Simulation of Wireless Communications Systems using MATLAB培訓

• 本課程的成果 完成本課程后，學生應該能夠解決通信工程領域目前開放的許多研究問題，因為他/她應該至少獲得以下技能：

• 映射和操作通信工程文獻中經常出現的複雜數學表達式 • 能夠使用 MATLAB 提供的程式設計功能來重現其他論文的模擬結果或至少接近這些結果。

• 創建自我提出的想法的類比模型。

• 將所學的模擬技能與強大的 MATLAB 功能相結合，在節省記憶體空間的同時，根據代碼運行時間設計優化的 MATLAB 代碼。

• 確定給定通信系統的關鍵模擬參數，從系統模型中提取它們，並研究這些參數對所考慮系統性能的影響。

• 課程結構

本課程提供的材料非常相關。不建議學生參加某個級別，除非他/她參加並深刻理解其先前級別，以確保所學知識的連續性。該課程分為三個級別，從MATLAB程式設計入門到完整系統模擬級別，如下所示。

第 1 級：通信數學與 MATLAB 分會場 01-06

完成這一部分后，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（如時域圖和頻域圖）構建適當的圖形;BER繪製天線輻射方向圖等。

基本概念

1. 類比的概念 2. 模擬在通信工程中的重要性 3. MATLAB作為模擬環境 4. 關於通信數學中標量信號的矩陣和向量表示 5. Matrix 和 MATLAB 中複雜基帶信號的向量表示

MATLAB 桌面

6.工具列 7. 命令視窗 8. 工作空間 9. 命令歷史記錄

變數、向量和矩陣聲明

10. MATLAB 預定義常量 11. 使用者定義的變數 12. 陣列、向量和矩陣 13. 手動矩陣輸入 14. 區間定義 15. 線性空間 16. 對數空間 17. 變數命名規則

特殊矩陣

18. 一矩陣 19. 零矩陣 20. 單位矩陣

Element-wise 和 matrix-wise 操作

21. 存取特定元素 22. 修改元素 23. 選擇性消除元素（Matrix 截斷） 24. 新增元素、向量或矩陣（Matrix 串聯） 25. 尋找向量或矩陣中元素的索引 26. Matrix 重塑 27. Matrix 截斷 28. Matrix 串聯 29.從左到右和從右到左翻轉

一元矩陣運算子

30. Sum 運算符 31. 期望運算符 32. 最小運算符 33. 最大運算符 34. 跟蹤運算符 35. Matrix 行列式 |.| 36. Matrix 反轉 37. Matrix 轉置 38. Matrix 埃爾米蒂安 39. 等等

二進位矩陣運算

40. 算術運算 41. 關係操作 42. 邏輯運算

MATLAB 中的複數

43. 通帶信號的複雜基帶表示和射頻上變頻，數學綜述 44. 形成複雜的變數、向量和矩陣 45. 複指數 46. 實件運算符 47. 虛部運算符 48. 共軛算子 （.）* 49. 絕對運算子 |.| 50. 參數或階段運算符

MATLAB 內置函數

51. 向量的向量和矩陣的矩陣 52. 平方根函數 53.符號功能 54. “四捨五入為整數”功能 55.“最接近的下整數函數” 56.“最接近的上整數函數” 57. 階乘函數 58. 對數函數（exp、ln、log10、log2） 59. 三角函數 60. 雙曲函數 61. Q（.） 函數 62. erfc（.） 函數 63. 貝塞爾函數 Jo （.） 64. 伽瑪函數 65. Diff、mod 命令

MATLAB 中的多項式

66. MATLAB 中的多項式 67. 有理函數 68. 多項式導數 69. 多項式積分 70. 多項式乘法

線性比例圖

71. 連續時間連續幅度信號的視覺表示 72. 樓梯近似信號的視覺表示 73. 離散時間的視覺表示——離散幅度信號

對數刻度圖 74. dB十倍頻程圖（BER） 75. 十進位dB圖（波特圖、頻率響應、信號頻譜） 76. 十年-十年情節 77. dB線性圖

2D 極座標圖 78.（平面天線輻射方向圖）

3D 繪圖

79.3D 3D輻射方向圖 80. 笛卡爾參數圖

選修部分（根據學習者的要求提供）

81. MATLAB中的符號微分和數值差分 82. MATLAB中的符號和數字積分 83. MATLAB 幫助和文檔

MATLAB 檔

84. MATLAB 腳本檔 85. MATLAB 函數檔 86. MATLAB 資料檔 87. 局部變數和全域變數

MATLAB 中的迴圈、條件、流量控制和決策

88. for 結束迴圈 89. while 結束迴圈 90. if 結束條件 91. if else 結束條件 92. 開關案例結束語句 93. 反覆運算、收斂誤差、多維求和運算符

輸入和輸出顯示命令

94. input（' '） 命令 95. disp 命令 96. fprintf 命令 97. 消息框消息框

第 2 級：信號和系統操作（24 小時） 分會場07-14

本部分的主要目標如下

• 生成隨機測試信號，這是測試不同通信系統性能所必需的

• 集成許多基本信號操作可以集成以實現單個通信處理功能，例如發射器上的編碼器、隨機化器、交織器、擴頻碼發生器等，以及接收終端上的對應物。

• 正確互連這些模組以實現通信功能

• 確定性、統計和半隨機室內外窄帶通道模型的模擬

通信測試信號的生成

98. 隨機二進位序列的生成 99. 隨機整數序列的生成 100. 匯入和讀取文字檔 101. 音訊檔的讀取和播放 102. 匯入和匯出影像 103. 影像作為 3D 矩陣 104. RGB到灰度的轉換 105. 二維灰度圖像的串行比特流 106. 影像信號的子框架與重建

