内容简介
基于MATLAB/Simulink的通信系统建模与仿真
本书以MATLAB R2016a为平台,通过大量的MATLAB、Simulink仿真实例,加深读者对通信系统原理的理解。本书共9章,前8章主要包括仿真思想的引入、MATLAB语言及Simulink仿真基础、MATLAB计算和可视化、信号系统分析基础、模拟信号的数字传输、数字信号基带传输、载波调制、数字信号处理应用等内容。第9章综合篇,提供了通信系统原理仿真、语音信号处理、计算机视觉这三个方向的4个设计项目,供读者在学习前面章节的基础上,对仿真技术加以综合运用。
本书中所举的大量实例有助于读者对通信原理及仿真实践的理解,设计项目也提供了必要的程序框架和参考资料,可作为高等院校通信工程、电子信息技术等专业学生的通信仿真课程教材和参考书。本书适合所有MATLAB编程爱好者和使用MATLAB的不同专业大学生阅读,还可供研究生、科研工作人员及高校教师参考。
作者简介
张瑾,通信工程专业教师,主要从事通信与信息处理、数字图像处理、计算机视觉、虚拟仿真等方面的教学和研究工作,参与医学影像分析、建模、
可视化等相关内容的基础研究工作。长期从事《通信系统建模与仿真》本科课程教学。
周原,副教授,长期从事通信工程专业一线教学,主讲通信工程和电子信息工程专业本科生通信原理、移动通信、通信系统建模与仿真、通信工程专业导论等课程。主要研究方向为新一代移动通信技术、物联网技术及应用等,近年来主持和参与省部级以上项目十余项,发表科研、教研论文二十余篇,指导学生参加“全国大学生电子设计大赛”“挑战杯”等学科竞赛获省级一等奖、二等奖多项。
内页插图
目录
第1章 仿真思想的引入………………………………………………………………… 1
1.1 仿真的定义和分类………………………………………………………………… 1
1.1.1 仿真的定义……………………………………………………………………… 1
1.1.2 仿真的分类……………………………………………………………………… 1
1.1.3 仿真技术的发展与应用………………………………………………………… 2
1.2 通信系统仿真……………………………………………………………………… 4
1.2.1 通信系统………………………………………………………………………… 4
1.2.2 通信系统模型…………………………………………………………………… 4
1.2.3 通信系统仿真的概念和意义…………………………………………………… 5
1.2.4 通信系统仿真的一般流程……………………………………………………… 6
1.3 通信系统仿真方法和仿真工具…………………………………………………… 6
1.3.1 通信系统仿真方法……………………………………………………………… 6
1.3.2 通信系统仿真工具……………………………………………………………… 7
第2章 MATLAB语言及Simulink仿真基础…………………………………………… 8
2.1 MATLAB概述………………………………………………………………………… 8
2.1.1 MATLAB家族……………………………………………………………………… 8
2.1.2 MATLAB发展及特点……………………………………………………………… 11
2.1.3 MATLAB R2016b界面环境…………………………………………………………12
2.2 MATLAB基本语法和基本操作……………………………………………………… 15
2.2.1 变量赋值………………………………………………………………………… 15
2.2.2 矩阵运算………………………………………………………………………… 16
2.2.3 程序控制语句…………………………………………………………………… 18
2.2.4 基本绘图方法…………………………………………………………………… 21
2.3 Simulink简介…………………………………………………………………… 24
2.3.1 Simulink家族及主要功能…………………………………………………… 24
2.3.2 Simulink基本模块库………………………………………………………… 27
2.3.3 Simulink建模仿真的操作过程……………………………………………… 29
2.4 MATLAB/Simulink在通信仿真中的应用………………………………………… 31
第3章 MATLAB计算和可视化………………………………………………………… 34
