式（２．１１）中的相位，稱之為ＰＳＫ或者ＰＭ調(diào)制方案。 接下來的一小節(jié)主要介紹基于ＰＳＫ調(diào)制的數(shù)字通信方案，描述了傳輸機和接收機的基 本特征，在后面的章節(jié)中將給出Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真，并與Ｍ語言仿真做出對比。 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第二章基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的加性高斯白噪聲信道的研究 ２．３．２ ＢＰＳＫ調(diào)制 在ＢＰＳＫ調(diào)制方案中，輸入的數(shù)字信號０和１分別直接被轉(zhuǎn)換成相位０和萬。因此， 波形信號的表達式如下： Ｓ（，）＝Ａｃｏｓ｛２ｎｆ。ｔ＋萬ｄ七） 其中畋為信息數(shù)據(jù)序列。 （２．１２） 圖２－２給出了ＢＰＳＫ信號傳輸流程圖。如圖２—２所示，把數(shù)字信息數(shù)據(jù)和載波相乘， 就得到了ＢＰＳＫ信號波形。然而，對于頻率帶寬受限信道來說，必須采用額外的沖擊成形 濾波器來控制傳輸信號的形狀。因此，在ＢＰＳＫ信號產(chǎn)生的過程中，首先要把數(shù)字信號送 到一個沖擊成形濾波器電路中：然后通過Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器把沖擊成形信號變換成模擬信號，再 和載波信號相乘，最后發(fā)送出去。 區(qū)因ｔ亟垂舊窄１夏］ｊ荊 Ａｃｏｓ２ｎｆ。７ ＡｃｏｇＺｑ＇ｔ —Ｃ （ｂ） 圖２－２（ａ）傳輸過程（ｂ）ＢＰＳＫ傳輸方案的接收過程 在接收端，接收到的信號通過一個帶通濾波器（ＢＰＦ），從而去除其中的偽波。然后接 收信號再與載波頻率信號相乘，再通過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器把接收信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字采樣信號，最后 再通過判決電路把傳輸數(shù)字信號恢復出來。 為了最大限度的減少偽波信號的數(shù)量，通常在接收端都會使用濾波器，而最常用的一 種濾波器就是奈魁斯特（Ｎｙｑｕｉｓｔ）濾波器。Ｎｙｑｕｉｓｔ濾波器的頻率響應為 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第二章基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的加性高斯白噪聲信道的研究 １ 眍ｌ鄺等 汜㈦ ＧⅣ（／）＝ ｃｏｓ２曙＜２ｚ ｌ棚Ｔ７刊＇）］皆鄺等 ｌｆ 。 ｌ價等 其中，口為滾降因子，其大小決定信道帶寬。 在時域范圍內(nèi)，Ｎｙｑｕｉｓｔ濾波器的一個顯著特征就是在力瓦（ｎ為整數(shù)）時取得０值。 因此，當我們把同步點設置在，ｚ死時就不會產(chǎn)生符號間干擾。盡管Ｎｙｑｕｉｓｔ濾波器有諸多 的優(yōu)點，但仍有一問題：在什么時刻、什么地方用它來獲得最優(yōu)的結(jié)果。參考文獻［７］討 論了在ＡＷＧＮ環(huán)境中最優(yōu)的配置方法以最大可能的獲得同步點的方法。經(jīng)研究表明，使用 兩個濾波器，即傳輸濾波器與接收濾波器，將和ＧⅣ（／）有相同的分布增益，即 Ｇｒ（／）＝√Ｇ｜Ⅳ（廠），ＧＲ（廠）＝√Ｇ｜Ⅳ（／）。其中，Ｇｒ（／）和ＧＲ（／）為傳輸和接收濾波器的 頻率響應： Ｇ７’（／）＝ＧＲ（廠）＝√ＧⅣ（／） ｌ ｃｏｓ№Ｌ４ａ ｌ彬Ｉ一刪］瓦１－－Ｏｇ妙ｌ≤瓦ｌ＋ａ 。 ?！茔? 比瓦ｌ＋ａ 汜川 一般把該濾波器稱為均方根Ｎｙｑｕｉｓｔ濾波器，其沖擊響應ｇｒ（ｆ）和ｇＪＲ（ｆ）為： ＝寺毒咖卜口）牡囂剃卜峙）（２．㈣ 如圖２－２所示，基帶信號經(jīng)過調(diào)制（與載波信號相乘，如ｃｏｓ２ｎｆＪ）后發(fā)送出去，傳輸信 南京郵電大學碩士研究生學位論文 第二章基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的加性高斯白噪聲信道的研究 ｓ（ｔ）＝ｄ（ｔ）ｃｏｓ２ｎｆ，ｔ （２．１６） 在傳輸過程中信號會產(chǎn)生多徑衰落現(xiàn)象，同時也會被ＡＷＧＮ干擾，所以，接