通信系统仿真(第一次课)资料课件.ppt

通信系统仿真,讲授人：肖湘Email:,相关书籍,Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析邵玉斌,清华大学出版社基于Matlab的通信系统仿真赵静等,北京航空航天大学出版社Matlab及在电子信息类课程中的应用唐向宏等,电子工业出版社MATLAB基础教程薛山,清华大学出版社,教学目标,了解通信系统建模仿真思想与方法掌握Matlab语言的基本操作学会使用Simulink进行建模与仿真,对学习者的要求,三个重要环节课前预习课上认真听讲，思考课后实践、消化经常进行阶段应用掌握知识的窍诀：反复上机实践,其他约定,不得迟到、早退、缺课，有事请假上课时请关闭手机或者调静音迟交的作业恕不修改，只作记录最终成绩= 期末考试成绩+平时成绩,内容,通信系统建模与仿真,1,Matlab简介,2,Matlab语言基础,3,内容,通信系统建模仿真,1,分类,概念、方法,工具,1.1 通信仿真的概念,在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真，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。这个过程就是通信仿真。,1.1 通信仿真的概念,随着数字通信技术的发展，特别是与计算机技术的相互融合，通信系统和信号处理技术变得越来越复杂。 强大的计算机辅助分析与设计工具和系统仿真方法作为将新的技术理论成果转换为实际产品的高效而低成本途径越来越受到业界的青睐。,1.1 通信仿真的概念,建模和仿真的作用和意义： 利用系统建模和软件仿真技术，我们几乎可以对所有的设计细节进行分层次的建模和评估。 通过仿真技术和方法，我们可以有效地将数学分析模型和经验模型结合起来。 利用系统仿真方法，可以迅速构建一个通信系统模型，提供一个便捷，高效和精确的评估平台。,1.1 通信仿真的概念,系统仿真的数学基础定义：仿真也称为模拟，在本质上，系统的计算机仿真就是根据物理系统的运行原理建立相应的数学描述并进行计算机数值求解的过程。 建模和仿真过程 建立系统数学模型或仿真模型编写系统的计算机仿真模型求解分析关键问题求解算法 算法的改进 简化系统模型,1.1 通信仿真的概念,计算机仿真的一般过程建立计算机程序（层次化的）执行仿真对仿真模型和仿真结果的检验仿真验证包含以下方面内容： 对仿真数学模型有效性的验证。 对计算机仿真模型（程序）的验证。 对仿真算法的验证。 仿真结果置信度分析。,1.2 通信仿真的基本方法,将给定问题映射为仿真模型。把整个问题分解为一组子问题。选择合适的建模、仿真和估计方法，并将其用于解决这些子问题。综合各子问题的解决结果以提供对整个问题的解决方案。,1.3 通信系统模型的分类,按照系统层次分类按照信号类型分类按照系统特征分类,1.3 通信系统模型的分类,按照系统层次分类通信系统的最高层次描述是通信网络层次 在网络层次之下，是对通信节点和链路以及传输信号的具体化，称为链路层次模型。 电路实现层次的模型。,1.3 通信系统模型的分类,按照信号类型分类根据函数类型的不同可以将信号划分为模拟信号，数字信号，时间连续信号，时间离散信号等。按照链路层通信系统仿真模型中流通的信号类型不同，可以将其划分为连续时间系统，离散时间系统，模拟系统，数字系统以及混合系统等。,1.3 通信系统模型的分类,按照系统特征分类恒参系统 变参系统或时变系统 确定系统 随机系统 无记忆系统 有记忆系统或动态系统(系统的当前输出与输入信号的历史值有关),1.4 通信系统仿真的优点和局限性,优点： 难以使用解析法求解的情况下系统仿真手段就成为了一个极为有效的工具。 利用仿真技术往往可以绕过艰深的甚至是不可能的数学解析求解，而较为轻易地获得问题的数值结果。 在对现代通信系统新协议、新算法和新的体系结构的设计和性能评估中，只能通过仿真来检验所考察的对象，以验证有关的假设，评价算法的性能。 仿真技术也是理解原理，验证理论，进行探索和发现的有效途径。,1.4 通信系统仿真的优点和局限性,缺点模型的建立、验证和确认比较困难。 对实际系统的建模的原理和方法不当使得与实际系统的差别较大。 建模过程中忽略了部分次要因素，使得模型仿真结果偏离实际系统。 仿真试验时间太短，给结果分析带来较大误差。 随机变量的概率分布类型或参数选取不当。 仿真输出结果的统计误差。 计算机字长、编码和应用算法也会影响仿真结果。