基于Matlab的数字通信系统原理与控制仿真实验

袁 敏

(盐城工学院 信息工程学院, 江苏 盐城 224051)

0 引 言

在通信系统规模与整体复杂程度不断增加的背景下, 传统设计方法已无法很好地适应当前发展的需要, 数字通信系统仿真技术越发受到该领域研究人员的重视[1]。在技术不断更新下, 数字通信系统计算机模拟技术成为了一种可靠方式。其能使用户在短时间内构建通信系统模型, 同时实行模拟仿真。通信技术发展到今天, 各领域对通信系统整体性能和造价方面均提出了相对较高的要求, 通信仿真正是考虑到各方面因素而被广泛应用[2]。

实际通信系统是一种功能结构均较为复杂的系统, 在对原系统进行优化或构建新系统前, 一般需要对该系统实行建模与仿真模拟, 利用仿真结果对方案可靠性和可实践性进行衡量, 并从中挑选出最科学合理的参数配置, 再将其应用到实际系统[3-4]。现阶段, 面向通信系统控制的研究成果众多, 为更好地实现数字通信系统原理与控制仿真, 相关研究人员进行了很多研究。

行鸿彦等[5]提出根据白光LED(Light Emitting Diode)设计并构建可见光传输下的音频通信系统。该系统在构建过程中与编解码芯片TP3067相结合, 完成多路音频信号复用传输操作, 通过FPGA(Field Programmable Gate Array)作为主控制器对编码信号时隙进行控制。该方法可有效构建通信系统, 但该系统中的参数分析较为简单, 不利于实际的应用。韩存武等[6]通过相空间多次重构下混沌映射, 为混沌数字通信提供相应方案。依据新映射混沌码具备的相关性与抗多址性能, 给出滑膜相关峰检测法, 实现离散混沌系统的同步, 进而完成混沌数字通信。该方法构建的混沌数字通信系统通信性能较好, 但抗干扰能力较弱。Qin等[7]对通信网络中包含的特殊问题进行了相应分析, 其中主要有网络故障、信道衰落与传输时延等问题; 对当前通信网络功率与速率的控制法和网络资源配置法进行综述, 并分析了这些方法优势和缺点及当前研究中的问题所在, 表明了未来研究方向。其未实际构建通信系统, 只提供了一定的理论基础。

基于上述问题的存在, 笔者提出基于Matlab的数字通信系统原理与控制仿真实验研究。Matlab能以直观可视化形式模拟通信系统, 为实际通信系统控制提供支撑。实验结果表明, 采用笔者方法可有效减少数字通信系统运行成本, 且能较好地优化系统参数配置。

1 数字通信系统和通信仿真技术

1.1 数字通信系统仿真模型构建与特性分析

在数字通信过程中, 其系统模型的基本特征为： 传输的信号为离散型, 并且数字通信具备很多特性。若要实现数字通信系统原理与控制仿真研究, 首先需要构建数字通信系统模型。系统仿真模型是将多个数字通信模块进行汇集, 改变这些模块的连接方式, 使仿真实验研究更加便捷有效。笔者采用PSK(Pre Shared Key)调制解调技术构建该仿真模型。该模型包括发送、信道与接收[8]3个模块。该模型的运行原理如图1所示。

通信仿真是判断通信系统性能的一种方式, 数字通信系统原理与控制仿真实验是一种离散系统模拟, 与一般仿真程序类似。在对通信系统进行模拟前, 先要对其特性进行分析, 基于上述构建的仿真模型分析仿真特性, 仿真程序如图2所示。从图2中可看出, 系统仿真为一个迭代往复的程序, 其由当前系统出发, 通过分析构建一个可在一定程度上表达原数字通信系统的模拟模型, 再利用模拟实验获取仿真数据。分析获取的仿真数据得到对应结果, 将该结果在当下通信系统中进行优化和完善。

图1 数字通信系统仿真模型原理图 图2 通信仿真程序 Fig.1 Schematic diagram of simulation model of Fig.2 Communication simulation program digital communication system

1.2 数字通信系统仿真程序分析

数字通信系统仿真程序一般包括仿真建模、实验以及分析3个过程。该仿真程序可以多次循环使用, 从中分析优缺点, 进而进行有效的优化, 得到最终满意的结果, 这也是该程序的最大特点。

1.2.1 仿真建模

随着我国经济体制改革的不断推进和国有经济改革的不断深化，中央企业原有的企业产权关系 领导体制运行和管理方式都发生了相当的变化，建立产权清晰、权责明确、管理科学的现代企业制度成为必然。在新形势下，央企党建应积极适应现代企业制度的要求，确立正确的价值取向，这有利于央企党组织增强自身的凝聚力和创造力，有利于中央企业和国民经济的不断发展。

仿真建模是整个通信系统仿真过程中重要步骤, 其质量的高低直接关系仿真结果的有效性。该建模过程是针对实际通信系统的模拟与抽样, 且并不是完全复制通信系统。仿真模型设计与构建需要综合考量其可实践性与简便性。该模型通常为一个数学模型, 存在多种分类方式, 其中包含确定型与随机型、静态型与动态型的模型[9]。在仿真建模时, 先要对实际系统中的问题或已经确定的系统优化目标进行分析, 将这些问题与目标转化为数学变量与公式。当确定仿真实验目标后, 获取实际数字通信系统中各类运行参数, 并针对系统中各随机变量, 采集相关数据, 利用数学工具确定其中随机变量整体分布特征和属性, 最后根据仿真软件对仿真模型进行构建。

