Simulink数字通信系统建模 PDF下载

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聚焦Simulink通信仿真，理解5G通信技术本质，决胜5G时代。

MathWorks公司官方鼎力支持。

丰富案例，由浅入深全面讲解通信系统Simulink建模仿真与分析。

提供完整配套模型文档、习题集、答案。

本书由浅入深讨论了将Simulink用于数字通信领域技术的建模方法，从基础实验和基本通信系统（如调制技术、编码技术、信道类型以及接收机处理技术等）建模分析讲起，逐渐引导读者进入更加实际的无线电通信场景。*后，通过一系列工程实例，深入讨论了新型无线通信系统中应用的关键技术和系统建模技巧，如多天线技术、扩频技术、语音压缩、Turbo码、正交频分复用（OFDM）、自适应均衡、卡尔曼滤波等。

本书通过Simulink对数字通信系统的建模技术和方法进行了深入的研讨，深刻地揭示了通信过程的本质，让你能够从通信的物理原理上去理解诸如调制解调、编解码、滤波、快速傅里叶变换（FFT）等等这些通信和信号处理单元的原理和应用。帮助你真正理解，并更好地掌握通信系统技术原理，决胜5G时代。

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内容简介

在通信领域，越来越多的工程师和学者在利用MATLAB/Simulink进行新技术研究、通信协议模拟、算法开发和实验验证，通过建模和仿真实验来对未来通信体制和系统进行思想探索、数学分析和数值模拟。

《Simulink数字通信系统建模》由浅入深讨论了将Simulink用于数字通信领域技术的建模方法，从基础实验和基本通信系统（如调制技术、编码技术、信道类型以及接收机处理技术等）建模分析讲起，逐渐引导读者进入更加实际的无线电通信场景。末尾，通过一系列工程实例，深入讨论了新型无线通信系统中应用的关键技术和系统建模技巧，如多天线技术、扩频技术、语音压缩、Turbo码、正交频分复用（OFDM）、自适应均衡、卡尔曼滤波等。

《Simulink数字通信系统建模》非常适合从事通信新技术研究、协议开发和产品开发的系统工程师等从业者、研究者研究参考，也适合通信、电子、计算机等专业的师生学习研究。

作者简介

关于作者

Arthur A.Giordano博士

EEE高级会员，G5 Scientific, LLC公司联合创始人，军用通信和商用通信顾问，长期从事无线电通信方面研究和研究生教学工作，使用SIMULINK开发了很多数字通信系统模型。

Allen H.Levesque博士

IEEE会士，数字通信系统顾问，G5 Scientific, LLC公司合伙人，曾在美国伍斯特理工学院（WPI）教授研究生数字通信课程，现为WPI无线信息网络研究中心的研究科学家。