3.1 符号计算基础……………………………………………………………………… 34
3.2 矩阵及线性代数方程组的求解…………………………………………………… 35
3.2.1 符号矩阵的创建………………………………………………………………… 36
3.2.2 符号矩阵的运算………………………………………………………………… 36
3.2.3 代数方程组的求解……………………………………………………………… 37
3.3 函数的极限及微积分运算………………………………………………………… 38
3.3.1 函数求极限……………………………………………………………………… 38
3.3.2 微分与Jacobian矩阵………………………………………………………… 39
3.3.3 积分运算………………………………………………………………………… 40
3.3.4 微分方程(组)的求解……………………………………………………………41
3.4 用MATLAB绘制二维图形………………………………………………………… 42
3.4.1 MATLAB图形绘制的基本步骤………………………………………………… 42
3.4.2 MATLAB基本绘图命令………………………………………………………… 43
3.4.3 二维图形的创建及曲线颜色、线型、数据点型设置……………………… 44
3.4.4 二维图形的标注……………………………………………………………… 46
3.4.5 几种特殊二维图形的绘制………………………………………………………48
3.5 三维图形的绘制…………………………………………………………………… 54
3.5.1 三维图形的基本绘制方法………………………………………………………54
3.5.2 典型三维图形的绘制……………………………………………………………56
第4章 信号系统分析基础……………………………………………………………… 60
4.1 概 述……………………………………………………………………………… 60
4.2 傅里叶变换的主要性质及傅里叶变换对………………………………………… 63
4.2.1 周期信号的傅里叶级数………………………………………………………… 63
4.2.2 傅里叶变换及其性质…………………………………………………………… 66
4.3 功率和能量………………………………………………………………………… 74
4.4 随机变量的产生…………………………………………………………………… 75
4.5 高斯过程…………………………………………………………………………… 79
4.6 随机过程和白噪声的功率谱……………………………………………………… 82
4.6.1 随机过程的能量和功率谱密度………………………………………………… 82
4.6.2 白噪声功率谱密度和二进制随机数序列……………………………………… 85
4.7 随机过程的线性滤波……………………………………………………………… 88
第5章 模拟信号的数字传输………………………………………………………… 94
5.1 概 述……………………………………………………………………………… 94
5.2 抽样定理…………………………………………………………………………… 96
5.2.1 低通抽样定理…………………………………………………………………… 96
5.2.2 带通抽样定理………………………………………………………………… 100
5.3 量 化……………………………………………………………………………… 101
5.3.1 标量量化……………………………………………………………………… 101
5.3.2 均匀量化……………………………………………………………………… 105
5.3.3 非均匀量化…………………………………………………………………… 106
5.4 PCM 编码………………………………………………………………………… 113
5.5 DPCM …………………………………………………………………………… 115
第6章 数字信号基带传输…………………………………………………………… 117
6.1 数字基带信号的码型…………………………………………………………… 117
6.2 码型的功率谱分布……………………………………………………………… 124
6.2.1 理论分析……………………………………………………………………… 124
6.2.2 MATLAB程序实现…………………………………………………… ……… 125
