使用 MATLAB 模擬無線通訊系統（Dr Shehata）培訓

本課程的產出結果

完成本課程後，學生應能夠處理通信工程領域許多當前未解決的研究問題，因為他們/她們應至少獲得以下技能：

• 映射並操作在通信工程文獻中頻繁出現的複雜數學表達式
• 能夠使用 MATLAB 提供的編程功能來重現其他论文的模擬結果，或者至少接近這些結果。
• 創建自研想法的模擬模型。
• 高效地運用所獲得的模擬技能，結合強大的 MATLAB 功能，在節省記憶空間的同時設計出具有優代碼運行時間的優化 MATLAB 代碼。
• 識別給定通信系統的关键模擬參數，從系統模型中提取這些參數，並研究這些參數對所考慮系統性能的影響。

課程結構

本課程提供的材料具有極強的關聯性。不建議學生在未參加並深入理解其前一個層級的課程的情況下參加某一層級的學習，以確保所獲得知識的連續性。該課程結構分為三個層級，從 MATLAB 編程入門開始，一直到完整的系統模擬，如下所示。

使用 MATLAB 進行通信數學
第 01-06 節

完成這部分學習後，學生將能夠評估複雜的數學表達式，並輕鬆為不同的數據表示構建適當的圖表，例如時域和頻域圖；誤碼率（BER）圖、天線輻射方向圖等。

基礎概念

• 模擬的概念
• 模擬在通信工程中的重要性
• MATLAB 作為模擬環境
• 關於通信數學中標量信號的矩陣和向量表示
• MATLAB 中復數基帶信號的矩陣和向量表示

MATLAB 桌面

• 工具欄
• 命令窗口
• 工作區
• 命令歷史

變量、向量和矩陣聲明

• MATLAB 預定義常量
• 用戶定義變量
• 數組、向量和矩陣
• 手動矩陣輸入
• 間隔定義
• 線性空間
• 對數空間
• 變量命名規則

特殊矩陣

• 全 1 矩陣
• 全 0 矩陣
• 單位矩陣

逐元素和矩陣操作

• 訪問特定元素
• 修改元素
• 選擇性消除元素（矩陣截斷）
• 添加元素、向量或矩陣（矩陣連接）
• 查找向量或矩陣內元素的索引
• 矩陣重塑
• 矩陣截斷
• 矩陣連接
• 從左到右和從右到左的翻轉

一元矩陣算符

• 求和算符
• 期望算符
• 最小值算符
• 最大值算符
• 跡算符
• 矩陣行列式 |.|
• 矩陣逆
• 矩陣轉置
• 矩陣厄米特

二元矩陣運算

• 算術運算
• 關係運算
• 邏輯運算

MATLAB 中的復數

• 帶通信號的復數基帶表示和 RF 上變頻，數學複習
• 形成復數變量、向量和矩陣
• 復數指數
• 實部算符
• 虛部算符
• 共軛算符 (.)*
• 絕對值算符 |.|
• 論證或相位算符

MATLAB 內置函數

• 向量向量和矩陣矩陣
• 平方根函數
• 符號函數
• “取整”函數
• “向下取整”函數
• “向上取整”函數
• 階乘函數
• 對數函數 (exp, ln,log10,log2)
• 三角函數
• 雙曲函數
• Q(.) 函數
• erfc(.) 函數
• 貝塞爾函數 Jo (.)
• 伽瑪函數
• Diff, mod 命令

MATLAB 中的多項式

• MATLAB 中的多項式
• 有理函數
• 多項式導數
• 多項式積分
• 多項式乘法

線性比例圖表

• 連續時間-連續幅度信號的視覺表示
• 階梯近似信號的視覺表示
• 離散時間 - 離散幅度信號的視覺表示

對數比例圖表

• dB-十倍頻率圖 (BER)
• 十倍頻率-dB 圖 (波特圖、頻率響應、信號譜)
• 十倍頻率-十倍頻率圖
• dB-線性圖

2D 極座標圖

• (平面天線輻射方向圖)

3D 圖表

• 3D 輻射方向圖
• 笛卡爾參數圖

可選章節（根據學習者的需求提供）

• MATLAB 中的符號微分和數值微分
• MATLAB 中的符號和數值積分
• MATLAB 幫助和文檔

MATLAB 文件

• MATLAB 腳本文件
• MATLAB 函數文件
• MATLAB 數據文件
• 局部變量和全局變量

MATLAB 中的循環、條件流程控制和決策

• for end 循環
• while end 循環
• if end 條件
• if else end 條件
• switch case end 語句
• 迭代、收斂錯誤、多維求和算符