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译者序
原书前言
缩略语
第1章　开始使用Simulink 
　1.1　简介……1 
　1.2　启动MATLAB…… 2 
　1.3　Simulink模块库……3 
　1.4　新建Simulink模型……5 
　　1.4.1　添加信号源和示波器……6 
　　1.4.2　设置信号源模块参数……7 
　　1.4.3　设置示波器模块参数……9 
　1.5　运行Simulink模型……10 
　1.6　重新配置信号模块参数……12 
　1.7　基于采样的信号……14 
　1.8　把数据送入工作空间……16 
　1.9　使用模型资源管理器……17 
　1.10　为波形添加标签……18 
　1.11　仿真参数配置……20 
　1.12　小结……22 
　习题22 
第2章　正弦波Simulink模型……24 
　2.1　建立第一个新模型……24 
　2.2　改进正弦波Simulink模型……24 
　2.3　正弦波频谱测量……32 
　2.4　小结……35 
　习题……35 
第3章　AWGN信道中数字通信系统的BER性能（BPSK和QPSK）……37 
　3.1　AWGN信道中BPSK和QPSK调制的错误率性能……37 
　3.2　通过简单几步构建出一个Simulink模型……37 
　3.3　BER仿真结果和理论计算结果的对比……46
3.4　另一个BPSK调制的Simulink模型……48 
　3.5　基于帧的Simulink模型……51 
　3.6　QPSK调制的符号错误率性能……55 
　3.7　BPSK调制的定点仿真性能……57 
　3.8　AWGN信道中BPSK调制的理论BER性能……59 
　3.9　小结……60 
　习题……60 
第4章　AWGN信道中数字通信系统的BER性能（MPSK和QAM）……63 
　4.1　AWGN信道中MPSK调制和QAM的错误率性能……63 
　4.2　MPSK调制的Simulink模型……63 
　4.3　MPSK调制在其他调制符号数下的BER性能……66 
　4.4　定点数模式下MPSK调制的BER…… 67 
　4.5　QAM的Simulink模型……68 
　4.6　平均功率条件下其他元数下QAM的BER ……71 
　4.7　峰值功率条件下QAM的BER ……71 
　4.8　功率放大器限制条件下对QAM峰值功率的选择……72 
　4.9　小结……76 
　习题……77 
第5章　AWGN信道中数字通信系统的BER性能（FSK和MSK）……78 
　5.1　AWGN信道中FSK和MSK调制的错误率性能……78 
　5.2　BFSK调制的Simulink模型……78
5.3　ＭFSK调制的Simulink模型……83 
　5.4　MSK调制的Simulink模型……86 
　5.5　MSK调制的功率谱……89 
　5.6　小结……90 
　习题……91 
第6章　AWGN衰落信道中数字通信系统的BER性能（BPSK）……92 
　6.1　瑞利衰落和莱斯衰落信道中的BPSK调制……92 
　6.2　瑞利衰落信道中BPSK调制的BER性能……92 
　6.3　莱斯衰落信道中BPSK调制的BER性能……97 
　6.4　多径莱斯衰落信道中BPSK调制的BER性能……101 
　6.5　瑞利衰落信道下BPSK调制的BER理论性能……106 
　6.6　莱斯衰落信道下BPSK调制的BER理论性能……107 
　6.7　小结……107 
　习题……108 
第7章　AWGN衰落信道中数字通信系统的BER性能（FSK）……109 
　7.1　瑞利衰落和莱斯衰落信道中的FSK调制……109 
　7.2　瑞利衰落信道中BFSK调制的BER性能……109 
　7.3　瑞利衰落信道中ＭFSK调制的BER性能……111 
　7.4　莱斯衰落信道中BFSK调制的BER性能……113 
　7.5　多径莱斯衰落信道中BFSK调制的BER性能……114 
　7.6　瑞利衰落和莱斯衰落信道中FSK调制的理论BER性能……116 
　7.7　小结……117 
　习题……117 
第8章　数字通信系统的BER性能……119 
　8.1　瑞利衰落信道中数字调制使用空时分组码……119 
　8.2　瑞利衰落信道中使用空时分组码的BPSK调制的BER ……119 
　8.3　瑞利衰落信道中使用空时分组码的QAM的BER ……123 
　8.4　用于BPSK调制的空时分组码……125 
　8.5　用于16QAM的空时分组码……126 
　8.6　小结……127 
　习题……127 
第9章　AWGN信道中数字通信系统的BER性能（分组码）……128 
　9.1　AWGN信道中分组码数字通信系统……128 
　9.2　AWGN信道中带二进制BCH分组码BPSK调制的BER性能……128 
　9.3　AWGN信道中带Hamming码BPSK调制的BER性能……132 
　9.4　AWGN信道中带Golay（24，12）分组码BPSK调制的BER性能……134 
　9.5　AWGN信道中带RS码FSK调制的BER性能……136 
　9.6　AWGN信道中带RS码QAM的BER性能……138 
　9.7　小结……142 
　习题……142 
第10章　AWGN信道中数字通信系统的BER性能（分组码及衰落信道）……143 
　10.1　衰落信道中分组码数字通信系统……143 
　10.2　瑞利衰落信道中带交织BCH分组码BPSK调制的BER性能……143 
　10.3　瑞利衰落信道中带交织Golay（24，12）分组码BFSK调制的BER性能……146 
　10.4　瑞利衰落信道中带交织RS（31，15）分组码32FSK调制的BER性能……150 
　10.5　瑞利衰落信道中带交织RS（15，7）分组码16QAM的BER性能……152 
　10.6　瑞利和莱斯衰落信道中带交织RS（15，7）分组码16QAM的BER性能……154 
　10.7　瑞利衰落信道中带交织BCH分组码及采用AlamoutiSTBC技BPSK调制的BER性能……156 
　10.8　瑞利衰落信道中带交织Golay（24，12）分组码及采用AlamoutiSTBC技术BPSK调制的BER性能……158 
　10.9　瑞利衰落信

前沿

《Simulink数字通信系统建模》旨在向通信系统工程师介绍MathWorks公司出品的Simulink建模工具，并讲解如何使用Simulink对数字通信系统进行计算机建模与评估。Simulink是一种基于框图模型和MATLAB优化代码的建模工具，使用Simulink可以快速地构建通信系统模型并进行仿真。由于Simulink使用基于框图的模型构造方法，用户无需编写新的程序代码就能进行系统建模工作，非常方便。Simulink模型库提供了大量模型模块，并且这些模块经过了MathWorks公司的验证，通过这些模块用户可以组合成任意定义的模型。在熟练掌握Simulink使用方法之后，它将成为工程师手中一个强大而可靠的工程设计工具。例如，在非线性系统分析和时变系统分析等这些特定情况下，我们往往无法得出解析结果，这时Simulink将成为通信系统性能评估中一个强有力的工具。

