基于SIMULINK的现代通信系统仿真分析

第18卷第10期系统仿真学报©Vol.18No.102006年10月JournalofSystemSimulationOct.,2006·2966·基于SIMULINK的现代通信系统仿真分析席在芳，邬书跃，唐志军，曾照福（湖南科技大学信息与电气工程学院,湖南湘潭411201）摘要：以Simulink为软件平台，充分利用其提供的通信工具箱和信号处理工具箱中的模块，以常用的DPCM(DifferentialPulseCodeModulation)和PCM(Pulse-CodeModulation)数字电话通信系统为例，对这两种通信系统进行了模型构建、系统设计、仿真演示、结果显示、误差分析以及综合性能分析，重点对DPCM与PCM进行了误差分析和比较，并且对差错不可控以及频带利用率不高的缺点加入了纠错编码和复用技术并对其进行了仿真。通过系统的仿真与分析可以看出Simulink在系统建模和仿真中的巨大优势，根据仿真结果分析系统性能，并且找出最优的系统配置方案。关键词：Simulink；仿真；DPCM；PCM中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1004-731X(2006)10-2966-03SimulationandAnalysisofCommunicationsystemBasedonSimulinkXIZai-fang,WUShu-yue,TANGZhi-jun,ZENGZhao-fu（CollegeofInformation&ElectricalEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China）Abstract:MATLABisasystemofhighdegreeintegration.Simulinkisasoftwarepackagethatisusedformolding,simulationandanalysistothedynamicsystem.MATLAB/Simulinkwasregardedasthesoftwareplatform,andthecommunicationsystemtoolboxandthesignalprocessingtoolboxwereutilizedtodesigndigitalphonecommunicationsystemofDPCMandPCM.Andthenthemodeledstructure,designedsystem,shownresult,analyzederrorandthecomprehensiveanalysisweregivenforthetwocommunicationsystemsbasedonSimulink.Theerroranalysis,thecomparisonoftheDPCMandPCM,theerrorcorrectioncodingandthemultiplywereemphasizedatlast.Keywords:simulink;simulation;dpcm;pcm引言1Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它让用户把精力从编程转向模型的构造，为用户省去了许多重复的代码编写工作；Simulink的每个模块对用户而言都是透明的，用户只须知道模块的输入、输出以及模块的功能，而不必管模块内部是怎么实现的，于是留给用户的事情就是如何利用这些模块来建立模型以完成自己的仿真任务；至于Simulink的各个模块在运行时是如何执行，时间是如何采样，事件是如何驱动等细节性问题，用户可以不去关心，正是由于Simulink具有这些特点，所以它被广泛的应用在通信仿真中，但是到目前为止，大部分文献基本上都是在对通信系统的某个部分或者某个模块上的仿真，而对于通信系统进行仿真后基本上没有进行误差的仿真分析[1-10]，而本文正是从这一思想出发，利用Simulink强大的工具箱和其建模的优势建立了常用的DPCM和PCM数字电话通信系统仿真模型，对这两种通信系统进行了模型构建、系统设计、仿真演示、结果显示、误差分析以及综合性能分析，并且重点对DPCM与PCM进行了误差分析和比较，而且该分析方法同样可推广到其它的通信系统，具有普遍意义。收稿日期：2005-08-04修回日期：2006-01-11作者简介：席在芳(1974-),男,湖南安乡人,硕士,研究方向为信号处理与通信系统;邬书跃(1963-),男,湖南常德人,教授,硕士,研究方向为数字通信与信息传输技术;唐志军(1974-),男,湖南邵东人,讲师,硕士,研究方向为通信系统与计算机网络。1系统模型构建数字电话通信系统是指要实现模拟话音在数字通信系统中的传输[11]，其模型如图1所示。图1数字通信系统模型图利用Simulink实现数字电话通信系统的仿真，首先要建立系统模型，利用Simulink进行模型构建，并进行参数设置，然后进行整体仿真。根据DPCM和PCM通信系统的框图[11]，在通信工具箱和信号处理工具箱中分别找出相应的模块并连接起来，得到DPCM和PCM数字电话通信系统仿真模型分别如图2和图3所示。2仿真虽然语音信号的频率通常在300~3400Hz之间，不过为了仿真和分析方便，在此选用频率为1Hz的正弦波替代作为信源，这样并不影响仿真和分析结果。2.1仿真结果DPCM和PCM数字电话通信系统仿真结果分别如图4所示，可以看出接收端与发送端的波形基本上是一致的，只是DPCM的幅度变小了，至于为什么幅度会变小，将在误差分析中说明。模拟信源模数转换数字调制信道数字解调数模转换低通滤波信宿噪声第18卷第10期Vol.18No.102006年10月席在芳,等：基于SIMULINK的现代通信系统仿真分析Oct.,2006·2967·图2DPCM仿真模型结构图图3PCM仿真模型结构图0246810024681002468100246810(a)DPCM系统仿真波形(b)PCM系统仿真波形图4输入与输出信号仿真波形(上面为输入信号，下面为输出信号)2.2仿真误差分析在此主要比较DPCM与PCM系统的量化噪声，为了形象说明为此特别构建了误差分析模型如图5所示。