輸入和輸出顯示命令

• input(' ') 命令
• disp 命令
• fprintf 命令
• 消息框 msgbox

信號與系統操作
第 07-14 節

這部分的主要目標如下

• 生成測試不同通信系統性能所需的隨機測試信號
• 整合許多基礎信號操作以實現單個通信處理功能，例如發送端的編碼器、隨機化器、交織器、擴展碼生成器 …等，以及接收端的對應部分。
• 正確互連這些塊以實現通信功能
• 模擬確定性、統計和半隨機室內和室外窄帶信道模型

通信測試信號的生成

• 隨機二進制序列的生成
• 隨機整數序列的生成
• 導入和讀取文本文件
• 音頻文件的讀取和播放
• 圖像的導入和導出
• 作為 3D 矩陣的圖像
• RGB 到灰度轉換
• 2D 灰度圖像的串行位流
• 圖像信號的亞幀化及重建

信號調製和操控

• 幅度縮放（增益、衰減、幅度歸一化…等）
• 直流電平移位
• 時間縮放（時間壓縮、稀釋）
• 時間移位（時間延遲、時間提前、左側和右側圓形時間移位）
• 測量信號能量
• 能量和功率歸一化
• 能量和功率縮放
• 串行到并行和并行到串行轉換
• 復用和解復用

模擬信號的數碼化

• MATLAB 中連續時間基帶信號的時域採樣
• 模擬信號的幅度量化
• 量化模擬信號的 PCM 編碼
• 十進制到二進制和二進制到十進制轉換
• 脈衝整形
• 計算適當的脈衝寬度
• 選擇每脈衝的樣本數
• 使用 conv 和 filter 命令進行卷積
• 時限信號的自相關和互相關
• 快速傅里葉變換 (FFT) 和 IFFT 操作
• 查看基帶信號譜
• 採樣率和適當的頻率窗口的影響
• 卷積、相關和 FFT 操作之間的關係
• 頻域濾波，僅低通濾波

輔助通信功能

• 隨機化器和解隨機化器
• 穿孔器和解穿孔器
• 編碼器和解碼器
• 交織器和解交織器

調製器和解調器

• MATLAB 中的數字基帶調製方案
• 數字調製信號的視覺表示

信道建模與模擬

• 信道效應對傳輸信號影響的數學建模
  • 加法 – 加性高斯白噪聲 (AWGN) 信道
  • 時域乘法 – 慢衰落信道，車輛信道中的多普勒偏移
  • 頻域乘法 – 頻率選擇性衰落信道
  • 時域卷積 – 信道沖激響應

確定性信道模型示例

• 自由空間路徑損耗和環境依賴性路徑損耗
• 周期性阻擋信道

常見穩態和準穩態多徑衰落信道的統計特徵

• 均勻分佈隨機變量的生成
• 實值高斯分佈隨機變量的生成
• 復數高斯分佈隨機變量的生成
• 萊斯分佈隨機變量的生成
• 萊斯分佈隨機變量的生成
• 對數正態分佈隨機變量的生成
• 任意分佈隨機變量的生成
• 通過直方圖近似隨機變量的未知概率密度函數 (PDF)
• 隨機變量累計分佈函數 (CDF) 的數值計算
• 實數和復數加性高斯白噪聲 (AWGN) 信道

通過功率延遲剖面對信道進行特徵化

• 通過功率延遲剖面對信道進行特徵化
• 功率延遲剖面的功率歸一化
• 從功率延遲剖面中提取信道沖激響應
• 以任意採樣率採樣信道沖激響應，不匹配採樣和延遲
• 量化
• 窄帶信道沖激響應採樣不匹配的問題
• 以任意採樣率採樣功率延遲剖面並補償分數延遲
• 實現多個 IEEE 標準化的室內和室外信道模型
• (COST – SUI - 超寬帶信道模型…等)