《Simulink数字通信系统建模》内容
《Simulink数字通信系统建模》将向读者介绍Simulink这一被广泛使用的MATLAB扩展建模工具，并介绍如何利用Simulink来进行数字通信系统的建模和仿真。与其他一些深入讲解MATLAB部分而对Simulink部分做作简单介绍的书籍不同，《Simulink数字通信系统建模》力图使通信工程师能够学会使用Simulink平台，并通过使用Simulink的扩展功能来建立多种多样的数字通信系统，从而能够在许多重要的信道场景下，对数字通信系统的性能做出数值评估。
《Simulink数字通信系统建模》读者需要具备MATLAB语言和平台应用的基本知识，并具备数字通信领域的专业基础，如具有调制、编码、信道模型等方面的基本概念，以及数字信号处理（DSP）的专业基础，如数字滤波、傅里叶变换、通信统计学方面的基本知识。《Simulink数字通信系统建模》不打算替代数字通信理论教材，但是，把本书作为该类专业课程的伴随读物则是很有价值的。本书也不是一本关于如何使用Simulink的详细说明书，而是力图让读者和用户在熟悉Simulink基本工具之后，能够快速地构建出有意义的通信系统模型。关于Simulink的若干教程和使用说明可从MathWorks公司获得。《Simulink数字通信系统建模》也未涉及Simulink另一功能，即为现场可编程门阵列（FPGA）或数字信号处理（DSP）器件提供模型开发、C/C 编码和模型移植的支持等方面内容。如果读者需要学习这些功能和内容，可从MathWorks公司提供的应用培训中获取。

《Simulink数字通信系统建模》结构
《Simulink数字通信系统建模》分为两大部分。前12章讨论了Simulink用于数字通信领域技术的建模方法，如调制技术、编码技术、信道类型以及接收机处理技术等；讨论内容包含了通信系统在给定条件下的理论结果，以及在仿真条件下的仿真数值结果。每章最后设有习题，以期巩固重点讲解的内容。第13章给读者提供了许多通信系统模型实例，涉及数字通信许多重要技术。我们希望，通过这些实例能够为读者展示出Simulink这一建模工具强大的工程应用能力。附录Ａ总结了本书所涉及的Simulink主要模块。附录Ｂ向读者提供了关于MATLAB和Simulink的一些更为深入的文献。
第1章
本章讲解了Simulink建模的基本知识，以及Simulink与MATLAB之间的关系，展示了典型的MATLAB应用窗口介绍了Simulink模块库，其中特别讨论了通信工具箱和DSP系统工具箱。
第2章
本章力图引导读者从最简单的建模做起，学会如何利用Simulink来建立本书第一个最简单的正弦波模型。在完成模型创建并设定模型参数之后，执行仿真，仿真结果将被送入MATLAB工作空间。我们在模型中使用了数据显示模块和示波器模块来显示仿真输出数据和波形，并通过快速傅里叶变换（FFT）模块来计算输出信号频谱，并与正弦波频谱的解析结果进行比较。在模型中还使用了另一个具有更多参数设置的频谱分析仪模块来测定信号的频谱，此外，我们在模型中还使用了一些常见的数学计算模块。
第3章
本章针对二进制相移键控（BPSK）调制和正交相移键控（QPSK）调制，讨论了在Simulink中的一些关键建模问题。在实例模型中，我们使用了BPSK和QPSK模块，并通过在信道模块中引入加性白高斯噪声（AWGN），把高斯噪声作为加性信道噪声。通过仿真，得出了BPSK和QPSK的比特错误率（BER）性能，并与其理论比特错误率分析结果进行了比较。在比特能量信号噪声比（Eb/No）仿真范围内，利用比特错误率统计工具模块可以很方便地测量出系统的比特错误率性能。另外，本章还讨论了基于数据采样和基于数据帧的两种不同计算方法，并指出基于数据帧的方法由于采用了向量计算模式，将比基于数据采样的方法具有更快的计算速度。最后，本章讨论了在Simulink中定点计算的用法。
第4章
本章继续前一章的话题，讨论在M元相移键控（MPSK）调制和正交幅度调制（QAM）等相干调制方法下，如何构建对通信系统BER性能的仿真评估模型。其中采用了多种符号集合大小，并使用了浮点和定点两种算法。同样，利用Simulink构建了多种符号集合大小的QAM调制模型，平均功率和峰值功率两种条件下得出了BER仿真评估结果，其中使用了不同的调制符号集。本章还通过将QAM信号与非线性功率放大器进行连接的仿真实例指出，特别是在理论结果难以得出的情况下，应用Simulink对于通信系统建模和性能仿真评估具有特别强大的功用和重要意义。
第5章
本章继续用Simulink工具来构建模型，通过仿真测量出二进制频移键控（BFSK）、M元频移键控（MFSK）、最小频移键控（MSK）以及高斯最小频移键控（GMSK）等数字调制方式传输比特错误率性能。通过仿真性能与理论计算性能之间的比较表明，仿真模型确实能以可靠的方式估计出通信系统的传输质量。同时，我们也向读者展示了频谱分析仪模块的强大功能，这些频谱分析仪模块具有多种选项，并可配置多种参数。通过建模与仿真，最后得出了BFSK、4FSK、MSK和GMSK等数字调制方式的频谱效率评估。第6章前5章通过讨论如何构建Simulink模型，力图使读者熟悉利用Simulink进行建模的过程和仿真参数的测量方法。本章研究如何利用Simulink建立在衰落信道中的BPSK调制模型，并研究其中若干问题。在Simulink模型中，我们特别使用了瑞利衰落信道和莱斯衰落信道两种信道模型，并在不同的信道参数条件下，通过执行仿真测出了BPSK调制的比特错误率，然后与理论结果进行了对比。在多径信道条件下，数字调制的理论比特错误率性能是难以得出的，然而，通过Simulink模型，我们却能很容易地把BPSK调制在多径信道中的比特错误率性能给估计出来。

