MATLAB-SIMULINK通信系统建模与仿真实例分析

【实例简介】
MATLAB-SIMULINK通信系统建模与仿真实例分析,Simulink在通信上应用，非常实用的一本书。
內容簡介 本書系統地介紹了通信建模仿真方法和模型驗證技術,並結合作者近年在教學科硏中所 設計的大量基礎的和較深入的建模仿真實例,詳細討論了 Matlab/ Simulink作為仿真實現平 台在電子與通信工程中應用的基木方法、技巧和難點。木書重點討論了建模仿真原理和相鬨 的數值計算方法、模擬通信系統、模數轉換、調製貝編碼、信道模擬、載波與符號同步、信道 均衡、跳頻系統和直接擴頻系統、通信模型正確性評估、仿寘數據驗證和數據處理技術等內 容,並在仿真實例中展示了科學研究論文和報告所必須的數據處理和表現技巧 本書提供了約150個建模仿真實例,80多道思考題,以及全部實例代碼和一個電子教案 這些實例根據基木數學原理,結合 Simulink的S凼數編程,也使用了通信工具箱、信婋處理 工具箱和相關模型庫的模塊和函數,以便於讀者追源求本,深入理解建模和仿真的實質。 本書可作為高等院校通信工程、電子信息類專業的本科生和硏究生系統仿真課程的教材 或進行相關課題硏究的參考書,也可作為相關專業課程設計和畢業設計等綜合性實踐教學的 指導材料,還可供通信工程專業技術人員、教師等作為解決通笮系統設計、評估和建模仿真領 域實際問題的參考資料。 前 Matlab語言由於其語法的簡潔性、代碼接近於自然數學措述方式以及具有豐富的專業 凶數庫等諸多優點吸引了眾多的科學研究工作者,越來越成為科學研究、數值計算、建模 仿真以及學術交流的事實標準。 Simulink作為 Matlab語言上的一個可視化建模仿真平台, 起源於對自動控制系統的仿真霱求,它採用方框圖建模的形式,更加貼近於工稈習慣。目 前, Matlab/ Simulink的應用已經遠遠超越了数值計算和控制系統仿真等傳統領域,在幾乎所 有理工學科中形成了為數眾多的專業L具庫和函數庫,口益成為科學研究和上程設計中口常 的計算和仿真試驗工具。 隨著 Matlab/ Simulink通信、信號處理專業函數庫和專業工貝箱的成熟,他們日益為廣 人通信技術領域的專家學者和工程師所熟悉,在通信理論硏究、算法設計、系統設計、建模仿 真和性能分析驗證等方面的應用也更加鷹泛。 Simulink可化仿真工具能夠以很直觀的方框 晑方式形象地對通信系統進行建模,並以「實時」和動畫的方式來將模型仿貞結果(如波形、 頻譜、敷據曲線等)顯小岀來,更便於對通信系統的物理概念和運行過程的直覲理解,所以近 年來在通信工程專業中得到了廣人師生的重視和廣泛應用,在理論教學、課程實踐環節以及 理論和技術前沿的研究中發揮了重要作用。 本書以通信原理為主線,從系統建模原理和仿真的數值計算方法入手,詳細介紹 了 Matlab/ Simulink在通信系統建模和仿貞中的應用原理、內容方法和特點,並結合作 者在科研和教學中的應用硏究,列舉了大量的仿真實例。通過這些實例,以期逹到兩個目的: 其一是通過系統建模過程對 Matlab/ Simulink基本建模仿真方法的實質性理解,以掌握通信 系統仿真的思維方法;其二是通過仿真過程和仿真結果分炘對基本通信系統原理的理解,並逐 漸培養系統建模和設計的自主能力和創造力 本書的特點是: (1)本書重黠討論通信工程相開專業旳系統仿真原理和應用,以通信系統媾成為主線介 紹系統仿真方法,以微分方程的數偵求解和概率論為數學基礎,注重介紹通信仿真技術中基礎 性的,本質性的內容,並強調仿真的數學原理和方法,而不作為一本 Matlab語言或仿真編程 的介紹手間 哩論的學習必須要有實踐的支持,理諍的檢驗和驗證也必須通過實踐。數理基礎在通信 工程專業中的地位應當得到重視。系統仿真技術是專業理諭和系統實驗相結合的有效途徑 之一,學習通信系統仿真不是學習某個系統仿真軟件的功能,而是在紮實的數理基礎和通 信理論基礎上以系統仿真軟件作為工具平台的實踐活動。