基于SIMULINK的现代通信系统仿真分析.pdf

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1、第 18 卷第 10 期 系系 统统 仿仿 真真 学学 报报 Vol.18 No.10 2006 年 10 月 Journal of System Simulation Oct.,2006 2966基于基于 SIMULINK 的现代通信系统仿真分析的现代通信系统仿真分析 席在芳，邬书跃，唐志军，曾照福（湖南科技大学信息与电气工程学院,湖南湘潭 411201）摘摘 要：要：以 Simulink 为软件平台，充分利用其提供的通信工具箱和信号处理工具箱中的模块，以常用的 DPCM(Differential Pulse Code Modulation)和PCM(Pulse-Code Modulatio

2、n)数字电话通信系统为例，对这两种通信系统进行了模型构建、系统设计、仿真演示、结果显示、误差分析以及综合性能分析误差分析以及综合性能分析，重点对 DPCM 与 PCM 进行了误差分析和比较误差分析和比较，并且对差错不可控以及频带利用率不高的缺点加入了纠错编码和复用技术并对其进行了仿真。通过系统的仿真与分析可以看出 Simulink 在系统建模和仿真中的巨大优势，根据仿真结果分析系统性能，并且找出最优的系统配置方案。关键词：关键词：Simulink；仿真；DPCM；PCM 中图分类号：中图分类号：TP391.9 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：1004-731X(2006)10-

3、2966-03 Simulation and Analysis of Communication system Based on Simulink XI Zai-fang,WU Shu-yue,TANG Zhi-jun,ZENG Zhao-fu （College of Information&Electrical Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China）Abstract:MATLAB is a system of high degree integration.Simulink i

4、s a software package that is used for molding,simulation and analysis to the dynamic system.MATLAB/Simulink was regarded as the software platform,and the communication system toolbox and the signal processing toolbox were utilized to design digital phone communication system of DPCM and PCM.And then

5、 the modeled structure,designed system,shown result,analyzed error and the comprehensive analysis were given for the two communication systems based on Simulink.The error analysis,the comparison of the DPCM and PCM,the error correction coding and the multiply were emphasized at last.Key words:simuli

6、nk;simulation;dpcm;pcm 引引 言言1 Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它让用户把精力从编程转向模型的构造，为用户省去了许多重复的代码编写工作；Simulink 的每个模块对用户而言都是透明的，用户只须知道模块的输入、输出以及模块的功能，而不必管模块内部是怎么实现的，于是留给用户的事情就是如何利用这些模块来建立模型以完成自己的仿真任务；至于 Simulink 的各个模块在运行时是如何执行，时间是如何采样，事件是如何驱动等细节性问题，用户可以不去关心，正是由于 Simulink 具有这些特点，所以它被广泛的应用在通信仿真中，但是到目前为

7、止，大部分文献基本上都是在对通信系统的某个部分或者某个模块上的仿真，而对于通信系统进行仿真后基本上没有进行误差的仿真分析1-10，而本文正是从这一思想出发，利用 Simulink 强大的工具箱和其建模的优势建立了常用的 DPCM 和 PCM 数字电话通信系统仿真模型，对这两种通信系统进行了模型构建、系统设计、仿真演示、结果显示、误差分析以及综合性能分析，并且重点对 DPCM 与 PCM 进行了误差分析和比较，而且该分析方法同样可推广到其它的通信系统，具有普遍意义。收稿日期：收稿日期：2005-08-04 修回日期：修回日期：2006-01-11 作者简介：席在芳作者简介：席在芳(1974-),

8、男,湖南安乡人,硕士,研究方向为信号处理与通信系统;邬书跃邬书跃(1963-),男,湖南常德人,教授,硕士,研究方向为数字通信与信息传输技术;唐志军唐志军(1974-),男,湖南邵东人,讲师,硕士,研究方向为通信系统与计算机网络。1 系统模型构建系统模型构建 数字电话通信系统是指要实现模拟话音在数字通信系统中的传输11，其模型如图 1 所示。图 1 数字通信系统模型图 利用 Simulink 实现数字电话通信系统的仿真，首先要建立系统模型，利用 Simulink 进行模型构建，并进行参数设置，然后进行整体仿真。根据 DPCM 和 PCM 通信系统的框图11，在通信工具箱和信号处理工具箱中分别找