第7章本章仍然以Simulink建模方式来讨论在瑞利衰落信道和莱斯衰落信道中的FSK调制及FSK非相干解调的比特错误率性能。在给定调制符号集合大小的情况下，可以通过执行Simulink模型，以仿真计算方式，把MFSK调制的比特错误率性能测量出来。本章最后还给出了一个模型，用以研究莱斯衰落多径信道中FSK调制用相干解调方法时的比特错误率性能。第8章为了抵消由于信道衰落引起的通信性能损失，采用分集技术是一种常用方法。采用收发多天线分集的空时分组码（STBC）技术能够从本质上改善衰落信道中数字通信的比特错误率性能。本章所给出的Simulink模型使用了空时分组码（STBC）来抵消信道衰落所带来的比特错误率的退化。通过这种模型，我们可以测量出在瑞利衰落信道中使用STBC后的BPSK调制和QAM调制的BER性能。由此可见，为了得出理论结果，Simulink建模技术也常常是必需的。

第9章为了提高通信系统性能，采用分组纠错码是一种重要的技术手段。本章构建了Simulink模型用于在采用了常用的分组码技术之后，仿真测量BPSK调制在AWGN信道中的BER性能。这些常分组码有汉明码、Golay码以及BCH码。我们还构建了研究RS码下的FSK和QAM调制传输性能模型，并设计了一个Simulink模型实例，来演示在已编码和未编码两种情况下多径信道传输对通信系统性能的影响。第10章本章讨论了在衰落信道中应用分组纠错码建模的若干问题。在Simulink模型中，我们采用瑞利衰落信道模型，研究了BCH码下BPSK调制、Golay码下BFSK调制、RS码下32FSK调制，以及RS码下16QAM调制的传输性能。在每个模型中，我们都引入了交织算法。对于莱斯衰落信道，我们还给出了一个模型，用来讨论在引入交织算法之后，RS码用于16QAM调制中的传输性能。最后，还给出了一些Simulink模型，用来研究在瑞利衰落信道中指定分组码类型和指定调制模式下，应用STBC和交织技术之后的通信系统传输性能。

第11章为了提高通信系统传输性能，采用卷积纠错码是另一种编码解决方案。本章讨论了在AWGN信道和衰落信道中使用卷积纠错码进行Simulink建模的若干问题。我们采用了BPSK调制方式，并应用卷积码、硬判决解码和软判决解码技术建立Simulink仿真模型，并分别研究了该模型在AWGN信道和瑞利衰落信道中的BER性能。最后，我们还给出了一个应用卷积码和BPSK调制，以及STBC和交织技术的Simulink模型，并通过仿真测定了这个模型在瑞利衰落信道中的传输性能。第12章为了补偿时间弥散型多径信道中产生的信号失真，采用自适应均衡是一种广泛应用的信号处理技术。本章讨论了自适应均衡算法Simulink模型，其中，我们在BPSK和QPSK数字调制下建立了线性最小方均（LMS）误差均衡算法的自适应均衡器仿真模型；在BPSK数字调制下分别建立了判决反馈均衡器（DFE）和递归最小二乘（RLS）均衡器两种仿真模型。最后，还用Simulink建立了在瑞利衰落信道条件下采用BPSK数字调制方式的RLS均衡器仿真模型，并对上述模型进行了仿真试验，得出了预期结果。

