【文章內容簡介】 成本，提高水平。這樣尖銳對立的兩個方面的要求，只有通過使用強大的計算機輔助分析設計技術和工具才能實現(xiàn)。通信系統(tǒng)仿真貫穿通信系統(tǒng)工程設計的全過程，對通信系統(tǒng)的發(fā)展起著舉足輕重的作湖南 科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 4 用。 本論文針對通信系統(tǒng)仿真的 探討 主要做了以下的工作 ： (1)介紹了通信系統(tǒng)仿真的相關內容，包括通信系統(tǒng)仿真的一般步驟、 MATLAB 中的一種可視化仿真工 具 Simulink的相關概念。 (2)對通信系統(tǒng)中的主要環(huán)節(jié)， 如 模擬信號的數(shù)字傳輸系統(tǒng)進行了詳細的闡述。 (3)在理解通信系統(tǒng)理論的基礎上，利用 Simulink強大的仿真功能， 對 PCM和 DPCM這兩種數(shù)字電話通信系統(tǒng)進行了模型構建、系統(tǒng)設計、仿真演示、結果顯示。 并且給出了 具體的分 析。 湖南 科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 5 第二章 Simulink與通信 系統(tǒng) 仿真 通信系統(tǒng)仿真的一般步驟 通信系統(tǒng)仿真一般分成 3個步驟，即仿真建模、仿真實驗和仿真分析。應該注意的是，通信系統(tǒng)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 。 （ 1）仿真建模 仿真建模是根據(jù)實際通信系統(tǒng)建立仿真模型的過程，它是整個通信系統(tǒng)仿真過程中的一個關鍵步驟，因為仿真模型的好壞直接影響著仿真結果的真實性和可靠性。 仿真模型一般是一個數(shù)學模型。數(shù)學模型有多種分類方式，包括確定性模型和隨機性模型，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(shù)值，而在隨機模型中，至少有一個輸入變量是隨機的。靜態(tài)模型不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，通信系統(tǒng)模型是一個隨機動態(tài)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(shù)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)最大容量時的誤幀率等等。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(shù)，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(shù)據(jù)，然后通過數(shù)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立仿真模型了。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，缺點是不夠靈活，沒有一個易于實現(xiàn)的人機交互界面，比較常用的是仿真軟件，包括 MATLAB、OPNET、 NZS等，這些軟件具有各自不同的特點，適用于不同層次的通信系統(tǒng)仿真。 （ 2）仿真實驗 仿真實驗是一個或一系列針對仿真模型的測試。在仿真實驗過程中，通常需要多次改變仿真模型輸入信號的數(shù)據(jù)，以觀察和分析仿真模型對這些輸入信號的反應，以及仿真系統(tǒng)在這個過程中表現(xiàn)出來的性能。需要強調的一點是，仿真過程中使用的輸入數(shù)據(jù)必須具有一定的代表性，即能夠從各個角度顯著地改變仿真輸 出信號的數(shù)值。 實施仿真之前需要確定的另外一個因素是性能尺度。性能尺度指的是能夠衡量仿真過程中系統(tǒng)性能的輸出信號的數(shù)值 (或根據(jù)輸出信號計算得到的數(shù)值 )，因此，在實施仿真之前，首先需要確定仿真過程中應該收集哪些仿真數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以什么樣的格式存在，以及收集多少數(shù)據(jù)。在明確了仿真系統(tǒng)對輸入信號和輸出信號的要求之后，最好把湖南 科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 6 這些設置整理成一份簡單的文檔。編寫文檔是一個好 習慣 ，它能夠幫助我們回憶起仿真設計過程的一些細節(jié)。當然，文檔的編寫不一定要求很規(guī)范，并且文檔的大小應視仿真設計的規(guī)模而定。最后，還應該明確各個輸入信 號的初始設置以及仿真系統(tǒng)內部各個狀態(tài)的初始值。 仿真的運行實際上是計算機的計算過程，這個過程一般不需要人工干預，花費的時間由仿真的復雜度確定。如果需要比較仿真系統(tǒng)在不同參數(shù)設置下的性能，應該使仿真系統(tǒng)在取不同參數(shù)值時具有相同的輸入信號，這樣才能夠保證分析和比較的客觀性和可靠性。 （ 3）仿真分析 仿真分析是一個通信系統(tǒng)仿真流程中的最后一個步驟。