基於這種認織,本書沒有系統介 紹 Matlab/ Simulink軟件的使用方沄和編程函數,而是把 Matlab/ Simulink視為一種方便的 仿真軟件工只在通信系統建模和仿真中加以應用。因,掌握本書所介紹的系統仿真思想方 法也就意味著可以使用任何計算機語言來進行通信系統的建模仿真實踐 (2)本書詳細請述了 Matlab/ Simulink的建模仿真原理,把S函數作為掌握 Simulink仿 真的根本,並將 Simulink可視化建模和 Matlab語言編程統一起來。並通過眾多的實例,加強 了對仿手段、思想方法以及系統原理等抽像內谷的理解和應用。讓者可以運行這些實例,或 改變實例中系統模塊的參敷來進行實驗,甚仝可以在這些實例的基礎上媾建更加複雜的系統 模型。 (3)本書在內容編排上注意由淺入深,逐本求源,由普遍方法論到實際建模實驗,中通 信單元模塊的建模到綜合系統仿真,循序漸進,便於閱讀和學習。本書對通信系統建模的敭 學原哩的講述比峧詳細,重視數哩基礎在通信程中的應用,注重原理的論述,授人以漁 以 Matlab/ Simulink作為實驗台。特別注重講解通信系統建模和仿真理諭中根本性的和基 礎性的內容。 (4)鑒於通信系統仿真涉及的內容廣泛,對數學基礎要求和的通信基本理論的理解要求 較髙,又特別強調矩陣數值計算方法的編程實現能力,因此在每章之未總結了主要內容並對相 開的參考資料進行了綜述,以供讀者進“步深入學習相開內容時參考。 本書共分八章。 第一章概述了通信系統仿真的原理和方法。對仿真建模的意義、模型的類型以及仿真的 數學方法進行了論述。 第二章是本書的基礎,主要介紹了 Matlab/ Simulink編程和建模仿真的原理,並通過大 量的實例演示了應用 Matlab/ Simulink建模仿真的方法、關鍵問題和處理技巧。希望通過這 些實例和實驗實作來使讀者對 Matlab/ Simulink的建模和仿真有一個實質性的理解 第三章以通信系統的基本構造為主線,對通信系統基本模塊的原理和建模方法進行了剖 論,並介紹了 Matlab/ / Simulink通信τ具箱和信號處理工具箱中的常用模塊及其原理和使用 方法。以這些基本模塊為元素,給岀了通信系統中從信源、調製、信道到接收解調、同步等基 木單元的仿真實例 第四章簡要闡述了通信系統整體構架和層次伈建模的思想要點,比較了模擬通信系統和 數字通信系統的仿真框架和兩者的異冋點,並討論了描述通信系統質量和性能的主要指標 第五章對模擬通信系統的建模和彷寘問題進行了詳細的討論,包括對調幅廣播波形和頻 譜、傳輸、接收機自動增益控原理和性能、檢波和解調、單邊帶通佁機、調頻立體聲系統以 及彩色電視信婋和系統的仿真實例。對模擬通信系統運行原理的理解能力可以视為無線電和 電子工程師最基本的專業素質來衡量 第六章討論了模擬信號數字化問題的原理和仿寘實例,內容包括採樣定理的原理性仿 真、Δ①D轉換、非均勻量化的原理和性能仿真、pCM編解碼過程、自適應PCM以及增量調 製的原理仿真和性能結果等等。 第七章以數字通信系統的關鍵技術和一些較深入的問題為饼究對象,討論了以誤碼率為 性能指熛的蒙特卡羅仿真建模方法,基帶數據傳輸的碼型設計與仿真,基帶帶限傳輸系統、眼 圖以及信道均衡問題,數字調製的波形和頻譜仿寘問題等等。以仿真實例介紹了擴頻抗干擾 系統的原理和性能分析,包括直接序列擴頻系統和跳頻系統的仿真實例 第八章討諭了通信系統模型評估和仿真結果的正確性驗證等問題。鮫詳細地介紹了苳特 卡羅仿真方法的實現要點,隨機數的產生,各種隨機分佈以及他們之間的關係,並討諭了以數 理統計方法為主的模型和仿真數據評估方法,插值和擬合等實驗數據處理方法等。對特卡 羅仿真方法的試驗精度等方面進行了性能分析。 全書所有實例的模型文件和程序代碼在 Matlab(R13)版本下調試通過。另外,還提供了 個電子教案。讀者需要只有微積分、概率賏統計、信號貝系統、數字信號處理和通信原理的 背景知識。 