實用通信系統的鏈路級模擬
第 15-24 節

本課程的這部分關注對研究學生來說最重要的問題，即如何通過模擬重現其他已發表论文的模擬結果。

基帶數字調製方案的誤碼率性能

• 不同基帶數字調製方案在 AWGN 信道中的性能比較（通過模擬進行綜合比較研究以驗證理論表達式）；散點圖，誤碼率
• 不同基帶數字調製方案在不同穩態和準穩態衰落信道中的性能比較；散點圖，誤碼率（通過模擬進行綜合比較研究以驗證理論表達式）
• 多普勒偏移信道對基帶數字調製方案性能的影響；散點圖，誤碼率
• 直升機到衛星通信
  • 論文 (1)：低成本實時航空移動衛星服務 (AMSS) 語音和數據系統 – 問題陳述和分析
  • 論文 (2)：帶有精確 AFC 的預檢測時間分集結合用於直升機衛星通信 – 首個提出的解決方案
  • 論文 (3)：用於直升機-衛星通信的自適應調製方案 – 性能改進方法

擴頻系統的模擬

• 基於擴頻系統的典型架構
• 基於直接序列擴頻的系統
• 偽隨機二進制序列 (PBRS) 生成器
  • 最大長度序列的生成
  • Gold 碼的生成
  • Walsh 碼的生成
• 基於時間跳頻擴頻的系統
• 基於擴頻的系統在 AWGN 信道中的誤碼率性能
  • 編碼率 r 對 BER 性能的影響
  • 碼長對 BER 性能的影響
• 基於擴頻的系統在多徑慢速萊斯衰落信道中的誤碼率性能（零多普勒偏移）
• 基於擴頻的系統在高移動性衰落環境中的誤碼率性能分析
• 存在多用戶干擾時基於擴頻的系統誤碼率性能分析
• 通過擴頻系統傳輸 RGB 圖像
• 光 CDMA (OCDMA) 系統
  • 光正交碼 (OOC)
  • OCDMA 系統的性能限制；同步和異步 OCDMA 系統的誤碼率性能

超寬帶擴頻系統

基於 OFDM 的系統

• 使用快速傅里葉變換實現 OFDM 系統
• 基於 OFDM 的系統的典型架構
• 基於 OFDM 的系統在 AWGN 信道中的誤碼率性能
  • 編碼率 r 對 BER 性能的影響
  • 循環前綴對 BER 性能的影響
  • FFT 大小和子載波間距對 BER 性能的影響
• 基於 OFDM 的系統在多徑慢速萊斯衰落信道中的誤碼率性能（零多普勒偏移）
• 基於 OFDM 的系統在多徑慢速萊斯衰落信道中的誤碼率性能（存在 CFO）
• OFDM 系統中的信道估計
• OFDM 系統中的頻域均衡
  • 迫零均衡器
  • MMSE 均衡器
• 基於 OFDM 的系統的其他常見性能指標（峰均功率比、載波干擾比…等）
• 基於 OFDM 的系統在高移動性衰落環境中的性能分析（作為由三篇論文組成的模擬項目）
  • 論文 (1)：載波間干擾緩解
  • 論文 (2)：MIMO-OFDM 系統

MATLAB 模擬項目的優化

這部分的目標是學習如何構建和優化 MATLAB 模擬項目，以簡化和組織整體模擬過程。此外，還考慮了記憶空間和處理速度，以避免在有限存儲系統或由於處理速度緩慢而導致的長時間運行中出現內存溢出問題。

• 小型模擬項目的典型結構
• 模擬參數的提取及理論到模擬的映射
• 構建模擬項目
• 蒙地卡羅模擬技術
• 測試模擬項目的典型程序
• 內存空間管理和模擬時間減少技術
  • 基帶模擬與帶通模擬
  • 為截斷的任意脈衝形狀計算適當的脈衝寬度
  • 計算每符號的適當樣本數
  • 計算測試系統所需且充分的比特數

GUI 編程

擁有一個沒有調試錯誤且能正確工作以產生正確結果的 MATLAB 代碼是一個偉大的成就。然而，模擬項目中的一組關鍵參數控制了…… 出於這個原因以及其他原因，提供了一堂關於“圖形用戶界面 (GUI) 編程”的額外課程，以便將對模擬項目各部分的控制握在手中，而不是深入充滿命令的長代碼源碼。此外，將 MATLAB 代碼包裝在 GUI 中有助於以一種方便在一個主窗口中結合多種結果並更輕鬆地比較數據的方式呈現您的工作。

• 什麼是 MATLAB GUI
• MATLAB GUI 函數文件的結構
• 主要 GUI 組件（重要属性和值）
• 局部變量和全局變量

注意：本課程每個層級涵蓋的主題包括但不限於每個層級中所述的那些主題。此外，每個特定lecture 的內容會根據學習者的需求和研究興趣而有所調整。