MATLAB R2016a通信系统建模与仿真28个案例分析

《MATLAB R2016a通信系统建模与仿真28个案例分析》是“精通MATLAB”丛书之一，以MATLAB R2016a为平台编写，通过28个案例介绍MATLAB在通信工程中的应用，应用性强，实用价值高。本书提供所有程序源代码。“精通MATLAB”相关书目如下：（1）MATLAB 8.X实战指南（2）数字图像处理高级应用——基于MATLAB和CUDA的实现（第2版）（3）MATLAB通信系统建模与仿真（4）MATLAB R2015a数字图像处理（5）MATLAB R2015b数学建模（6）MATLAB R2015a小波分析（7）MATLAB R2015b神经网络技术（8）MATLAB R2015b*化计算（9）MATLAB R2015b概率与数理统计（10）MATLAB R2015b数值计算方法（11）MATLAB R2016a智能计算25个案例分析（12）MATLAB R2016a在电子信息工程中仿真案例分析（13）MATLAB R2016a神经网络设计与应用28个案例分析（14）MATLAB R2016a通信系统建模与仿真28个案例分析 

MATLAB及其Simulink通信、信号处理专业函数库和专业工具箱越来越成熟，并逐渐为广大通信技术领域的专家、学者和工程师所熟悉，在通信理论研究、算法设计、系统设计、建模仿真和性能分析验证等方面的应用也越来越广泛。本书以MATLAB R2016a为平台，在讲解各实现方法中给出相应的实例，使得本书应用性更强，实用价值更高。
全书共28章，主要介绍通信系统的信源与信道、通信系统滤波器、通信系统的调制与解调、通信系统的锁相环与扩频、MATLABSimulink系统建模与仿真、通信系统的实际应用和信号处理技术等内容。MATLAB以其独特的魅力，成为通信技术领域强有力的工具。
本书主要作为通信工程、电子信息工程等领域的广大科研人员、学者、工程技术人员的参考用书，也可作为高等院校相关专业及领域本科生、研究生的学习用书。

 

目录

 

 

 

第1章通信仿真的MATLAB函数实现

 

1.1信源产生函数

 

1.1.1randerr函数

 

1.1.2randint函数

 

1.1.3randsrc函数

 

1.1.4wgn函数

 

1.2信源编码/解码函数

 

1.2.1arithenco/arithdeco函数

 

1.2.2dpcmenco/dpcmdeco函数

 

1.2.3compand函数

 

1.2.4lloyds函数

 

1.2.5quantiz函数

 

1.3信道函数

 

1.3.1awgn函数

 

1.3.2bsc函数

 

 

第2章地震及雷达信号的MATLAB实现

 

2.1地震观测系统的仿真和地面运动的恢复

 

2.1.1基本理论

 

2.1.2地震观测系统的MATLAB应用

 

2.2雷达信号的产生

 

2.2.1脉冲幅度调制

 

2.2.2线性调频信号

 

2.2.3相位编码信号

 

2.2.4相位编码内线性调频混合调制信号

 

 

第3章通信系统模拟线性调制的MATLAB实现

 

3.1双边带调幅与解调

 

3.2常规双边带调幅

 

3.3抑制载波双边带调幅

 

3.4单边带调幅与解调

 

 

第4章雷达信号中的数字处理技术

 

4.1雷达回波信号随机热噪声分析

 

4.1.1服从高斯分布的热噪声

 

4.1.2服从均匀分布的热噪声

 

4.1.3服从指数分布的热噪声

 

4.1.4服从瑞利分布的热噪声

 

4.2数字处理技术在雷达信号中的应用

 

4.2.1固定对消

 

4.2.2动目标显示与检测

 

4.2.3恒虚警处理

 

4.2.4积累处理

 

 

第5章扩频通信系统的MATLAB实现

 

5.1扩频通信系统的仿真

 

5.2伪随机码产生

 

5.2.1m序列

 

5.2.2伪随机数序列相关函数

 

5.2.3Gold序列

 

5.3直接序列扩频系统

 

5.4利用MATLAB仿真演示直扩信号抑制余弦干扰

 

5.5跳频扩频系统

 

5.6BFSK/FH系统性能仿真

 

 

第6章随机信号及参数建模分析

 

6.1倒谱分析

 

6.2时域建模

 

6.2.1三种参数模型

 

6.2.2时域建模原理

 

6.2.3线性预测方法

 

6.3频域建模

 

6.3.1模拟滤波器的频域建模

 

6.3.2数字滤波器的频域建模

 