在仿真分析過程中，用戶已經從仿真過程中獲得了足夠多的關于系統(tǒng)性能的信息，但是這些信息只是一個原始的數(shù)據(jù)，一般還需要經過數(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 得對仿真系統(tǒng)的一個總體評價。常用的系統(tǒng)性能尺度包括平均值、方差、標準差、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。 圖表是最簡潔的說明工具，它具有很強的直觀性，便于分析和比較，因此，仿真分析的結果一般都繪制成圖表形式。我們使用的仿真工具一般都具有很強的繪圖功能，能夠便捷地繪制各種類型的圖表。 Simulink簡介 Simulink是 MATLAB提供的用于動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的工具包。 Smiulink提供了專門用于顯示輸出信號的模塊，可以在仿真過程中隨時觀察仿真結果。同時，通過 Smiulink的存儲模塊，仿真數(shù)據(jù)可以方便地以各種形式保存在工作區(qū)或文件中，供用戶在仿真結束之后對數(shù)據(jù)進行分析和處理。另外， Simulink把具有特定功能的代碼組織成模塊的方式，并且這些模塊可以組織成具有等級結構的子系統(tǒng)，因此具有內在的模塊化設計要求。基于上述優(yōu)點， Simulink成為一種通用的仿真建模工具，廣泛應用于通信系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號處理、模糊邏輯、神經網(wǎng)絡、機械控制和虛擬現(xiàn)實等領域。 根據(jù)輸出信號與輸入信號的關系， Simulink提供 3種類型的模塊 :連續(xù)模塊、離散模塊和混合模塊。連續(xù)模塊是指輸出信 號隨著輸入信號發(fā)生連續(xù)變化的模塊，離散模塊則是輸出信號以固定間隔變化的模塊。對于連續(xù)模塊， Smiulink采用積分方式計算輸出信號的數(shù)值，因此，連續(xù)模塊主要涉及導數(shù)的計算及其積分。離散模塊的輸出信號在下一個抽樣時刻到來之前保持恒定，這時候 Smiulnik只需以一定的間隔計算輸出信號的數(shù)值?；旌夏K是根據(jù)輸入信號的類型來確定輸出信號類型的，它既能夠產生連續(xù)輸出信號，也能夠產生離散輸出信號。 湖南 科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 7 Simulink仿真有以下特點： 1) 交互建模 Simulink提供了大量的功能模塊，方便用戶快速地建立動態(tài)系統(tǒng)模型 ，建模時只需要使用鼠標拖放庫中的功能模塊并將它們連接起來。用戶可以通過將模塊組成子系統(tǒng)建立多級模型。對塊和連接的數(shù)目沒有限制。 2) 交互仿真 Simulink框圖提供了交互性很強的非線性仿真環(huán)境。用戶可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真，或使用命令行進行批處理。仿真結果可以在運行的同時通過示波器或圖形窗口顯示。有了 Simulink，用戶可以在仿真的同時，采用交互或批處理的方式，方便地更換參數(shù)來進行“ Whatif”分析。 3) 能夠擴充和定制 Simulink的開放式結構允許用戶擴展仿真環(huán)境的功能： （ 1）采用 MATLAB， Fortran和 C代碼生成自定義塊庫，并擁有自己的圖標和界面。 （ 2）將用戶原有的 Fortran或 C編寫的代碼連接進來。 4）與 MATLAB和工具箱集成 由于 Simulink可以直接利用 MATLAB的數(shù)學、圖形和編程功能，用戶可以直接在Simulink下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動化、優(yōu)化參數(shù)等工作。工具箱提供的高級的設計和分析能力可以通過 Simulink的屏蔽手段在仿真過程中執(zhí)行。 5）專用模型庫（ Blocksets） Simulink的模型庫可以通過專用元件集進一步擴展。 DSP Blockset可 以用于 DSP算法的開發(fā)。 FixedPoint Blockset擴展了 Simulink，用于建立和模擬數(shù)字控制系統(tǒng)和數(shù)字濾波器。 Simulink的專用模型庫（ Blocksets） 作為 Simulink建模系統(tǒng)的補充， MathWorks 公司開發(fā)了專用功能快程序包，如 DSP Blockset和 Commuication Blockset等。通過使用這些程序包，用戶可以迅速地對系統(tǒng)進行建模與仿真。更重要的是，用戶還可以對系統(tǒng)模型進行代碼生成，并將生成的代碼下載到不同的目標機上。 另外， MathWorks 為用戶從算法設計、建模仿真，一直到系統(tǒng)實現(xiàn)提供了完整的解決方案。而且，為了方便用戶系統(tǒng)的實施， MathWorks 公司還開發(fā)了實施軟件包，如TI和 Mortorola 開發(fā)工具包，以方便用戶進行目標系統(tǒng)的開發(fā)。 