本書計劃學時為40學時,課堂上重點是講述通信系統仿真的概念、方法和實例應用,而 在教學實踐環節中可以通過本書的眾多實例以及各章的思考題來加深對仿真方法的掌握。建 議讀者在哩解仿貞原理的基礎上,對本書列舉的實例給岀自己的仿貞模型和設計參數,然後與 本書的模型和程序結果進行對比,這樣比單純運行、硏究實例模型將吏能夠激發讀者的創造 力,也更具趣味性和挑戰性。本書給岀的思考題一般是對實例問題的深化或拓展以及對正文 的補充。許多思考題在仿真條件、系統建模上給讀者預留了很大的創造空間,解答可以靈活多 樣 感謝澳大利亞新南威籣士大學電了與電氣工程學院的 Jinhong Yuan教授,在我做訪問學 者期間,他提供了良好的學術研究環境。在與他以及他的同事們的學術交流中得到了許多啟 迪,促成了本書的完成。 本書在成書過程中得到了許多專家、教授的關心和幫助,特別是在與徐眀遠教授、姚紹文 教授、龍華教授、劉增力卲教授等前輩和專家的父流中深受教益。在本書的寫作和相關課程教 學和輔導工作中得到了宋耀蓮、楊秋萍、朵晽老師的幫助和攴持。龍洋、吳熹等研究生也幫助 完成了本書部分章節的校閱工作。清華大學岀版社的魏江冮編輯對本書的策劃、編輯和校對 付出了辛苦的勞動,在此對他們表示衷心地感謝。 最後要感謝我的家人,沒有他們的關心和支持,本書是不能完成的 本書可作為高等院校通信工程、電子信息類專業的本科生和硏究生系統仿真課程的教材 或進行相闋課題硏究的參考書,乜可作為相關專業課程設計和畢業設計等綜合性實踐教學的 指導材料。 現代通信系統仿真技術不僅僅是對通信理論的驗證于段,也日遆成為通信新理論硏究、新 協議、新算法開發和系統總體設計的重要實驗硏究途徑,因此,本書所介紹的系統仿真思想方 法對於從事通信系統設計的專業技術人員也很具有參考價值。 限於筆者水平,木書定有不妥甚至錯誤之處,懇請讀者予以批評指正。作者的聯繄電子郵 件地址是: shaoyun999 sina. cor。 邵玉斌 零零七年|二月 目錄 前言 第1章通信系統仿真的原理和方法論 1.1通信系統仿真的現實意義· 1 1.2計算機仿真的過程 1.2.1系統仿真的數學基礎 1.2.2計算機仿真的一般過程 1.3通信系統模型的分類 1.3.1按照系統層次分類 1.3.2按照信號類型分類 1.33按照系統特徵分類 1.4通信系統仿真的方法 14.1基於動態系統模型的狀態方程求解方法∵· 14.2基於概率模型的蒙特卡羅方法∴ 1.43混合方法 17 1.5通信系統仿真的優點和局限性 1.6系統建模仿真方法與仿真工具··· 16.1系統建模仿真方法與仿真工具的關係 1.6.2仿真環境的構成和要求 1.6.3常用仿真工貝的選擇 1.7小結舆文獻綜述 1.8思考題 第2章 Matlab/ Simulink系統建模和仿真基礎」 2.1 Matlab編程仿真的方法 21.1概述 2.1.2靜態系統的 Matlab編程仿真 2.1.3連續動態系統的 Matlab編程仿真 2.1.4離散動態系統的 Matlab編程仿真 2.1.5基於數據流和基於時間流的仿真方法 2.2 Simulink仿真基礎 2.1系統模型的方程和圖形化描述 222 Simulink仿真平台 2.2.3構建一個簡覃的 Simulink仿真系統 224 Simulink子系統構建、封裝和自定義模塊庫 23 Simulink的工作原理—S函數 23.1S函數的工作原理 2.32用 Matlab語言編寫S函數 2.4用S函數編寫 Simulink基本模塊· 2.4.1信源模塊 ·.