第5章数字通信系统的仿真1

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第5章数字通信系统的仿真章
图5-2 锯齿波信号产生的仿真框图
第5章数字通信系统的仿真章图5-2所示是锯齿波信号产生的仿真框图，图中，锯齿波信号由重复序列模块产生。表 5-1 所示为 RepeatingSequence（重复序列)模块的主要参数。图 5-3所示为锯齿波信号的时域图和频域图。
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5.1 信源发生器信源发生器 5.2 信源编码
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5.1 信源发生器
实际的数字通信系统需要完成从信源到信宿的全部功能，这通常是比较复杂的。对这个系统做出的任何改动（如改变系统的结构、改变某个参数的设置等）都可能影响到整个系统的性能和稳定性。
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图5-10 扫频信号的时域图和频域图
第5章数字通信系统的仿真章表5-5给出了SpecturmScope(频谱仪)的主要参数。
表5-5 SpectrumScope（频谱仪）的主要参数
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5.2 信源编码
5.2.1 取样及取样定律在数字通信系统中传输模拟信号，首先要完成模/ 数变换。发送端先将模拟信号取样，使其成为一系列离散的取样值，然后再将取样值量化为有限的量化值，并经编码变换成数字信号，用数字通信方式传输。在接收端,则把接收到的数字信号恢复成模拟信号。显然, 采样频率越高，量化级越多，越能表现信号的细节，代价是数/模变换计算越复杂，传输代价愈大。
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图5-9 扫频信号产生的仿真框图
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第5章数字通信系统的仿真章图5-10所示是扫频信号的时域图和频域图。仿真开始后，可以看到频谱仪显示的谱线随时间变化而移动。从示波器的显示可以看出，输出正弦信号频率越来越高。
表5-4 ChirpSignal（扫频信号）模块的主要参数
第5章数字通信系统的仿真章取样定理告诉我们：如果对某一带宽有限的时间连续信号（模拟信号）进行采样，且采样速率达到两倍以上的最高工作频率，那么根据这些抽样值就能还原出原始信号。图513显示了模拟信号取样转换为离散样值信号的仿真模型。本例是将一个正弦模拟信号转换为离散信号的过程。采样脉冲是脉冲信号发生器的输出。表5-7所示是SineWave（正弦信号发生器）的主要参数。表 5-8 所示是 PulseGenerator （脉冲信号发生器）的主要参数。表5-9所示是Constant（常数）的主要参数。表5-10所示为是Scope（示波器）的主要参数。图5-14所示为连续正弦信号、经脉冲信号作用后转换为离散的信号及采样脉冲的波形。
第5章数字通信系统的仿真章量化码本是一个长度等于n+1的向量C，它给出了数字信号与量化电平C(n+1)的关系，即当y等于0时，对应于量化码本的第一个元素C(1)；当C(n+1)等于m时，对应于量化码本第m+1个元素C(m+1)。采样量化编码器有三个输出端口。第一个输出端口输出数字信号y，第二个输出端口输出信号的量化电平C(y) ，第三个输出端口则输出信号的量化误差。量化误差是根据输入信号与量化编码器的第二个输出端口的输出信号之差计算得到的均方误差值，它反映了量化编码器对信号的失真程度。图5-18显示了模拟信号量化仿真框图。图5-19显示的是信源编码前（下）和信源解码以后（上）的幅度为1，频率为 1rad/s的正弦信号。表5-13所示是SampledQuantizerEncode （采样量化编码器）的主要参数。
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图5-1 通信工具箱中的功能模块
第5章数字通信系统的仿真章 5.1.1 锯齿波信号周期信号是指每隔固定的时间间隔，周而复始重现的信号，可表示为：x(t)=x(t+nT)。锯齿波信号由 RepeatingSequence（重复序列)模块产生。该模块输出一个预先确定波形的标量信号，使用模块的Timevalues （时间值）和Outputvalues（输出值）这两个参数，便可得到任意的锯齿波波形。例如，在默认情况下，时间值和输出值这两个参数都设为［02］，这个默认的设置就确定了一个锯齿波，在仿真时以2s为间隔重复出现，最大幅度为2。
第5章数字通信系统的仿真章 SampledQuantizerEncode（采样量化编码器）根据量化间隔和量化码本，把输入的模拟信号转换成数字信号，并输出量化电平、量化误差。量化间隔是一个长度为n的向量V，其中的每一个元素V(i)（i=1,2，…,n)严格单调递增。抽样量化编码器输出的数字信号y是介于0和n+1之间的整数，它由公式（5-5）确定。 y=0 y= m n x∈(-∞,V(1)) x∈(V(m),V(m+1)］,m∈［1,n-1］ (5-5） x∈(V(n),+∞)
表5-10 Scope（示波器）的主要参数
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图5-14 连续、离散正弦波及脉冲信号波形的示波器显示图
第5章数字通信系统的仿真章图5-15显示了将一个连续锯齿信号转换为离散的信号的过程。图5-16显示了连续锯齿信号经采样脉冲作用后转换为离散的信号及采样信号的波形。图5-17显示了连续锯齿波信号经脉冲信号作用后转换为离散的信号的频谱图。表5-11所示为ZeroOrderHold（零阶保持器）的主要参数。表5-12所示为SpectrumScope（频谱示波器）的主要参数。图5-15所示仿真系统的锯齿波发生器的重复频率是4Hz，幅度是1V。从图5-3所示的锯齿波频谱图中可以看出，锯齿波重复频率的5次谐波的幅度已经是基波的1/20以下。如果以5次谐波为最高工作频率，则根据采样定律采样频率取最高工作频率的2倍，即4×5×2=40Hz。产生采样脉冲的脉冲发生器的主要参数除选项PulseWidth(脉冲宽度)设为12%外，其它参数与表5-8相同。
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它们包括了通信系统中所需要的，也是通信原理教科书上系统介绍的功能（模块）： CommSources （信源）、CommSinks（信宿）、SourceCoding（信源编码）、ErrorDetectionandCorrection(检错与纠错）、 Interleaving（交织）、Modulation（调制）、Channels （传输信道）、 RFImpairments （射频损耗）、 Syncronization（同步）等。