6.3 码间串扰………………………………………………………………………… 128
6.3.1 基带传输系统模型及码间串扰的定义……………………………………… 128
6.3.2 无码间串扰的传输条件……………………………………………………… 129
6.3.3 降低码间串扰的脉冲波形…………………………………………………… 130
6.3.4 眼 图………………………………………………………………………… 132
6.4 基带传输的差错率分析………………………………………………………… 137
6.4.1 分析模型……………………………………………………………………… 138
6.4.2 MATLAB提供的分析工具…………………………………………………… 138
6.4.3 分析举例……………………………………………………………………… 139
第7章 载波调制…………………………………………………………………… 143
7.1 模拟调制………………………………………………………………………… 143
7.1.1 标准AM 调制………………………………………………………………… 143
7.1.2 DSB调制……………………………………………………………………… 146
7.1.3 频率调制FM ………………………………………………………………… 148
7.2 幅移键控ASK ………………………………………………………………… 150
7.2.1 调制原理介绍………………………………………………………………… 150
7.2.2 调制举例……………………………………………………………………… 150
7.3 频移键控FSK …………………………………………………………………… 152
7.3.1 原理介绍……………………………………………………………………… 152
7.3.2 调制举例……………………………………………………………………… 152
7.3.3 解调与检测…………………………………………………………………… 154
7.4 相移键控PSK和DPSK ………………………………………………………… 163
7.4.1 PSK调制原理介绍…………………………………………………………… 163
7.4.2 PSK调制举例………………………………………………………………… 164
7.4.3 PSK解调与检测……………………………………………………………… 167
7.4.4 DPSK调制与解调…………………………………………………………… 175
7.5 多载波调制与OFDM …………………………………………………………… 180
7.5.1 OFDM 的基本原理…………………………………………………………… 180
7.5.2 OFDM 的实现………………………………………………………………… 181
第8章 数字信号处理应用………………………………………………………… 186
8.1 DSP系统工具箱简介…………………………………………………………… 186
8.1.1 信号源模块组………………………………………………………………… 187
8.1.2 滤波器模块组………………………………………………………………… 187
8.1.3 数学函数模块组……………………………………………………………… 188
8.1.4 量化器模块组………………………………………………………………… 189
8.1.5 信号运算模块组……………………………………………………………… 189
8.1.6 信号管理模块组……………………………………………………………… 190
8.1.7 信号变换模块组……………………………………………………………… 191
8.1.8 统计模块组…………………………………………………………………… 191
8.1.9 信宿模块组…………………………………………………………………… 192
8.2 模型的建立……………………………………………………………………… 193
8.3 信号的滤波……………………………………………………………………… 195
8.3.1 使用fdesign设计滤波器…………………………………………………… 195
8.3.2 使用Filter Builder设计滤波器………………………………………… 198
8.3.3 设计一个低通滤波器………………………………………………………… 198
8.3.4 设计一个自适应滤波器……………………………………………………… 201
第9章 综合篇……………………………………………………………………… 207
