基于Simulink的通信系统仿真
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摘要：现代社会发展要求通信系统功能越来越强，性能越来越高，构成越来越复杂；另一方面，要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期，降低成本，提高水平。如此要求只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。文章利用可视化仿真工具simulink对数字调制系统进行了仿真分析。
关键词：Simulink；仿真；正交幅度调制
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2011)07-1593-02
Communications System Simulation on Simulink
LIU Fei
(Department of Communication Engineering, Engineering College of Armed Police Force, Xi'an 710086, China)
Abstract: The development of modern society requires communications system has more powerful function, higher performance and complicated structure. On the other hand, the research of technology and development of product should truncate cycle, cut costs and increase production levels. We can resolve the conflict by using the computer aided design techology and tools. The simulation of digital modulate system is realized by simulink tool, and the system capability is analyzed.
Key words: Simulink; simulation; QAM
随着现代通信系统的飞速发展，计算机仿真已经成为分析和设计通信系统的主要工具，在通信系统的研发和教学中具有越来越重要的意义。计算机仿真是衡量系统性能的工具，它通过构建模型运行结果来分析实物系统的性能从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，优化系统的整体性能。因此，仿真是通信系统研究和工程建设中不可缺少的环节。
仿真也称模拟，在本质上，系统的计算机仿真就是根据实际的物理系统的运行原理建立相应的数学描述并进行计算机数值求解。根据实际的目标问题提出相应的数学描述，通常可以表达为一系列数学方程以及一系列边界条件。把系统的数学描述称为系统的仿真模型。用计算机语言重新表达的数学模型称为系统的计算机仿真模型。对用户而言，使用仿真软件的平台不同，所建立的计算机仿真模型形式也不同，可以是字符形式的一系列程序代码，也可以是图形化的一些列一组信号流程图、系统方框图或者状态转移图。
1 通信系统仿真体系结构
通信系统仿真的基本框架为仿真建模――仿真实验――仿真分析。系统、模型与仿真是通信系统仿真体系三要素，其中系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真则是通过对模型的实验以达到研究系统的目的手段与方法。一个完整的通信系统设计和仿真的过程：首先，根据实际的通信系统进行系统建模构建系统模型；然后，在系统模型的基础上形成易于仿真的模型和数据源进行计算机仿真，在完成仿真的基础上对仿真实验结果进行分析；最后，根据分析的结论和推理对设计的通信系统进行修正和完善。
1）系统
系统是指由若干相互联系、相互作用、相互依存的事物按照一定的规律组合而成的能够完成特定功能的整体，系统具有不同属性和规模。
通信系统是一个独立的实体，外界对这个实体的作用统称为系统的输入，系统对外界的作用则称为系统的输出。通信系统具有三个要素：实体、属性和活动。实体确定了系统的构成；属性也称为描述变量，它描述了每一实体的特征；活动则定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定系统内部发生变化的过程。对三要素完整的描述是通信系统仿真的前提。
2）模型
仿真实验时，需要结合具体的参数值，形成一个特定的参数模型，从而大大提高仿真的灵活性和运行效率。一个有效的参数模型的框架实质就是定义一组条件，包括模型参数、输入变量、观测变量、初始条件、终止条件和输出说明等。
通信系统的计算机建模一般以数学模型为主。对于数学模型而言，当系统的激励是连续信号时，其响应信号也是连续信号，则称为连续系统；当系统的激励是离散信号时，若其响应信号也是离散信号，则称为离散系统。连续系统与离散系统通常组合使用，称为混合系统。
3）仿真
仿真通常是指在实际通信系统尚不存在的情况下对通信系统活动本质的模拟或者计算机实现。在通信系统的建模、分析和设计过程中，现在已经越来越多的采用计算机辅助技术。总得来看，这些计算机辅助技术通常可分为两类：一类是以公式为基础的方法，这种方法是利用计算机来计算复杂的公式；另一类是以仿真波形为基础的方法，这种方法是利用计算机来仿真经过系统的信息流。
利用计算机辅助技术对通信系统进行仿真和性能评估时，需要考虑估计精度与计算机运算量之间的折中。
2 仿真工具
根据不同的仿真需求选择不同的仿真工具。对于网络层次的建模和仿真可以采用OPNET，NS等软件平台。对于链路层次的仿真问题，可以选择Matlab/Simulink，Systemview，Scilab以及C语言。对于电路实现层次的仿真问题，Spice常用于模拟电子电路的建模和仿真，而VHDL语言则常用于数字系统的仿真和实现。本文研究通信链路层次的仿真问题，因此采用Matlab/Simulink平台。
3 实际数字调制系统仿真过程
16QAM通过带限信道，设码元速率为1000波特，传输信道特性为滚降系数是0.75的滚升余弦频谱的滤波器，来构建测试模型并观察接收信号的眼图、星座图和相位转移轨迹图。
数字调制输出的是星座图上的离散的点相邻时隙传输数据的变化导致星座图上的点的跃变，即输出信号在幅度和相位上的跃变。然而由于通信信道总是带宽受限的，经过带限信道传输后信号在时隙切换时刻由跃变变为缓变，使得输出信号在幅度和相位上总是连续变化的。这样，信号幅度和相位变化在信号空间图上产生的轨迹为一条连续光滑曲线。
模型中QAM调制模块的输出将送入一个由FIR滤波器是现实的带通信道。为了模拟一个时隙内的传输波形，在一个传输时隙内滤波器的采样点数必须大于1，因此必须对QAM的输出数据进行升速率采样，然后再较高的速率下进行滤波器仿真计算，测试模型如图1所示。插值系数为10，这样在每个码元时隙上调制波形被采样十次，信道无噪声条件下的仿真结果如图2所示。
图1 16QAM信号通过带限信道的测试模型
图2 信道无噪声条件下16QAM信号通过带限信道的仿真结果
4 结论
本文介绍了通信系统仿真的相关内容。包括通信系统仿真的一般流程，MATLAB中的一种可视化仿真工具Simulink的概念及实现方法。
在理解通信系统理论的基础上，利用MATLAB强大的仿真功能，设计了数字调制系统模型，并且对模型设计具体的结构组成、仿真流程以及仿真结果都给出了具体分析。
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