第13章本章给出了在独立工程应用方面的若干Simulink模型实例。例如，语音压缩中的线性预测编码（LPC）模型、RLS干扰抑制模型、扩频模型、单一干扰情况下的天线调零模型、卡尔曼滤波模型、正交频分复用（OFDM）模型以及BPSK调制下的Turbo码编码模型等。我们选择这些技术专题来进行Simulink建模，其目的是向读者说明和展示Simulink这一建模工具所具有的广泛而强大的工程应用能力。关于本书支持网站本书所列Simulink模型实例电子文档均可从www.wiley.com/go/Simulink下载。本书所有模型均在MATLAB2014a版本下调试运行通过。该网站中还提供了习题的Simulink模型电子文档，使用本书的读者可通过该网站下载习题答案。

致谢在本书撰写期间，MathWorks公司提供了多个MATLAB/Simulink发行版本，正是由于该公司的慷慨帮助，本书才能得以顺利完成。在Simulink模型构建和验证方面，MathWorks公司技术团队提出了很多宝贵意见和建议，我们在此深表谢意。MATLAB中心给予的技术支持也常常使作者在Simulink建模工作中对解决复杂问题充满了信心。在此，感谢MathWorks公司Dr.Michael Mulligan对本书的鼓励和支持；感谢MathWorks公司将本书工作收入公司程序档案库中，并授权本书复制具有公司版权的若干图片。

译者序

译者序本书作者基于MathWorks公司MATLAB/Simulink2014a版本为建模平台，通过对数字通信系统建模方法和仿真实例的讲解，讨论了Simulink这个强大易用的建模仿真工具在通信工程专业领域的应用技巧和方法。全书语言浅显而流畅，内容专业而深入。多年来，MATLAB/Simulink在学术界和工业界得到了广泛赞誉和认可，已经成为业界进行数值计算和建模仿真的事实标准和通用学术交流平台。在通信领域，特别是现代无线电通信领域，越来越多的工程师和学者利用这一平台进行新技术研究、通信协议模拟、算法开发和实验验证，通过建模和仿真实验来对未来通信体制和系统进行思想探索、数学分析和数值模拟。本书对数字通信系统的建模技术和方法进行了深入研讨，深刻地揭示了通信过程的本质，使读者能够从通信的物理原理上去理解诸如调制解调、编解码、滤波、快速傅里叶变换（FFT）等这些基本通信和信号处理单元的原理和应用，并使读者能够在真实通信传输信道中，去体会如何基于蒙特卡洛统计方法和动态系统微分方程数值求解方法去测量通信系统的传输性能，从而得出自己的实验结论。书中通过对经典通信系统的仿真测量结果与理论解析结果之间的相互对比，指出仿真数值结果与基于解析公式的计算结果之间有着本质上的不同。译者在从事通信工程专业多年的教学和研究工作中也深有同感：不少学生，甚至在一些已发表的学术论文中，错误地把解析分析公式用MATLAB做成曲线图，就当成是所谓的数值仿真实验结果来用。关于这一点，本书通过实例说明了仿真和理论解析计算的本质区别和相互关系，明确对了仿真实验方法的界定。

本书作者具有无线电通信和个人移动通信新技术领域深厚的专业背景和工程经验，书中从基础仿真实验操作和基本数字通信系统的建模和性能分析讲起，介绍了常用数字调制技术和经典纠错编码技术的建模过程，并对这些经典通信系统在加性白高斯信道、衰落信道和多径信道等典型传输环境中的通信性能进行了仿真测量。同时，结合通信理论对仿真结果进行了分析对比，逐渐引导读者进入更加实际的无线电通信场景。最后，通过一系列工程实例，深入讨论了新型无线通信系统中应用的关键技术和系统建模技巧，例如，多天线技术、扩频技术、语音压缩、Turbo码、正交频分复用（OFDM）、自适应均衡、卡尔曼滤波等。同时提醒读者，本书中的大部分图片是由程序模型和相关软件直接生成的，为了与实际软件使用情况相一致，故保留原图形式。本书适合通信工程、电子与信息工程、计算机等专业的高年级本科生和研究生阅读，也可为从事无线通信新技术研究、协议开发和产品开发的系统工程师提供重要参考。