湖南 科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 8 常用的 Simulink Blockset有： ? DSP Blockset（數(shù)字信號處理工具） ? FixedPoint Blockset（定點運算控制系統(tǒng)仿真） ? Power System Blockset（電力電動系統(tǒng)庫） ? Dials and Gauges Blockset（交互圖形和控制面板設計工具） ? Communications Blockset（通信系統(tǒng)工具） ? CDMA Reference Blockset （ CDMA通信系統(tǒng)設計和分析） ? Nonlinear Control Design Blockset（非線性控制設計工具箱） ? Motorola DSP Developer’s Kit（ Motorola DSP開發(fā)工具） ? TI DSP Developer’s Kit（ TI DSP開發(fā)工具） 小結 本章介紹了通信仿真的基本步驟，對 Simulink 軟件本身及工作原理做了簡單的介紹，最后列舉了 Simulink的一些最常用的模型庫。 湖南 科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 第三章 MATLAB 通信工具箱 MATLAB 通信工具箱概述 MATLAB 通信工具箱是一套用于通信領域進行理論研究、系統(tǒng)開發(fā)、分析設計和仿真的專業(yè)化工具軟件包，主要由兩部分組成：通信系統(tǒng)功能函數(shù)庫和 Simulink庫。所以它是以 MATLAB和 Simulink為工作平臺。用戶可以根據(jù)需要選擇這些仿真函數(shù)和模塊構筑自己的通信系統(tǒng)仿真模型，這種方法即適合于一般初學者，也適合于通信技術方面的專家。對于通信工具箱中的仿真模塊既可以直接調用，也可以根據(jù)不同的需要進行修改 ，使其滿足自己的設計和運算需要。 用戶既可以在 MATLAB的工作空間中直接調用工具箱中的函數(shù)，也可以使用Simulink平臺構造自己的仿真模塊，以達到擴充工具箱的內容。同時，通信工具箱提供了在線交互式演示，以方便用戶學習和使用。 運行通信工具箱需要的軟件平臺包括： MATLAB和 Signal Processing Toolbox（信號處理工具箱）等。 通信工具箱模塊 Communications Blockset（通信模塊集）中包含了通信系統(tǒng)仿真模塊，要打開通信工具箱的模塊庫，可以在 MATLAB的命 令窗口中輸入以下命令： mlib 這時，系統(tǒng)會打開工具箱模塊庫的窗口，如圖 。如果模塊庫中包括子模塊庫時，用鼠標雙擊模塊庫就能打開下一級子庫，例如， Channel Coding（信道編碼庫）、Interleaving（交錯控制模塊庫）、 Modulation（調制庫）和 Basic Comm Function（基本通信函數(shù)庫）都包含下一級子模塊庫。在所有最底層的子模塊庫中，存放了用戶需要的函數(shù)模塊。 Communications Blockset（通信模塊集）中包括 10個子模塊庫，這里只列 出這些通信模塊庫的名稱： ? Comm Sourses（通信源模塊庫）； ? Comm Sinks（通信輸入模塊庫）； ? Sources Coding（信源編碼庫）； ? Channel Coding（信道編碼庫）； ? Interleaving（交錯控制模塊庫）； ? Modulation（調制庫）； ? Channels（信道庫）； 湖南 科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 ? Basic Comm Function（基本通信函數(shù)庫）； ? Utility Functions（實用函數(shù)庫） ? Synchronziation（同步庫）。 圖 通信模塊集中的模塊庫 在通信系統(tǒng)中，一般情況下，傳輸和解調所采用的技術是相互對應的。因此，可以將發(fā)射與解調部分中各個子仿真模型庫進行相應的歸類。 另外，為了進行通信系統(tǒng)的全系統(tǒng)仿真， Simulink通信系統(tǒng)仿真模型庫提供了通帶和基帶二種類別的信道模型，其中，通帶信道有 4種模型，基帶信道有 6種模型。 在打開的窗口中在雙擊“ Comm Tbx Library”的圖標，最終可以看到通信工具箱仿真模塊的最頂層模塊庫。 模塊庫的組成即是一個通信系統(tǒng)的結構框圖，如圖 。 圖 MATLAB中通信工具箱的頂層仿真模塊庫 信源 解調 調制 信宿 信源編碼 糾錯編碼 發(fā)送濾波器 多址接入 接收濾波器 多址接入 糾錯譯碼 信源譯碼 信 道 湖南 科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 11 MATLAB通信工具箱的函數(shù)庫 在通信工具箱中包含了對通信系統(tǒng)進行設計、分析和仿真時最常用的函數(shù)，由七十多個函數(shù)組成，每個函數(shù)有多種選擇參數(shù)，函數(shù)功能覆蓋了現(xiàn)代通信系統(tǒng)的各個方面。這些函數(shù)包括： 信號源產生函數(shù) ， 信源編碼 /解碼函數(shù) ， 糾