,1.5 系统建模仿真方法与仿真工具,系统建模仿真方法与仿真工具的关系仿真工具是实现建模和数值求解过程的软件和硬件平台。我们所希望的现代仿真平台和编程语言环境具有如下基本特征：简便高效的仿真描述语言。 层次化和模块化建模的能力。 可视化的建模方式。 软件硬件协同仿真的能力。 交互性和图形环境。 跨平台和可移植性。,1.5 系统建模仿真方法与仿真工具,仿真环境的构成和要求模块库。 模块编辑和配置器。 仿真管理器。 后处理部分。 文件和数据库管理。 帮助文档。,1.5 系统建模仿真方法与仿真工具,常用仿真工具的选择网络层次的建模：OPNET， NS链路层次的仿真：Matlab/Simulink，Systemview，Scilab以及C， C+ 电路实现层次的仿真：Spice，VHDL本课程以Matlab/Simulink作为建模和仿真平台,作业,安装MATLAB系统,内容,Matlab 简介,2,Matlab窗口环境,Matlab是什么？,2.1 Matlab是什么？,一、概述 MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，它的首创者是在数值线性代数领域颇有影响的Cleve Moler博士，他也是生产经营MATLAB产品的美国Mathworks公司的创始人之一。 MATLAB是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而使其被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作中。,MATLAB产品族可以用来进行如下工作：数值分析；数值和符号计算；工程与科学绘图；控制系统的设计与仿真；数字图像处理；数字信号处理；通讯系统设计与仿真；财务与金融工程等。,2.1 MATLAB简介,二、 MATLAB仿真的意义 当在实际电子通信系统中进行试验研究比较困难或者根本无法实现时，仿真技术就成为必然的选择。,2.1 MATLAB简介,MATLAB与其它计算机高级语言如C，C+等相比，MATLAB语言编程要简洁得多，编程语句更加接近数学描述，可读性好，其强大的图形功能和可视化数据处理能力也是其它高级语言望尘莫及的。对于具有任何一门高级语言基础的学生来说，学习MATLAB十分容易。,2.1 MATLAB简介,MATLAB使得人们摆脱了常规计算机编程的繁琐，让人们能够将大部分精力投入到研究问题的数学建模上。可以说，应用MATLAB这一数学计算和系统仿真的强大工具，可以使科学研究的效率得以成百倍的提高。,2.1 MATLAB简介,二、MATLAB特点跨平台的数学语言超高级语言语法简单，编程风格接近数学风格强大的绘图功能计算精度很高拥有学科众多，领域广泛的工具箱可移植,2.2 MATLAB特点,三、MATLAB入门操作 命令窗口 Command Window 历史命令窗口 Command History 当前目录窗口 Current Directory 工作空间窗口 Workspace,2.3 MATLAB界面,1. Command Window 可显示除图像以外的所有结果最简单的计算器使用法准备阶段,2.3 MATLAB界面,MATLAB语句形式 变量表达式；通过等号将表达式的值赋予变量。当键入回车键时，该语句被执行。语句执行之后，窗口自动显示出语句执行的结果。如果不希望结果回显，只需在语句后加分号即可。,2.3 MATLAB界面,命令行编辑器方向键和控制键可以编辑修改已输入的命令 ：回调上一行命令 ：回调下一行命令多行命令（) : 如果命令语句超过一行或者太长希望分行输入，可以使用多行命令继续输入,2.3 MATLAB界面,例如：S=1-12+13+4+ 9-4-18;,复数和复数矩阵 MATLAB把复数作为一个整体处理。虚数单位用预定义变量i或j表示； 复数z=a+bi= 直角坐标是和极坐标系之间转换的MATLAB指令： real(z) imag(z) abs(z) angle(z)MATLAB的矩阵元素允许是复数、复变量和由它们组成的表达式,2.3 MATLAB界面,指令窗的常用控制指令 clc 清除指令窗中显示内容 clear 清除工作空间中保存的变量 exit 关闭/退出MATLAB quit 关闭/退出MATLAB,2.3 MATLAB界面,2. Command History Window 记录着用户在指令窗中所输入过的所有指令行。