 

第7章通信系统设计的MATLAB实现

 

7.1设计通信系统的发射机

 

7.2设计通信系统的接收机

 

7.3通信系统的MATLAB实现

 

 

第8章信号突变点检测算法研究

 

8.1信号的突变性与小波变换

 

8.2信号的突变点检测原理

 

8.3实验结果与分析

 

8.3.1Daubechies 5小波用于检测含有突变点的信号

 

8.3.2Daubechies 6小波用于检测突变点

 

 

第9章MIMOOFDM通信系统设计的MATLAB实现

 

9.1MIMOOFDM通信系统设计

 

9.2MIMO系统

 

9.3OFDM技术

 

9.4MIMOOFDM系统

 

9.5空间分组编码

 

9.6STBC的MIMOOFDM系统设计

 

9.6.1STBC的MIMOOFDM系统模型

 

9.6.2分析STBC的MIMOOFDM系统性能

 

9.7STBC的MIMOOFDM系统的MATLAB实现

 

 

第10章模拟角度调制的MATLAB实现

 

10.1频率调制

 

10.2相位调制

 

 

第11章仿真系统Simulink模块创建过程

 

11.1Simulink主要特点

 

11.2Simulink工作原理

 

11.2.1动态系统计算机仿真

 

11.2.2Simulink求解器

 

11.2.3求解器参数设置

 

11.3一个Simulink实例

 

 

第12章通信系统锁相环的MATLAB实现

 

12.1锁相环构建

 

12.2锁相环Simulink模块

 

12.2.1基本锁相环模块

 

12.2.2压控振荡器模块

 

12.2.3设计并仿真一个频率合成器

 

 

第13章利用MATLAB及Simulink系统进行建模

 

13.1MATLAB建模

 

13.1.1静态系统

 

13.1.2动态系统

 

13.2Simulink建模

 

13.2.1线性系统建模

 

13.2.2二阶微分方程

 

13.2.3状态方程

 

13.2.4非线性建模

 

 

第14章小波变换在信号特征检测中的算法研究

 

14.1小波信号特征检测的理论分析

 

14.1.1自相似信号小波变换的特点

 

14.1.2小波变换与信号的突变性

 

14.2实验结果与分析

 

14.2.1突变性检测

 

14.2.2自相似性检测

 

14.2.3趋势检测

 

 

第15章通信系统调制/解调的MATLAB实现

 

15.1载波提取分析

 

15.1.1幅度键控分析

 

15.1.2相移键控分析

 

15.1.3频移键控分析

 

15.1.4正交幅度调制

 

15.2调制/解调的Simulink模块

 

15.2.1DSBAM调制/解调

 

15.2.2SSBAM调制/解调

 

15.2.3DSBSCAM调制/解调

 

15.2.4FM调制/解调

 

15.2.5PM调制/解调

 

 

第16章Simulink与MATLAB的接口

 

16.1Simulink与MATLAB的数据交互

 

16.2命令行方式进行动态仿真

 

16.2.1命令行动态系统仿真

 

16.2.2模型线性化

 

16.2.3平衡点求取

 

 

第17章信源编译码的MATLAB模块实现

 

17.1信源编译码

 

17.1.1信源编码

 

17.1.2信源译码

 

17.2MATLABSimulink通信系统仿真实例

 

17.2.1MATLAB编码实例

 

17.2.2Simulink信道实例

 

17.2.3MATLABSimulink信道实例

 

 

第18章数字基带调制/解调的Simulink模块实现

 

18.1数字幅度调制/解调

 

18.2数字频率调制/解调

 

18.3数字相位调制/解调

 

18.4调制/解调的Simulink应用

 

 

第19章信号加噪的MATLAB实现及观测设备

 

19.1信道模块的信号加噪

 

19.1.1加性高斯白噪声信道

 

19.1.2多径瑞利退化信道

 

19.1.3多径莱斯退化信道

 

19.2信号观测设备

 

19.2.1离散眼图示波器

 

19.2.2星座图

 

19.2.3离散信号轨迹图

 

19.2.4误码率计算器

 

 

 

第20章信号与信道的MATLABSimulink产生

 

20.1随机数据信号源

 

20.1.1伯努利二进制信号产生器

 

20.1.2泊松分布整数产生器

 

20.1.3随机整数产生器

 

20.2序列产生器

 

20.2.1PN序列产生器

 

20.2.2Gold序列产生器

 

20.2.3Walsh序列产生器

 

20.3噪声源发生器

 