该误差分析模型使用抽样量化编码器和DPCM编码器分别对同一个正弦信号进行量化和编码。同样使用与编码器相匹配的解码器对量化信号实施解码，然后统计解码信号与原始信号之间的均方差，由此可以得到DPCM和PCM两种通信制式下的量化误差。图5误差分析模型图5中有一个专门用来观察运行仿真结果的子系统，它从正弦信号发生器和两个解码器得到信号，经过变换之后在示波器上显示出来，该子系统结构如图6所示，在该子系统中，DPCM解码器和抽样量化解码器输出的解码信号分别在示波器上显示出来，作为对比，这两个示波器同时显示了正弦波的波形如图7所示。图6子系统内部结构造信号发生器A律压缩器抽样量化编码器DPCM编码器8进值移频键控调制器发送滤波器加性高斯白噪声信道接收滤波器ScalarquantizerA-lawcompressorDPCMencoderM-FSKIIRAll-PoleAWGNIIRAll-PoleM-FSKDPCMdecoderA-lawexpanderQuantizerdecodeellipA律解压器DPCM解码器8进值移频键控解调器量化解码器椭圆模拟低通滤波器示波器2示波器1示波器2信号发生器抽样量化编码器示波器1抽样量化编码器8进值移频键控调制器发送滤波器加性高斯白噪声信道量化解码器8进值移频键控解调器接收滤波器椭圆模拟低通滤波器ScalarquantizerM-FSKIIRAll-PoleAWGNIIRAll-PoleM-FSKQuantizerdecodeellipDPCMencoder信号发生器DPCMdecoderDPCM编码器DPCM解码器ScalarquantizerQuantizerdecode抽样量化编码器量化解码器子系统信号DPCMPCMPCM信号零阶保持RunningRMSRunningRMS均方差1均方差DPCM示波器1示波器2示波器350-550-550-550-5第18卷第10期Vol.18No.102006年10月系统仿真学报Oct.,2006·2968·02468100246810图7DPCM示波器（左）和PCM示波器（右）图中蓝色的为原始正弦信号波形，绿色的是变换后的波形。如前所述，可以看出DPCM译码信号也是一个正弦信号，然而幅度变小了，与此相对应的是，PCM信号的幅度值没有变化，造成这种现象的原因在于DPCM采用了与PCM不同的编码方式，DPCM先计算输入信号的差值，然后在对这个差值进行PCM编码，因此该差值信号依然是一个正弦信号且幅度会变小。在图8中，蓝色绘制的线条表示DPCM信号的量化误差，而绿色线条则是表示PCM信号的量化误差，从图中可以清楚的看到，DPCM信号的量化误差明显低于PCM信号的量化误差，这也从另一个侧面上反映了DPCM在编码方式上优于PCM。图8DPCM和PCM量化误差比较3存在的问题及改进方案1)差错不可控，没有检错和纠错编码，可靠性不好。对于该问题，可以在发送部分加入信道编码。2)由于是数字通信系统，所以频带利用率不高。克服数字通信不足的办法：降低每路信号的频带宽度，也就是压缩编码率，用更少的码位数来表示信号，比较可行的系统就是ADPCM(AdaptiveDPCM)系统。另外采用复用技术，在有限的频带内，利用各个信号所占的频率不同来传输。针对上述两个主要的缺点，在此采用复用技术克服频带利用率不高的缺点，从而提高通信系统的有效性；在调制前加入纠错编码，从而提高通信系统的可靠性，其仿真模型和仿真结果分别如图9和图10所示。4结论本文主要是以MATLAB/Simulink为软件平台，根据DPCM和PCM通信系统的组成原理，在Simulink模块库中找出相应的模块，选择合适的模块以及设置适当的参数，建立了DPCM和PCM数字电话通信系统仿真模型，对这两种通信系统进行模型构建、系统设计、仿真演示、显示结果、误差分析以及综合性能分析。从仿真的结果来看，失真较小，达到了我们的目的。本文重点构建了误差分析模块以及利用该模块来对DPCM与PCM进行了误差分析和比较，昀后针对差错不可控以及频带利用率不高的缺点加入了纠错编码和复用技术并对其进行了仿真，该分析方法同样可推广到其它通信系统，对设计和分析整个通信系统有较强的指导作用和实际意义。图9加入纠错编码和采用复用后的PCM仿真模型结构图信号发生器抽样量化编码器整型-位变换器汉明编码器位-整型变换器8进值移频键控调制器示波器1信号发生器1示波器2示波器3示波器4量化解码器1椭圆模拟低通滤波器位-整型变换器2汉明译码1整型-位变换器28进值移频键控解调器1发送滤波器加性高斯白噪声信道接收滤波器8进值移频键控解调器整型-位变换器1汉明译码位-整型变换器1量化解码器抽样量化编码器1整型-位变换器3汉明编码器1位-整型变换器38进值移频键控调制器1ScalarquantizerellipQuantizerdecodeQuantizerdecodeScalarquantizerM-FSKM-FSKM-FSKM-FSKIIRAll-PoleIIRAll-PoleAWGNIntegertoBitConverterIntegertoBitConverterBittoIntegerConverterBittoIntegerConverterHammingenHammingenHammingdeHammingdeIntegertoBitConverterIntegertoBitConverterBittoIntegerConverterBittoIntegerConverter50-550-5(下转第2975页)0.60.40.200246810第18卷第10期Vol.18No.102006年10月张天乐，等：部分连接的无线网络路由研究Oct.,2006·