,2.3 MATLAB界面,3. Current Directory Window 组织、管理和使用所有matlab文件和非matlab文件。,2.3 MATLAB界面,4. Workspace Window 内存变量的查阅、保存和编辑。(who,whos),2.3 MATLAB界面,内容,Matlab 语言基础,3,基本运算符,变量,绘图,常用函数,基本语句,3.1 Matlab语言基础: 变量,变量的命名变量无需定义即可使用变量的名字必须以字母开头，之后可以是任意字母、数字或下划线(不能超过31个字符)变量名称区分字母的大小写不能包含空格、标点,变量操作在命令窗口中，同时存储着输入的命令和创建的所有变量值，它们可以在任何需要的时候被调用采用clear将清除内存内的所有变量采用“clear 变量名”清除指定变量,3.1.1 矩 阵,矩阵的赋值要求整个矩阵的值必须放在方括号中；同一行中各元素之间以逗号“，”或者空格分开；不同行的元素以分号“；”隔开。,3.1.1 矩 阵,操作结果？a=1,2,3,4,5,6b=1,2,3; 4,5,6c=1,2,3;4,5,6;1,2,3;4,5,6,3.1.2变量元素的标注,变量的元素用圆括号“（）”中的数字来注明a=1,2,3;4,5,6;7,8,9; a(2,2)a(4,4)=5.6size(a),3.1.3 赋值技巧,在MATLAB中，为变量的赋值提供一些简便快捷的方法冒号：产生递进向量 t=i:j:k (t=1:2:10 t=1:10)利用冒号给全行赋值 a(5,:)=5,4,3,2利用行，列标注构成新的矩阵 b=a(2,4,1,3) a(2,4,5,:)=,3.1.4特殊的矩阵和数组,除了采用直接输入方法对变量赋值外，也可利用MATLAB的内部函数来对变量赋值，利用这些函数来创建和生成特殊矩阵或数组。 在MATLAB中提供了许多生成矩阵的函数命令，这些函数命令存放在“matlab/elmat”目录下。,3.1.4特殊矩阵和数组1,单位矩阵函数 产生在对角线元素为1，其他元素为0 的单位矩阵。a=eye(n)a=eye(m,n)a=eye(size(b),3.1.4特殊矩阵和数组2,zero函数a= zero(n)a= zero(m,n)a= zero(size(b),ones函数a= ones(n)a= ones(m,n)a= ones(size(b),3.1.4特殊矩阵和数组3,rand及randn函数X=rand(m,n) 产生在（0,1）之间均匀分布的随机一维数组或行矢量X=randn(m,n)产生均值为0，方差为1的正态分布的随机一维数组或行矢量,3.1.5内部特殊变量和常数,ans:临时变量realmax:最大正浮点数，任何大于该值的运算都会溢出。realmin:最小正浮点数，任何小于该值的运算都会溢出。pi:常数，表示圆周率。Inf：常数 ，表示正无穷大。i/j：虚数单位，表示复数虚部单位。NaN：表示非数值，如Inf-Inf, 0/0,3.1.6复数的赋值方法,可将矩阵元逐个赋予复数z= 1+2i,3+4i,5+6i，7+8i,将矩阵的实部和虚部分别赋值z= 1,3,5,7+ 2,4,6,8*i,常用的数学运算符,运算式中，通常不需要考虑空格多条命令可以放在一行中同行中各条命令可用分号隔开，表示禁止结果显示同行中各条命令也可用逗号隔开，表示需要显示结果, - 加 - 减 * - 乘 / - 左除 - 右除 - 幂,3.2 Matlab语言基础: 基本运算符,常用的关系运算符, - 大于 = - 大于等于 - 小于 = - 小于等于 = - 等于 = - 不等于,运算法则 若关系式成立，结果为1 若关系式不成立，结果为0,3.2 Matlab语言基础: 基本运算符,计算,a=1,2,3;4,5,6 b=2,1;3,4;5,6 a*b,a=1,2,3;4,5,6 b=1+1i,2+2i,3+3i;4+4i,5+5i,6+6i a.