20.3.1均匀分布随机噪声产生器

 

20.3.2高斯随机噪声产生器

 

20.3.3瑞利噪声产生器

 

20.3.4莱斯噪声产生器

 

 

第21章滤波器的Simulink模块设计

 

21.1数字滤波器设计模块

 

21.2模拟滤波器设计模块

 

21.3理想矩形脉冲滤波器模块

 

21.4升余弦发射滤波器模块

 

21.5升余弦接收滤波器模块

 

21.6滤波器设计实例

 

 

第22章信号分解与重构的MATLAB实现

 

22.1小波快速算法设计原理与步骤

 

22.2小波分解算法

 

22.3对称小波分解算法

 

22.4小波重构算法

 

22.5对称小波重构算法

 

22.6MATLAB程序设计实现

 

 

第23章S函数及其作用

 

23.1S函数的相关概率

 

23.2S函数模块

 

23.3S函数工作原理

 

23.4M文件S函数模板

 

23.5S函数应用

 

 

第24章通信系统滤波器的MATLAB函数实现

 

24.1模拟滤波器的MATLAB函数实现

 

24.1.1设计模拟滤波器

 

24.1.2求模拟滤波器的最小阶次

 

24.1.3滤波器的传递函数

 

24.2数字滤波器的MATLAB函数实现

 

24.2.1窗函数

 

24.2.2数字滤波器频率响应函数

 

24.3特殊滤波器的MATLAB函数实现

 

 

第25章Subsystem模块创建子系统

 

25.1子系统

 

25.1.1创建子系统

 

25.1.2浏览下层子系统

 

25.1.3条件执行子系统

 

25.1.4控制流系统

 

25.2子系统封装

 

 

第26章通信系统滤波器设计的MATLAB实现

 

26.1滤波器简介

 

26.2模拟滤波器结构

 

26.3数字滤波器结构

 

 

第27章故障信号检测的MATLAB实现

 

27.1故障信号检测的理论分析

 

27.2实验结果与分析

 

27.2.1利用小波分析检测传感器故障

 

27.2.2小波类型的选择对于检测突变信号的影响

 

27.3小波类型选择

 

 

 

第28章MATLAB在电信工程实际问题中的应用

 

28.1工具箱提供的信号函数

 

28.2离散时间信号

 

28.2.1离散系统的卷积和相关

 

28.2.2离散系统的差分方程

 

28.3信号参数的测量和分析

 

28.3.1信号的能量和功率

 

28.3.2信号直流分量和交流分量

 

28.3.3离散时间信号的统计参数

 

28.3.4信号的频域参数

 

 

附录MATLAB R2016a安装说明

 

 

参考文献

 

 

前言

 

MATLAB是当今最优秀的科技应用软件之一，它以强大的科学计算与可视化功能、简单易用的特点、开放式可扩展环境，特别是所附带的30多种面向不同领域的工具箱支持，使得它在许多科学领域成为计算机辅助设计与分析、算法研究与应用开发的基本工具和首选平台。它具有其他高级语言难以比拟的一些优点，如编写简单、编程效率高、易学易懂等，因此MATLAB语言也被通俗地称为演算纸式科学算法语言。在通信、信号处理、控制及科学计算等领域，MATLAB应用广泛，已经成为可有效提高工作效率、改善设计手段的工具软件。掌握了MATLAB，就好比掌握了开启这些专业领域大门的钥匙。

Simulink是MATLAB的一个工具包，其建模与一般程序建模相比更为直观，操作也更为简单，不必记忆各种参数——命令的用法，只要用鼠标就能够完成非常复杂的工作。Simulink不但支持线性系统仿真，还支持非线性系统仿真；
不仅支持连续系统仿真，还支持离散系统甚至混合系统仿真；
不仅本身功能非常强大，而且还是一个开放性体系，用户可以自己开发模块来增强Simulink的功能。对于同一个系统模型，利用Simulink可以采用多个不同的采样速率，不但能够实时地显示计算结果，还能够显示模型所表示实物的实际运动形式。

目前，通信技术领域是一个非常热门的领域，无论是有线通信技术还是无线通信技术，都已应用到人们生活的各个方面，通信系统正向着宽带化方向迅速发展。使用MATLABSimulink进行通信系统建模与仿真设计，已经成为广大通信工程师必须研究、掌握的技术之一。

为了满足通信技术发展的需要，结合MATLAB的功能特点，作者编写了本书。本书在以下几方面做了努力。

(1) 结构紧凑、分析全面。本书介绍了通信系统的信源与信道、通信系统滤波器、通信系统的调制与解调、通信系统的锁相环与扩频、MATLABSimulink系统建模与仿真、通信系统的实际应用和信号处理技术等内容。