9.1 模拟信号的数字化过程设计项目……………………………………………… 207
9.2 电话按键拨号器的仿真设计项目……………………………………………… 210
9.3 语音识别系统设计项目………………………………………………………… 213
9.4 自动人脸识别系统设计项目…………………………………………………… 215
参考文献…………………………………………………………………………………… 217
前言/序言
MATLAB是由美国的MathWorks公司推出的一种科学计算和工程仿真软件,将高性能的科学计算、结果可视化和编程集中在一个易于操作的环境中。目前,在世界范围内被科研工作者、工程技术人员和院校师生广泛应用。本书通过大量的MATLAB、Simulink仿真实例,加深读者对通信系统建模与仿真的理解。
全书共9章。第1章介绍仿真的基本思想以及通信系统仿真的方法等;第2章介绍MATLAB/Simulink的基本操作、通信系统工具箱等内容;第3章介绍运用MATLAB进行数值计算的方法,以及二维/三维图形绘制的常用命令等;第4章介绍傅里叶变换和随机过程等信号系统分析的基础;第5章介绍“抽样—量化—编码”三个步骤;第6章介绍基带信号的码型、码间串扰、基带传输的差错率分析;第7章介绍AM、DSB、FM、ASK、FSK、PSK、DPSK、OFDM调制解调过程的仿真;第8章介绍DSP工具箱的使用以及运用DSP工具箱进行滤波器设计的方法;第9章提供通信系统原理仿真、语音信号处理、计算机视觉这三个方向的4个设计项目,供读者在学习前面章节的基础上,对仿真技术加以综合运用和实践。前8章各内容均通过MATLAB函数或Simulink模块进行仿真,第9章各设计项目也提供了必要的程序框架和参考资料。
本书层次分明,浅显易懂,大量的实例有助于读者对通信系统原理及仿真实践的理解。第2版在保持第1版风格的基础上,对内容和结构进行了优化;对所有Simulink模型进行了升级;增加了综合实践项目;删去了每章课后练习,计划重新编写配套上机实践教程;适合高等院校通信工程、电子信息技术等专业学生作为通信仿真课程教材和参考书。
参与本书编写工作的教师有:西南交通大学的张瑾,黄淮学院的周原、姚巧鸽,成都大学的赵静。本书在编写过程中得到了北京航空航天大学出版社的帮助和支持,作者在此表示诚挚的感谢!作者还要感谢家人潘磊、潘若葭、张海明、吴启荣的全力支持,没有家人们的鼓励和担当,书稿不可能按期完成;同时感谢西南交通大学的李永辉、陈林秀、易庆萍、杨乃琪、孟军和黄淮学院的郑来文、陈中显、王单等同事在书稿内容选取、文字校对方面所提供的帮助。
由于作者水平有限,加之时间仓促,书中错漏之处在所难免,恳请广大读者批评指正。
编者
2017年5月
探索无线世界的奥秘:通信系统建模与仿真的理论与实践 在这个信息爆炸的时代,通信系统无处不在,它们如同无形的网络,将我们紧密地连接在一起。从手机上的语音通话、视频会议,到全球范围内的互联网浏览,再到物联网设备间的智能互动,这一切都离不开高效、可靠的通信系统。然而,要设计、优化并部署这些复杂的系统,并非易事。它不仅需要深厚的理论知识,更需要强大的工程实践能力。 本书正是为致力于理解和掌握通信系统精髓的读者而精心打造,它将带领您深入探索通信系统的内部运作机制,并通过实用的建模与仿真技术,将抽象的理论概念转化为可触可及的工程实践。我们不拘泥于单一的通信技术,而是着眼于构建一个通用的、系统化的通信系统设计框架,让您能够灵活应对不同场景下的通信挑战。 核心目标:构建完整的通信系统认知体系 本书的核心目标是帮助读者建立起一个全面、系统的通信系统认知体系。我们将从最基础的通信原理出发,逐步深入到现代通信系统中关键的各个环节。您将了解到: 信号的诞生与演变: 信号是通信的载体。我们将深入探讨模拟信号和数字信号的特性,理解信号的频谱分析、调制与解调的基本原理,以及如何有效地表示和处理这些信号。 信息传递的路径: 从发送端到接收端,信息是如何被编码、传输和解码的?本书将详细阐述信源编码、信道编码、调制、多址接入等核心技术,帮助您理解信息在传输过程中经历的每一个环节。 通信环境的挑战: 现实中的通信环境充斥着各种噪声、干扰和衰减。我们将深入剖析这些不利因素对信号质量的影响,并介绍各种先进的技术手段,例如均衡、分集、纠错编码等,以克服这些挑战,确保通信的可靠性。 现代通信系统的架构: 随着技术的发展,通信系统变得越来越复杂。我们将带领您了解当前主流的通信系统架构,包括无线通信(如蜂窝网络、Wi-Fi)、光纤通信、卫星通信等,以及它们各自的特点和应用。 