9、出相应的模块并连接起来，得到DPCM和PCM数字电话通信系统仿真模型分别如图2和图3所示。2 仿真仿真 虽然语音信号的频率通常在3003400Hz之间，不过为了仿真和分析方便，在此选用频率为1Hz的正弦波替代作为信源，这样并不影响仿真和分析结果。2.1 仿真结果仿真结果 DPCM和PCM数字电话通信系统仿真结果分别如图4所示，可以看出接收端与发送端的波形基本上是一致的，只是DPCM的幅度变小了，至于为什么幅度会变小，将在误差分析中说明。模拟信源模数转换数字调制信道数字 解调 数模 转换 低通滤波信宿噪声第 18 卷第 10 期 Vol.18 No.10 2006 年10 月 席在芳,等：基于S

10、IMULINK的现代通信系统仿真分析 Oct.,2006 2967 图2 DPCM仿真模型结构图 图3 PCM仿真模型结构图 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10(a)DPCM系统仿真波形 (b)PCM系统仿真波形 图4 输入与输出信号仿真波形(上面为输入信号，下面为输出信号)2.2 仿真误差分析仿真误差分析 在此主要比较 DPCM 与 PCM 系统的量化噪声，为了形象说明为此特别构建了误差分析模型如图 5 所示。该误差分析模型使用抽样量化编码器和DPCM编码器分别对同一个正弦信号进行量化和编码。同样使用与编码器相匹配的解码器对

11、量化信号实施解码，然后统计解码信号与原始信号之间的均方差，由此可以得到DPCM和PCM两种通信制式下的量化误差。图 5 误差分析模型 图5中有一个专门用来观察运行仿真结果的子系统，它从正弦信号发生器和两个解码器得到信号，经过变换之后在示波器上显示出来，该子系统结构如图6所示，在该子系统中，DPCM解码器和抽样量化解码器输出的解码信号分别在示波器上显示出来，作为对比，这两个示波器同时显示了正弦波的波形如图7所示。图6 子系统内部结构造 信号发生器 A 律压缩器 抽样量化编码器DPCM 编码器8 进值移频键控调制器 发送滤波器 加性高斯白噪声信道 接收滤波器 Scalar quantizer A-

12、law compressor DPCMencoderM-FSKIIR All-Pole AWGN IIR All-Pole M-FSKDPCMdecoderA-lawexpanderQuantizer decode ellip A 律解压器DPCM 解码器8 进值移频键控解调器 量化解码器 椭圆模拟低通滤波器 示波器 2示波器 1 示波器 2 信号发生器抽样量化编码器 示波器 1 抽样量化编码器 8 进值移频键控调制器 发送滤波器加性高斯白噪声信道 量化解码器 8 进值移频键控解调器 接收滤波器椭圆模拟低通滤波器Scalar quantizer M-FSKIIR All-PoleAWGN II

13、R All-PoleM-FSKQuantizer decode ellip DPCMencoder信号发生器DPCM decoder DPCM 编码器DPCM 解码器 ScalarquantizerQuantizer decode 抽样量化编码器量化解码器 子系统信号DPCMPCMPCM信号零阶保持Running RMS Running RMS 均方差 1 均方差 DPCM示波器 1示波器 2示波器 350-550-550-550-5第 18 卷第 10 期 Vol.18 No.10 2006年10月 系 统 仿 真 学 报 Oct.,2006 2968 0 2 4 6 8 10 0 2 4