(2) 内容翔实，实用性强。书中每介绍一个案例都给出了详细说明，读者可快速掌握MATLAB在具体案例中的应用。

(3) 图文并茂。对于程序的运行结果，本书给出了大量的图形。本书不仅注重基础知识的讲解，而且非常注重实践，可使读者迅速掌握MATLAB在每个案例中的应用。

通过本书的学习，读者不仅可以全面掌握MATLAB的编程和开发技术，还可以提高快速分析和解决实际问题的能力，从而能够在最短的时间内，最快地解决实际工作中所遇到的问题，提升工作效率。

本书主要由吴茂编写，此外参加编写的还有赵书兰、周品、曾虹雁、邓俊辉、陈添威、邓耀隆、高泳崇、李嘉乐、李锦涛、梁朗星、梁志成、梁恩庆、梁仲轩、杨平和许兴杰。

本书主要作为通信工程、电子信息方面的广大科研人员、学者、工程技术人员的参考用书，也可作为高等院校相关专业及领域本科生、研究生的学习用书。

由于作者水平有限，书中疏漏之处在所难免。在此，诚恳地期望得到各领域专家和广大读者的批评指正。

作者

2017年11月

 

 

第3章通信系统模拟线性调制的MATLAB实现

数字调制按方法可以分为多进制幅度键控(MASK)、正交幅度键控(QASK)、多进制频率键控(MFSK)以及多进制相位键控(MPSK)。数字调制包括数模转换和模拟调制两部分，如图31所示。

图31数字调制过程
在数字信号通信快速发展以前主要是模拟通信。为了合理使用频带资源，提高通信质量，需要使用模拟调制技术。通常，连续波的模拟调制是以正弦信号为载波的调制方式，分为线性调制和非线性调制。线性调制是指调制后的信号频谱为调制信号的频谱的平移或线性变换，而非线性调制则没有这个性质。每一种调制都通过以下几个特点来表征。(1) 调制信号的时域表达式。(2) 调制信号的频域表达式。(3) 调制信号的带宽。(4) 调制信号的功率分布。(5) 调制信号的信噪比。3.1双边带调幅与解调1. 双边带调幅在双边带调幅(DSBAM)中，已调信号的时域表示为 

u(t)=m(t)c(t)=Acm(t)cos(2πfct c)(31)

式中： m(t)是消息信号； c(t)=Accos(2πfct c)为载波； fc是载波的频率； c是初始相位。为了讨论方便，取初相c=0。对u(t)作傅里叶变换，即可得到信号的频域表示

U(f)=Ac2M(f-fc) Ac2M(f fc)(32)

传输带宽BT是消息信号带宽W的两倍，即BT=2W。【例31】某消息信号m(t)=1,0≤t≤t0/3-2,t0/3>>clear all;
t=0.15;   %信号保持时间
ts=0.001;  %采样时间间隔
fc=250;  %载波频率
fs=1/ts;  %采样频率
df=0.3;  %频率分辨率
t1=［0:ts:t］;  %时间向量
m=［ones(1,t/(3*ts)),-2*ones(1,t/(3*ts)),zeros(1,t/(3*ts) 1)］; %定义信号序列
y=cos(2*pi*fc.*t1);  %载波信号
u=m.*y;  %调制信号
［n,m,df1］=fftseq(m,ts,df); %傅里叶变换
n=n/fs;
［ub,u,df1］=fftseq(u,ts,df);
ub=ub/fs;
［Y,y,df1］=fftseq(y,ts,df);
f=［0:df1:df1*(length(m)-1)］-fs/2;  %频率向量
subplot(221);
plot(t1,m(1:length(t1)));  %未解调信号
title(‘未解调信号’);
subplot(222);
plot(t1,u(1:length(t1))); %解调信号
title(‘解调信号’);
subplot(223);
plot(f,abs(fftshift(n)));  %未解调信号频谱
title(‘未解调信号频谱’);
subplot(224);
plot(f,abs(fftshift(ub)));  %解调信号频谱
title(‘解调信号频谱’);
该程序运行后得到的信号和调制信号及信号调制前后的频谱对比如图32所示。

图32DSBAM得到的信号和调制信号及信号调制前后的频谱图

图32（续）

在以上代码中调用的自定义函数的代码如下：  
function ［M,m,df］=fftseq(m,tz,df)