系统性能的评估与优化: 如何衡量一个通信系统的优劣?本书将重点介绍各种关键性能指标,如误码率、信噪比、传输速率、频谱效率等,并指导您如何通过系统参数的调整和算法的优化来提升系统性能。 超越理论:实践驱动的建模与仿真 我们深知,仅仅停留在理论层面是不足以成为一名优秀的通信工程师的。因此,本书将实践贯穿始终,强调建模与仿真的重要性。通过本书的学习,您将掌握: 通信系统建模的艺术: 构建准确、高效的通信系统模型是仿真的前提。我们将引导您如何将复杂的通信系统分解为各个模块,并用数学语言或编程语言进行精确的描述。 仿真工具的强大威力: 仿真工具能够极大地提高通信系统的设计效率,降低开发成本。我们将专注于如何利用先进的仿真平台,将理论模型转化为可执行的仿真程序,从而对系统性能进行全面的评估和验证。 仿真结果的分析与解读: 仿真并非简单地运行程序。本书将指导您如何科学地分析仿真结果,理解不同参数变化对系统性能的影响,并从中提炼出有价值的设计洞察。 从仿真到实现的桥梁: 仿真不仅仅是为了验证设计,更是为了指导实际系统的开发。我们将探讨如何将仿真结果转化为硬件设计或软件实现的指导,从而加速产品上市的进程。 内容亮点:深度与广度的融合 本书的内容设计旨在提供深度与广度的融合,确保读者在掌握基础知识的同时,也能接触到前沿的技术理念。 基础篇:通信系统的基石 信号理论回顾: 从傅里叶变换到采样定理,确保读者对信号处理的基础有扎实的理解。 模拟通信系统: AM、FM、PM 等基本调制方式的原理、优缺点及仿真实现。 数字通信系统的基础: 数字信号表示、基带传输、码型变换、眼图分析等。 线性调制技术: ASK、FSK、PSK、QAM 等,深入剖析其原理、功率谱密度及仿真性能。 非线性调制技术: GFSK、MSK 等,理解其在特定应用场景下的优势。 进阶篇:现代通信的关键技术 信道编码: 线性分组码: Hamming 码、CRC 码等,理解其检错和纠错能力。 卷积码: Viterbi 解码算法的原理及仿真。 现代编码技术: Turbo 码、LDPC 码的基本概念和应用,展望未来通信编码的发展。 同步技术: 位同步、符号同步、载波同步在接收端的重要性以及常见的同步方法。 多址接入技术: FDMA、TDMA、CDMA: 理解不同多址方式的原理、优缺点及应用场景。 OFDM: 正交频分复用技术的强大之处,及其在 Wi-Fi、LTE 等标准中的应用。 先进的传输技术: MIMO 系统: 多输入多输出系统的原理,如何通过多天线提升容量和可靠性。 自适应调制与编码 (AMC): 根据信道条件动态调整调制和编码方式。 无线通信系统设计: 信道模型: 瑞利衰落、Rice 衰落等,理解无线信道的统计特性。 干扰与噪声分析: 评估不同干扰源的影响,并设计相应的抗干扰措施。 覆盖与容量分析: 如何计算无线网络的覆盖范围和最大容量。 仿真实践:理论转化为现实 本书将理论知识与仿真实践紧密结合。我们将使用强大的仿真工具,例如 MATLAB/Simulink,引导读者一步步构建和验证通信系统。 搭建仿真环境: 熟悉仿真工具的常用模块和接口。 模块化仿真设计: 将通信系统分解为独立的模块进行建模,如信源、编码器、调制器、信道、解调器、解码器等。 参数化仿真: 通过改变仿真参数,观察其对系统性能的影响,例如改变信噪比、码率、调制阶数等。 性能指标的仿真测量: 实时监测误码率、误符号率、星座图、功率谱密度等关键性能指标。 复杂系统的仿真: 构建端到端的通信链路,模拟真实通信场景下的系统行为。 算法验证与优化: 通过仿真快速迭代和优化通信算法,找到最佳的系统配置。 谁适合阅读本书? 本书的目标读者广泛,包括但不限于: 通信工程专业的学生: 作为课程学习的有力补充,帮助您更深入地理解通信原理,并掌握实际的工程技能。 电子信息工程、计算机科学等相关专业的学生: 了解通信系统对于理解现代信息技术至关重要。 通信行业的工程师: 无论是初入职场的新人,还是经验丰富的技术专家,本书都能为您提供新的视角和实用的工具,帮助您应对不断变化的行业挑战。 对通信系统感兴趣的科技爱好者: 如果您希望深入了解我们所处的无线世界是如何运作的,本书将是一个绝佳的起点。 阅读本书,您将收获: 扎实的理论基础: 对通信系统的原理和关键技术有深刻的理解。 强大的工程实践能力: 掌握使用仿真工具进行通信系统建模、分析和优化的技能。 解决实际问题的能力: 能够独立分析和设计通信系统,应对各种工程挑战。 前瞻性的技术视野: 了解通信技术的最新发展趋势,为未来的职业发展打下坚实基础。 踏上探索通信世界之旅,本书将是您最可靠的向导。让我们一起,用知识和实践,构建更加美好的信息未来!