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图5-18 模拟信号量化仿真框图
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图5-19 示波器显示仿真结果
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表5-13 SampledQuantizerEncode（采样量化编码器）的主要参数
Leabharlann Baidu
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QuantizerDecode（量化解码器）是采样量化编码器的逆过程，它根据量化码本把量化编码器产生的量化的指标转换成相应的数字信号。表5-14所示为QuantizerDecode（量化解码器）的主要参数。表5-15所示是IntegertoBitConverter（整数变二进制数转换器）的主要参数。表5-14 QuantizerDecode（量化解码器）的主要参数
表5-1 RepeatingSequence（重复序列）模块的主要参数
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图5-3 锯齿波信号的时域图和频域图
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图5-4 方波信号产生的仿真框图
第5章数字通信系统的仿真章 5.1.2 方波信号图5-4所示为方波信号产生的仿真框图，方波信号由SignalGenerator（信号发生器）产生，本例中是幅度为1，频率为1THz的方波。信号发生器能产生三种不同的波形：正弦波、方波和锯齿波。信号的参数可表示为赫兹或者弧度每秒。表5-2所示为SignalGenerator 5-2 SignalGenerator （信号发生器）的主要参数。图5-5所示为方波信号的时域图和频域图。
第5章数字通信系统的仿真章表5-12 SpectrumScope（频谱仪）的主要参数
第5章数字通信系统的仿真章 5.2.2 量化及编码为完成模/数变换，当模拟信号进行抽样以后，第二步要实施量化,把连续的信号样值转换成离散的由有限个电平组成的序列。或者说，量化就是将一个有连续幅度值的信号映射成幅度离散的信号的过程。编码是把信号的抽样量化值变换成代码的过程，其相反的过程称为译码。编码不仅用于通信，还广泛地用于计算机、数字仪表和遥控遥测等领域。量化编码器用于把输入的连续信号转换成离散的数字信号。MATLAB提供了量化编码器，其作用是采样量化编码产生抽样量化后的输出。量化解码器的作用与量化编码器相反，它把量化之后的信号还原为原始信号。
第5章数字通信系统的仿真章表5-2 SignalGenerator（信号发生器）的主要参数
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图5-5 方波信号的时域图和频域图
第5章数字通信系统的仿真章 5.1.3 扫频信号 ChirpSignal（扫频信号)模块产生一个正弦信号，其频率随着时间的变化而线性增长，可以使用这个模块对系统进行分析。该模块的三个参数：初始频率、目标时间和目标时间的频率，决定了模块的输出。这些设置可以是标量，也可以是向量。所有的参数要以向量形式确定下来，就必须有相同的维数。如果这个选项被选择并且参数是行或者列向量，模块将输出一个向量信号。图 5-9 所示是扫频信号产生的仿真框图。表 5-4 所示是 ChirpSignal（扫频信号)模块的主要参数。
第5章数字通信系统的仿真章在设计新系统或者对原有的通信系统做出修改或者进行相关的研究时，通常要进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后再应用于实际系统中。通过仿真，可以提高研究开发工作的效率，发现系统中潜在的问题，优化系统整体性能。与一般的仿真过程类似，在对通信系统实施仿真之前，首先需要研究通信系统的特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型。MATLAB软件的通信工具箱中有品种齐全、功能完备的模块，图 5-1 来自 Toolbox ＼ commblks ＼ commblks ＼ commlibv2，双击MATLAB指令窗上面的Simulink工具条，再双击CommunicationsBlockset也可以看见下面的模块。
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图5-13 模拟信号取样仿真框图
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表5-7 SineWave（正弦信号发生器）的主要参数
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表5-8 PulseGenerator（脉冲信号发生器）的主要参数
第5章数字通信系统的仿真章
表5-9 Constant（常数）的主要参数
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图5-15 模拟信号取样仿真框图
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图5-16 连续、离散锯齿波及采样脉冲信号波形的示波器显示图
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图5-17 离散锯齿波信号频谱显示图
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表5-11 ZeroOrderHold（零阶保持器）的主要参数
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表5-15 IntegertoBitConverter（整数变二进制数转换器）的主要参数
第5章数字通信系统的仿真章量化解码器的量化码本应该与输入信号的量化编码器使用的码本相同。量化解码器的输入信号就是量化编码器的第一个输出端口的输出信号，量化解码器的输出信号等于量化编码器的第二个输出端口的输出信号。量化解码器只有一个参数。图5-20显示了指令窗中键入［ss1s2s3s4］的部分结果，左边4列表示：s输入信号采样值，s1按照15级量化以后的量化电平，s2是量化误差的方均值，s3是量化以后的数字信号（编为1~15的整数），右边4列是： s4是整数数字信号转换为二进制的编码值。

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