*b,常用的逻辑运算符,& - 与 | - 或 ! - 非,运算法则 若逻辑真，结果为1 若逻辑假，结果为0,3.2 Matlab语言基础: 基本运算符,其他常见符号,3.2 Matlab语言基础: 基本运算符,= - 变量赋值 % - 注释符 - 共轭转置符 . - 转置符 : - 冒号运算符,举例： n:s:m 产生nm、步长为s的序列,循环语句for-end循环 ：循环次数事先确定时使用while-end 循环：循环次数不能事先确定时使用,3.3 Matlab语言基础: 基本语句,for i=n:s:m 语句体end s 为步长可以为正数，负数或小数,while 表达式 语句体end表达式为真，执行语句体表达式为假，终止该循环,分支语句if-elseif-else-end： 具有优先级switch-case-otherwise-end：无优先级,3.3 Matlab语言基础: 基本语句,if 表达式1 语句体1elseif 表达式2 语句体2.else 语句体elseend,switch 变量 case 变量值1 语句体1 case 变量值2 语句体2 otherwise 语句体otherwiseend,常用的数学函数,abs - 求绝对值sin - 正弦cos - 余弦tan - 正切asin - 反正弦acos - 反余弦atan - 反正切sqrt - 求平方根,exp - eximag - 求虚部real - 求实部sign - 求符号log - 求自然对数log10 - 以10为底的对数conj - 共轭复数,Matlab语言基础: 常用函数,Matlab语言基础: 矩阵,矩阵的生成,例如：创建一个33矩阵输入 ：a=1 2 3;4 5 6;7 8 9 或者a=1 2 3 4 5 6 7 8 9 屏幕输出： a = 1 2 3 4 5 6 7 8 9,矩阵的元素直接排列在方括号内 行与行之间用分号隔开每行内的元素使用空格或逗号隔开大的矩阵可以用分行输入，回车键代表分号,矩阵的生成,举例：输入 a=1:2:10屏幕输出： a= 1 3 5 7 9输入 a=10:-2:1屏幕输出： a= 10 8 6 4 2,用线性等间距生成向量矩阵 start : step : end start：起始值 step: 步长(默认为1，可为负值) end: 终止值,Matlab语言基础: 矩阵,一些常用的特殊矩阵,eye(2,3)ans= 1 0 0 0 1 0,eye(2)ans= 1 0 0 1,V=5 7 2; A=diag(V)A= 5 0 0 0 7 0 0 0 2,Matlab语言基础: 矩阵,单位矩阵：eye(m,n); eye(m)零矩阵： zeros(m,n); zeros(m)一矩阵： ones(m,n); ones(m)对角矩阵：对角元素向量 V=a1,a2,an A=diag(V)随机矩阵：rand(m,n)产生一个mn的均匀分布的随机矩阵,zeros(2,3)ans= 0 0 0 0 0 0,zeros(2)ans= 0 0 0 0,ones(2,3)ans= 1 1 1 1 1 1,ones(2)ans= 1 1 1 1,rand(2,2)ans = 0.4154 0.8744 0.0150 0.9708,矩阵元素的访问通过确认矩阵下标，可以对矩阵的子块进行插入、提取和重排 注意：MATLAB中矩阵下标从1开始，而不是从0开始,Matlab语言基础: 矩阵,A(m,n)：提取第m行，第n列元素 A(:,n) ：提取第n列元素 A(m,:) ：提取第m行元素 A(m1:m2,n1:n2)：提取m1m2行和n1 n2列的所有元素 A(:) ：得到一个长列矢量，其元素按矩阵的列进行排列,A= 1 2 3 4 5 6;,A(2,1)ans=4,A(2,:)ans= 4 5 6,A(:,2)ans= 2 5,A(1:2,2:3)ans= 2 3 5 6,A(:)ans= 1 4 2 5 3 6,矩阵的扩展与消除矩阵扩展：如果在原矩阵中一个不存在的地址位置上设定一个数（赋值），则该矩阵会自动扩展行列数，并在该位置上添加这个数，而且在其他没有指定的位置补零。消除子块：如果将矩阵的子块赋值为空矩阵 ，则相当于消除了相应的矩阵子块。,Matlab语言基础: 矩阵,A= 1 2 3 4 5 6;,A(3,2)=7A=1 2 3 4 5 6 0 7 0,A(2,:)= A=1 2 3,矩阵的大小,Matlab语言基础: 矩阵,m,n=size(A,x)：返回矩阵的行列数m与n 当x=1，则只返回行数m 当x=2，则只返回列数nlength(A)=max(size(A)：返回行数或列数的最大值,A= 1 2 3 4 5 6;,size(A)ans= 2 3,size(A,1)ans= 2,size(A,2)ans= 3,矩阵的运算,举例A=1+i 2-2i; -3+3i -4-4i A= 1+ i 2-2i -3+3i -4-4i,B=AB= 1- i -3-3i 2+2i -4+4i,C=A.C= 1+ i -3+3i 2-2i -4-4i,Matlab语言基础: 矩阵,转置：转置符号有两种形式 A - 共轭转置 A. - 普通转置 求逆 ：inv(A) 求行列式：det(A),矩阵的四则运算与幂运算,.