1.2.2 仿真实验

仿真实验是一个或一系列针对仿真模型进行测试的过程。在进行仿真实验时, 实验所用的输入数据要求是典型有代表性的数据, 这种数据可以从各种角度显著改变模拟输出数值。

在进行仿真实验前需要确定可以衡量实验结果的指标。该指标是指可以对仿真实验中通信系统性能输出信号进行衡量的数值。

在确定进行仿真实验前, 需要将实验所需数据, 包括通信系统信号等, 将其统一进行整理。明确各输入数据初始设置和仿真系统中各状态初始情况。

1.2.3 仿真分析

仿真分析是数字通信系统仿真程序的最后一步。在仿真分析时, 用户已从仿真实验中获得有关系统运行性能的参数等。这些数据仅为原始数据, 此时需要分析一系列数值, 使获取的尺度指标更加准确地衡量系统性能。即使仿真实验中得到的数据较为精准, 但获取的仿真结果也不一定精准, 这可能是由于输入信号和仿真系统内部的特征属性较为一致, 或输入的随机信号并不具备显著代表性[10]。仿真程序为一个螺旋式上升的程序, 该程序运行中可能需要修改多次, 才能达到设计目的。

2 仿真实例与分析

2.1 通信工具箱设计界面

Matlab和Fortran等高级编程语言相比, 编程方式与人类思维方式更加相近, 且语法规则更为简单。特别是Matlab中的Simulink平台可以为大众提供友好图形界面, 其中仿真模型根据模块构成的各框图进行描述, 用户构建模型的过程十分简单, 易于操作。

在Matlab软件中, 通信工具箱为当前相对成熟的数字通信系统仿真实验工具。其根据运算函数与仿真单元构成, 能应用到通信领域的研究等方面[11]。Matlab软件中通信工具箱设计界面如图3所示。

图3 Matlab软件中通信工具箱设计界面示意图Fig.3 Schematic diagram of communication toolbox design interface in Matlab software

根据上述设计界面中, Matlab提供了两种仿真实验方式。一种是基于Simulink平台, 框图中各模块在各时间步长上并行执行, 此为时间流仿真实验, 它能使用户在仿真实验过程中重新设置模块大多数参数, 并对系统随之发生的变化进行相应观察； 另一种为在Matlab工作空间内, 等待处理的各项数据先要将运算单元激活, 函数依据数据流顺序逐次执行, 此为数据流仿真实验, 其无法在仿真实验中实现参数重置, 然而针对通信系统不同测试需求, 灵活性强。上述两种仿真实验方式各有其优缺点, 用户根据其需求选择相对合适的方式进行仿真实验。

2.2 仿真实例分析

将基于Matlab通信工具箱的不同仿真实验方式, 在数字通信系统原理和控制研究中各选出一个实例开展仿真实验, 同时给出相应实验结果。

2.2.1 数据流仿真实验

选择数字信号基带在传输过程中的误码率作为实例。在二进制通信系统运行中, 设定接收波形为S(t), 信道中加性高斯白噪声利用n(t)描述, 接收滤波器输出信号表达式为

r(t)=S(t)+n(t)

(1)

假设在接收端设置的判决阈值为d(d=A/2), 则判决规则如下： 当r(t)>d, 判决信号幅值为A; 当r(t)

设定信源发出0或1码的概率值为P0=P1=1/2, 系统理论误码率表达式为

(2)

其中E为信号能量,N0为噪声能量。

图4 仿真实验结果 Fig.4 Simulation experiment results

采用蒙特卡罗仿真对数字通信系统运行过程中误码率进行估算, 同时和理论值进行对比。先生成一个根据0、1构成的等概率, 同时互为统计独立的序列, 该序列为二进制序列, 然后和通信系统信道中加性高斯白噪声进行叠加, 并在判决器中进行取样判决, 其中将A/2作为判决点, 以此获取一个关于发端信源发送信号估算的输出。将输出的序列和输入序列进行对比, 若对比结果不一致, 则生成一个误码, 对误码进行计算。仿真实验结果如图4所示。由图4可以看出, 采用该方法进行仿真实验的误码率与实际误码率较为接近, 表明此方法具有一定的可靠性。

2.2.2 时间流仿真实验

在仿真实验中, 将自适应天线研究作为实例进行证明。自适应天线中包括天线阵与自适应形式的信号, 其中, 核心为信号处理。其对附近电磁环境变化进行侦测, 同时用户通过自适应算法获取需求, 实时自主式地对天线阵元附加权值进行调整, 以此得到用户期望信号, 实现干扰信号与噪声的抑制。

在笔者实例中将恒模算法作为实验对象, 对该算法干扰抑制性能进行研究。选择等间隔直线阵作为自适应天线阵, 将阵元数量设置为6, 期望信号入射方向为30°。

以仿真实验过程中参数便捷调整为目的, 选择最优参数, 采用Simulink平台中时间流仿真实验方式。仿真过程如图5所示。基于上述流程, 输出仿真实验结果, 所得结果如图6所示。

图5 时间流仿真实验流程 图6 收敛后天线波束状态示意图 Fig.5 Experimental flow of time Fig.6 Schematic diagram of antenna flow simulation beam status after convergence

分析图6可以看出, 采用笔者仿真方法, 天线波束收敛状态较为平稳, 验证了笔者仿真方法可以有效控制天线信号。在仿真模型中各个部分均利用Simulink平台中的模块库实现, 便于实现系统参数调整、中间结果与系统输出存储等功能。依据该模型, 仅需对天线阵及信号处理模块进行修改, 实现不同天线形式与自适应算法的仿真实验分析。

3 结 语

面向数字通信系统的优化和完善, 笔者提出基于Matlab的数字通信系统原理与控制仿真实验。在分析数字通信系统和通信仿真技术基础上, 利用Matlab软件实现课题研究, 通过模拟测试对该方法进行了验证, 结果表明该方法能很好地仿真通信系统, 可为系统设计和完善提供支撑。