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1、Matlab平台下的通信系统建模与仿真2.1 Matlab平台简介及MATLAB的特点2.1.1 Matlab平台简介MATLAB软件的最初版本是由Cleve Moler博士等组成的名为MathWorks公司在1992年推向市场的，软件名称MATLAB为矩阵（matrix）和实验室（laboratory）两个英文单词的前三个字母的组合（即矩阵实验室）。所以，MATLAB非常适合矩阵运算,这也是MATLAB软件的最大特点之一。2.1.2 MATLAB的特点（1）语言简洁，使用方便，运算符丰富，库函数极其丰富。利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务。（2）语法限制不严格，程序设计自由。例如，在
2、MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可以使用。（3）MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环、while循环、break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。（4）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。（5）MATLAB的图形功能强大。数据的可视化非常简单,同时MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。（6）MATLAB的缺点是软件成本高；其次MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。（7）MATLAB由核心部分和各种可选的工具箱两部分组成。核心部分中包含数百个核心内部函
3、数。MATLAB的另一重大特色是功能强劲的工具箱。其工具箱又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱能用于多种学科，主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能。而学科性工具箱是专业性比较强的，如control、toolbox、signal processing toolbox、communication toolbox等。（8）源程序的开放性。2.2 Matlab平台下的系统建模与仿真方法在上一章我们介绍了OFDM系统的基本原理，阐明了如果在通信系统中一如OFDM可以提高系统的抗多径干扰能力，从而提高系统的稳定性和可靠性。为了对理论上的分析结果
4、进行检验，这里借助基于MATLAB平台的仿真来验证前面的分析结果。要想证明OFDM的先进性，就要有一个参考。该课题采用的是QAM调制系统与OFDM系统的比较。下面对OFDM系统的仿真及许多关键技术，实际的系统比较复杂，因此，需要首先从整体上把握该系统。基于面向对象的思想，我们采用自上而下的策略，先将系统划分为几个大的功能模块，然后再细化每个具体模块，这样可使系统的仿真流程如图2-1所示。制定仿真内容、仿真方案和仿真步骤根据系统的实际情况，确定仿真的主要模块编写和调试各个子模块，集成主模块得出仿真结果，并将之于理论情况进行分析比较总结、得出结论图2-1 系统的仿真流程图为了对不同条件下OFDM的
5、数据传输情况进行仿真，我们根据前面介绍的OFDM系统的基本原理，给出了OFDM基带系统的真题结构，如图2-2所示。仿真模型是建立在基带传输基础上的。信号通过载波传输产生的变化可以用某种相应的基带传输系统中产生的变化进行等价转换。下图是OFDM系统的框图，主要包括：信源、信宿、调制映射和逆映射、调制和解调、串/并转换、并/串转换和比较器。不同信噪比下的误码率IFFT变换串/并转换MQAM的映射二进制格雷码编码MQAM的逆映射并/串转换加入高斯白噪声信道串/并转换FFT变换并/串转换反格雷码编码比较器输出信号信号源图2-2 OFDM基带系统框图在图2-2中，信源既可以是外部输入文件中的数据，也可以
6、使仿真中函数产生的数据；信宿接收解调后的数据，并将结果显示出来；比较器收集信源产生的原始数据与信宿接收到的数据，进行误码个数统计，计算误码率，依次来衡量整个传输系统的性能；串/并转换模块将原来的高速串行数据信号分解为多路低速的并行数据信号，从而延长并行信道中二进制码的持续时间，降低码间串扰；并/串转换模块的作用是将多路低速并行数据信号合成单路高速串行数据信号；信道的作用是模拟真实通信环境中传输媒介对信号产生的影响。上图给出的是系统的总体框架，体现的是自上而下设计中的“上”。其实，每个模块都可以单独构成一个较小的系统，由于篇幅的关系，这里仅介绍该系统中最核心的模块的设计，即OFDM调制和解调模块
7、的内部设计（也包含了与之相连的串/并和并/串转换部分，在有的文献中，这被归到了OFDM调制解调模块里），这里体现的是“下”。OFDM发送端和接收端如图2-3和图2-4所示：串/并转换MQAM映射载入数据 并/串转换加入循环前缀IFFT变换图2-3 OFDM基带系统的发送端去掉循环前缀FFT变换串/并转换输出数据MQAM逆映射并/串转换图2-4 OFDM基带系统的接收端2.3仿真整体设计及部分模块设计2.3.1仿真整体设计在明确了系统的仿真模型之后，设计仿真系统就比较容易了。下一步所要做的主要工作就是将抽象的仿真模型向实际的仿真系统转换，依据这一思路可以比较容易地确定仿真系统的数据处理流程，这一
8、流程是整个仿真设计的主要依据，如图2-5和图2-6所示：下面介绍一下系统的数据处理流程的每一步的功能。（1）读入数据在这一步，原始数据进入到仿真系统中。这些数据可以是任何形式的，如文本数据，音频数据，图像数据和视频数据等，MATLAB可以处理上述数据。（2）将数据转换为二进制数据流在这一步里，第（1）步中输入的数据通过PCM（Pulse Code Modulation,脉冲编码调制）被转换为二进制数据流。（3）将二进制数据转换为OFDM/QAM信号这是整个仿真中最为复杂的一部分。二进制数据流必须被转换为相应的OFDM和QAM信号，这里用到的技术是正交幅度调制。前一步生成的二进制数据流必须被转换
9、为8bit的数据块，然后还要被进一步分成2bit的数据块。这些2bit的数据块要被转换为QAM信号。最后需要对这些数据进行你傅里叶变换为OFDM信号。（4）信号模拟在这里，我们采用加性高斯白噪声来模拟模拟无线信道中的噪声。通过将发送端输出的信号放到具有不同时延和不同衰落程度的路径上传输来模拟信道中存在的多径干扰现象。（5）OFDM/QAM信号转换为二进制数据流这一步的功能和第（3）步相反，不在赘述。（6）恢复原始数据这一步的功能和第（2）步相反，不再赘述。（7）分析比较这一步主要实现了误码计数和在二进制数据流层次上的误码率计算，此外它还输出系统还原的数据，以便能使我们获得不同系统性能的感性认识
10、。根据前面的分析结果，下面对该仿真中主要模块的实现方法做一个简单介绍：（1）数据输入部分。不同的类型的文件可以通过调用MATLAB中不同的库函数来读取。如果要读取的是文本文件，可用fread函数；如果要读取的是音频文件，可用wavread函数；而如果要读取的是图像文件则要用到imread函数。（2）OFDM系统的核心部分主要包括卷积编码、正交、调制和循环前缀等，这些工作的完成需要大量的数学运算，因此OFDM系统的发送端必须具有强大的计算能力。（3）信号映射：信号映射采用QAM调制方式。在仿真中采用通信工具箱中Rectangular QPSK Modulator Baseband模块来实现一组相互独立的信号映射器。不同的模块可以采用不同的映射。（4）调制和解调：由数字信号处理工具箱中的逆快速傅里叶变换（IFFT）实现多载波调制，用快速傅里叶变换（FFT）实现多载波解调。（5）误码率统计模块由误码率计数模块（Error Rate Calculation）和数据显示模块（Display）组成。它的输入包括发送端经过一定延迟后的接收端恢复的码元。如果两者相同，则认为该码元被正确传输，反之，则认为该码元在传输过程中产生了错误。误码个数除以总的传输码元个数得到。