14、6 8 10 图7 DPCM示波器（左）和PCM示波器（右）图中蓝色的为原始正弦信号波形，绿色的是变换后的波形。如前所述，可以看出DPCM译码信号也是一个正弦信号，然而幅度变小了，与此相对应的是，PCM信号的幅度值没有变化，造成这种现象的原因在于DPCM采用了与PCM不同的编码方式，DPCM先计算输入信号的差值，然后在对这个差值进行PCM编码，因此该差值信号依然是一个正弦信号且幅度会变小。在图8中，蓝色绘制的线条表示DPCM信号的量化误差，而绿色线条则是表示PCM信号的量化误差，从图中可以清楚的看到，DPCM信号的量化误差明显低于PCM信号的量化误差，这也从另一个侧面上反映了DPCM在编码方式

15、上优于PCM。图8 DPCM和PCM量化误差比较 3 存在的问题及改进方案存在的问题及改进方案 1)差错不可控，没有检错和纠错编码，可靠性不好。对于该问题，可以在发送部分加入信道编码。2)由于是数字通信系统，所以频带利用率不高。克服数字通信不足的办法：降低每路信号的频带宽度，也就是压缩编码率，用更少的码位数来表示信号，比较可行的系统就是ADPCM(Adaptive DPCM)系统。另外采用复用技术，在有限的频带内，利用各个信号所占的频率不同来传输。针对上述两个主要的缺点，在此采用复用技术克服频带利用率不高的缺点，从而提高通信系统的有效性；在调制前加入纠错编码，从而提高通信系统的可靠性，其仿真模

16、型和仿真结果分别如图9和图10所示。4 结论结论 本文主要是以MATLAB/Simulink为软件平台，根据DPCM和PCM通信系统的组成原理，在Simulink模块库中找出相应的模块，选择合适的模块以及设置适当的参数，建立了DPCM和PCM数字电话通信系统仿真模型，对这两种通信系统进行模型构建、系统设计、仿真演示、显示结果、误差分析以及综合性能分析。从仿真的结果来看，失真较小，达到了我们的目的。本文重点构建了误差分析模块以及利用该模块来对DPCM与PCM进行了误差分析和比较，最后针对差错不可控以及频带利用率不高的缺点加入了纠错编码和复用技术并对其进行了仿真，该分析方法同样可推广到其它通信系统

17、，对设计和分析整个通信系统有较强的指导作用和实际意义。图9 加入纠错编码和采用复用后的PCM仿真模型结构图 信号发生器 抽样量化编码器 整型-位变换器 汉明编码器位-整型变换器8 进值移频键控 调制器示波器 1信号发生器1示波器 2 示波器 3 示波器4量化解码器 1 椭圆模拟低通滤波器位-整型变换器 2 汉明译码 1整型-位变换器 28 进值移频键控 解调器 1 发送滤波器加性高斯白噪声信道 接收滤波器8 进值移频键控 解调器 整型-位变换器 1汉明译码位-整型变换器 1 量化解码器 抽样量化编码器 1 整型-位变换器 3 汉明编码器 1位-整型变换器 38 进值移频键控 调制器 1Scal

18、ar quantizer ellip Quantizer decode Quantizer decode Scalar quantizer M-FSKM-FSKM-FSKM-FSKIIR All-PoleIIR All-PoleAWGNInteger to Bit Converter Integer to Bit Converter Bit to IntegerConverterBit to IntegerConverterHamming enHamming enHamming deHamming deInteger to BitConverterInteger to BitConverter

19、Bit to Integer Converter Bit to Integer Converter 50-550-5(下转第 2975 页)0.60.40.200 2 4 6 8 10第 18 卷第 10 期 Vol.18 No.10 2006 年 10 月 张天乐，等：部分连接的无线网络路由研究 Oct.,2006 2975线，因此完全连接的路径永远不存在，DSR 不适用。而使用 Epidemic 方式，会造成数据在路径上产生“乒乓效应”，不可用。采用组关系路由 GPR 的方式进行仿真(组直径为 2跳)，如图5 深色曲线所示，数据到达率较高，传输延迟降低。场景 1：n=50 场景 2：n=8