* - 点乘 . - 点右除 ./ - 点左除 . - 点幂,点运算是两个维数相同矩阵对应元素间的运算,Matlab语言基础: 矩阵, - 矩阵加 - 矩阵减 * - 矩阵乘 / - 矩阵左除 - 矩阵右除 - 矩阵幂,内容,Matlab绘图基础,3,Matlab绘图基础,MATLAB提供了丰富的绘图功能,help graph2d可得到所有画二维图形的命令help graph3d可得到所有画三维图形的命令,lot(x,y,属性)或者stem()：绘图 figure：选择图像 figure(1)；figure(2)；figure(n) 打开不同的图形窗口，以便绘制不同的图形 grid on：在所画出的图形坐标中加入栅格 grid off：除去图形坐标中的栅格 hold on： 当前图形保持不变，同时允许在这个坐标内绘制另外一个图形 hold off：使新图覆盖旧的图形,Matlab绘图基础,举例： t=0:pi/20:9*pi; f=sin(t); figure(1) plot(t,f,r:*) grid on,Matlab绘图基础,设定对数坐标,Matlab绘图基础,semilogx：x轴为对数坐标，y轴为线性坐标semilogy：y轴为对数坐标，x轴为线性坐标,设定轴的范围,axis（xmin xmax ymin ymax）axis(equal)：将x坐标轴和y坐标轴的单位刻度调整为一样,文字标示,Matlab绘图基础,text(x,y,字符串) 在图形的指定坐标位置(x,y)处，标示单引号括起来的字符串gtext(字符串) 利用鼠标在图形的某一位置标示字符串title(字符串) 在所画图形的最上端显示说明该图形标题的字符串xlabel(字符串)，ylabel(字符串) 设置x，y坐标轴的名称。legend(字符串1,字符串,字符串n) 在屏幕上开启一个小视窗，然后依据绘图命令的先后用对应的字符串区分图形上的线,t=0:pi/20:5*pi;f=sin(t)figure(1)subplot(121)plot(t,f)grid onsubplot(122)plot(t,-f)grid on,Matlab绘图基础,subplot（mnk）：分割图形显示窗口 m:上下分割个数，n:左右分割个数，k:子图编号,内容,Matlab与数字通信仿真,4,Matlab与数字通信仿真,Matlab与数字通信仿真,Matlab与数字通信仿真,产生随机数,randsrc：产生给定符号集合的随机数randn ：产生正态分布的随机数randint ：产生均匀分布的随机整数,举例：产生0、1分布的随机序列 randsrc(1,N,0,1;0.5,0.5) randint(1,N),Matlab与数字通信仿真,产生随机数,Matlab与数字通信仿真,Matlab与数字通信仿真,数字调制,qammodqamdemodgenqammodgenqamdemodpammod,pamdemod建议自己编写！,举例：进行QPSK调制,const=1+j,-1+j,1-j,-1-j;y=genqammod(x, const);,数字调制,Matlab与数字通信仿真,Matlab与数字通信仿真,Matlab与数字通信仿真,插值,upsample建议自己编写！,举例：进行8倍上采样 N=8; y=upsample(x,N);,Matlab与数字通信仿真,Matlab与数字通信仿真,波形成型,y = rcosflt(x, Fd, Fs, type_flag, r, delay)filter=rcosine(Fd,Fs, type_flag, r, delay) y = conv(x,filter)建议自己编写！,Matlab与数字通信仿真,波形成型,给大家的建议,自己去编写课程相关的函数：养成好的习惯：变量、函数的命名有意义，加入注释(%)，增强可读性.m文件（主程序）开头先把环境打扫干净(clc；clear) ！注意在子程序中不要用clear尽量使用矩阵运算程序尽量模块化，即采用主程序调用子程序参数值最好集中放在程序的开始部分，以便维护,Thank You for your attention!,