·· 2.4.2信宿和信號顯示模塊 95 2.4.3信號傳輸模塊 2.5 Simulink仿真的數據結構和編程調用方法 108 2.51 Simulink中數據流的向量和矩陣形式 2.52 Simulink中數據結構的轉換· 253 Simulink與 Matlab的交互 ·121 2.5.4編程調用仿真模型 124 2.6 Simulink在電子與通信系統仿真中的幾個關鍵問題 126 26.1系統仿真速率的設計和選擇 126 26,2並/串轉換和混合速率系統仿真 2.6.3不同層次的仿真模型 130 2.6.4用 Simulink求解方程·…… 2.6.5同一數學模型的多種計算機仿真實现方法 137 2.7聲卡在 Simulink仿真模型中的應用 ·137 27.1 Matlab興聲卜的接口函數∵ 138 2.7.2 Simulink與聲卡的接口模塊 139 273在 Simulink中組建虚擬儀器 2.8小結與文獻綜述 145 2.9思考題 146 第3章基本通信模塊的建模與分析 149 3.1濾波器模型 149 3.1.1濾波器的類型、參數指熛與設計 149 3.L.2瀘波器的實現 159 3.2信源模型 162 3.2.1確定信源 162 3.2.2偽隨機碼源 163 3.2.3統計信源一噪聲源 164 3.3信號參數的測量和分析 3.3.1信號的能量和功率 165 3.3.2信號直流份量和交流份量 165 3.3.3離散時間信號的統計參數 166 3.3.4信號的頻域參數 169 3.4信道模型 190 3.4.1加性高斯白噪聲信道 190 3.42帶限加性噪聲信道· 191 34.3離散時間信道指標的定量計算 192 3.4.4錯誤概率信道∵ 194 3.5調製舆解調 3.5.1調製的通帶和基帶模型 197 3.5.2模擬調製與解調模型 3.5.3數字調製與解調模型 204 3.6鎖相環和載波提取 206 36.1鎖相環的構成和建模仿真· 206 3.6.2用於或波提取的鎖相環仿真 3.6.3鎖相頻率合成器的仿真 3.7小結舆文獻綜述·· 219 3.8思考題 第4章構建通信系統仿真模型 221 4.1通信系統的基本模型 4.1.1模擬通信系統基本模型· 4.1.2數字通信系統基本模型 23 4.2通信系統主要性能指標 224 4.3通信系統建模的要點 4.4小結和文獻綜述· 2:30 4.5思考題· 第5章模擬通信系統的建模仿真 5.1詞幅廣播系統的仿真 5.2調幅的包絡檢波和相干解調性能仿頁比較 5.3頻分復用和超外差接收機的仿真模型· 36 5.4自動增益控制(AGC)原理與仿真 238 5.5調頻立體聲廣播系統的建模仿真 55.1調頻立體聲廣播的信號結構和仿真模型·· 5.5.2調頻立體聲接收機模型 5.6單邊帶調幅系統的建模仿真· 44 5.6.1希爾伯特變換 44 5.6.2單邊帶調嗝與解調原理 56.3一個簡化的單邊帶電台仿真 57彩色電視系統的建模仿真 253 5.7.1電視掃瞄原理的仿真 5.7.2彩色電視信號的構成和頻譜仿真 5.7.3簡化的彩色電視接收機仿真 5.8小結與文獻綜述 59思考题 第6章模擬信號數字化 6.1採樣定理的原理仿頁 62A/D和D/A轉換器的仿真 267 6.3PCM編碼和解碼 6.3.1信號的壓縮和擴張 268 6.3:2PCM編碼和解碼 271 6.4DPM編碼與解碼 276 6.5增量讖製 279 6.6小結與文獻綜述 6.7思考题. 第章數字通信系統的建模仿真 85 7.1進制傳輸的錯誤率仿真· 7.2基帶傳輸碼型設計 ··287 7.2.1二電平碼 288 7.22三電平碼· 7.3帶限基帶傳輸系統的仿真 294 7.3.1眼圖和無碼間串擾波形· 7.32基帶傳輸系統的仿真 297 7.3.3定時提取系統的仿真 7.3.4信道的時域均衡· 300 7.4數字調製的仿真 305 7.4.1信號的向量表小∵ ·306 4.2數字調製信號的向量表示和仿真 307 7.5擴頻系統的仿真 5.1偽隨機碼的產生 7.5.2直接序列擴頻系統 53跳擴類系統·· 31 7.6小結興文獻綜述 334 7.7思考题 第8章通信系統建模仿真的評估 337 8.1概运 8.2概率模型和蒙特卡羅方法∵ 339 8.3隨機數的產生和常用隨機分佈 8.3.1均勻分佈隨機數的產生 310 8.32產生其他常用隨機分佈的方法 833產生任意指定區間上的均勻分佈 343 8.3.4三角分佈 【实例截图】
【核心代码】