20、 图 5 性能参数仿真结果 4 结论结论 本文提出一种新的路由模型，能够在部分连接网络中有效地传输数据。网络中节点被动态划分为若干组，网络的拓扑被简化为以组为节点的拓扑图，从而以网络设备节点序列描述的路径被转化为以组序列标记的路径。组序列标记的路径更为稳定，能够适应部分连接网络的间歇连接和拓扑变化，能够有效地反映路径的位置和趋势。用组序列作为路由依据，能够获得更高的数据到达率，同时，也减少了由于间歇连接带来的单点故障问题。本文提出的组关系路由协议，对于部分连接网络具有很好的适应性，提高了无线自组织网络的可用性。参考文献：参考文献：1 T Spyropoulos,K Psounis,C S Ra

21、ghavendra.Single-copy routing in intermittently connected mobile networks C/In Proc.of IEEE Secon04,2004.2 A Vahdat,D Becker.Epidemic routing for partially connected ad hoc networks R.Technical Report CS-200006,Duke University,2000.3 X Chen,A L Murphy.Enabling disconnected transitive communication i

22、n mobile ad hoc networks C/In Proc.of Workshop on Principles of Mobile Computing,PODC01,2001.4 Anders Lindgreny,Avri Doria,Olov Scheleny.Probabilistic routing in intermittently connected networks J.SIGMOBILE Mob.Comput.Commun.Rev.(S1559-1662),2003,7(3):19-20.5 H Dubois-Ferriere,M Grossglauser,M Vett

23、erli.Age matters:efficient route discovery in mobile ad hoc networks using encounter ages C/In Proc.ACM/IEEE MobiHoc03,2003.6 Qun Li,Daniela Rus.Communication in disconnected ad-hoc networks using message relay J.Journal of Parallel and Distributed Computing(S0743-7315),2003,63(1),pp:75-86.7 D Johns

24、on,D Maltz,Y Hu,J Jetcheva.The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks EB/OL.IETF Draft,2003.http:/www.ietf.org/internet-drafts/draft-ietf-manet-dsr-09.txt.(上接第2968页)(a)第一路方波信号仿真波形 (b)第二路正弦信号仿真波形 图10 输入与输出信号仿真波形(上面为输入信号,下面为输出信号)参考文献：参考文献：1 杨世海,周良柱.基于 Matlab 的 CDMA 无线通信可视化仿真 J.系统仿真

25、学报,2001,13(1):98-100.2 张力,罗忠相.基于软件无线电的 QPSK 解调器仿真及实现 J.中国有线电视,2005,10(6):557-561.3 罗超,陈宇海.薛福珍基于Simulink的TCP/RED仿真研究 J.系统仿真学报,2004,16(6):1162-1164.4 刘玉昌,韩恩权.基于 Matlab 的 VLF/LF 通信系统仿真 J.电讯技术,2004,15(5):140-143.5 杨华,吴楚.基于 Matlab 的(CD)2MA 系统的仿真及性能分析 J.通信技术,2003,11(11):42-44.6 周宇,张林让,田慧.基于 Matlab/Simulin

26、k 的雷达系统仿真 J.计算机仿真,2004,21(11):235-237.7 李兴,魏波,钱敬华,吴诗其.第三代移动通信卫星/地面信道建模与仿真技术 J.系统工程与电子技术,2004,26(3):294-297.8 徐素妍,曹坤梅.基于 MATLAB 语言的现代通信仿真分析 J.计算机应用,2001,21(8):62-63.9 周正兰,董炎杰,张英海.OFDM 及其在链路级平台的 Simulink 实现 J.中国数据通信,2003,15(10):90-93.10 郭海燕,毕红军.Matlab 在伪随机码的生成及仿真中的应用 J.计算机仿真,2004,21(3):149-152.11 樊昌信,张甫翊,徐炳祥.通信原理 M.北京:国防工业出版社,2004.12 李建新,刘乃安.现代通信系统分析与仿真-MATLAB通信工具箱 M.西安:西安电子科技大学出版社,2000.