信號調理和操縱

107. 幅度縮放（增益、衰減、幅度歸一化等） 108. 直流電平轉換 109. 時間縮放（時間壓縮、稀疏） 110.時移（時延、時進、左右循環時移） 111. 測量信號能量 112. 能源和電力規範化 113. 能源和功率縮放 114. 串行到並行和並行到串行的轉換 115. 多路複用和解複用

模擬信號數位化

116. MATLAB中連續時帶信號的時域採樣 117. 類比信號的幅度量化 118. 量化模擬信號的PCM編碼 119. 十進位到二進位和二進位到十進位的轉換 120. 脈衝整形 121. 計算足夠的脈衝寬度 122. 選擇每個脈衝的樣本數

123. 使用 conv 和 filter 命令進行卷積 124. 限時信號的自相關和互相關 125. 快速傅里葉變換（FFT）和IFFT運算 126. 查看基帶信號頻譜 127. 採樣率和適當頻率窗口的影響 128. 卷積、相關和FFT運算之間的關係 129. 頻域濾波，僅低通濾波

輔助 Communication 功能

130. 隨機化和去隨機化 131. 穿刺機和去穿刺機 132. 編碼器和解碼器 133. 交織器和反交織器

調製器和解調器

134. MATLAB中的數字基帶調製方案 135. 數位調製信號的可視化表示

通道建模與模擬

136. Mathematical 通道對發射信號的影響建模

• 加法 – 加性高斯白雜訊 （AWGN） 通道 • 時域乘法 – 慢衰落通道，車載通道中的多普勒頻移 • 頻域倍增 – 頻率選擇性衰落通道 • 時域卷積 – 通道脈衝回應

確定性通道模型示例

137. 自由空間路徑損耗和與環境相關的路徑損耗 138. 週期性阻塞通道

常見穩態和准穩態多徑衰落通道的統計表徵

139. 均勻分佈的RV的生成 140. 實值高斯分散式RV的生成 141. 複雜高斯分散式RV的生成 142. 瑞利分散式房車的產生 143. Ricean 分散式 RV 的生成 144. 對數正態分佈RV的生成 145. 任意分散式RV的生成 146. RV 的未知概率密度函數 （PDF） 的直方圖近似 147. RV累積分佈函數（CDF）的數值計算 148. 實數和複數加性高斯白雜訊（AWGN）通道

通過功率延遲曲線表徵通道

149. 通過功率延遲曲線表徵通道 150. PDP 的功率歸一化 151. 從 PDP 中提取通道脈衝回應 152. 通過任意採樣率、失配採樣和延遲量化對通道脈衝響應進行採樣 153. 窄帶通道通道脈衝回應的失配採樣問題 154. 通過任意採樣率和分數延遲補償對PDP進行採樣 155. 實施幾種IEEE標準化的室內和室外通道模型 156. （COST – SUI - 超寬带通道型號...等）

第 3 級：實用通信系統的鏈路級模擬（30 小時） 第15-24場

這部分課程關注的是研究生最重要的問題，即如何通過模擬再現其他已發表論文的模擬結果。

基帶數字調製方案的誤碼率性能

1. AWGN通道中不同基帶數位調製方案的性能比較（通過模擬進行綜合比較研究，驗證理論表達式）;散點圖，誤碼率

2、不同基帶數位調製方案在不同穩態和准穩態衰落通道下的性能對比;散點圖、誤碼率（通過模擬進行綜合比較研究，驗證理論表達式）

3. 多普勒頻移通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 Communications

4. 論文（1）：航空衛星移動業務（AMSS）低成本即時語音與數據系統——問題陳述與分析 5. 論文（2）：直升機衛星預探測時間分集與精確AFC相結合Communications——第一個提出的解決方案 6. 論文（3）：直升機衛星自適應調製方案 Communications – 一種性能改進方法

擴頻系統模擬

1. 基於擴頻系統的典型架構 2. 基於直接序列擴頻的系統 3. 偽隨機二進位序列 （PBRS） 產生器 • 生成最大長度序列 • 生成黃金代碼 • 沃爾什碼的生成

4. 基於時間跳躍擴頻的系統 5. AWGN通道中基於擴頻的系統的誤碼率性能 • 編碼速率r對誤碼率性能的影響 • 代碼長度對誤碼率性能的影響

6. 基於擴頻的系統在零多普勒頻移的多徑慢瑞利衰落通道中的誤碼率性能 7. 基於擴頻的系統在高遷移率衰落環境中的誤碼率性能分析 8. 基於擴頻的系統在多用戶干擾下的誤碼率性能分析 9. 擴頻系統RGB圖像傳輸 10. 光CDMA（OCDMA）系統 • 光學正交碼 （OOC） • OCDMA系統的性能限制;同步和異步OCDMA系統的誤碼率性能

超寬頻SS系統

基於OFDM的系統

11. 使用快速傅里葉變換實現OFDM系統 12. 基於OFDM的系統的典型架構 13. OFDM系統在AWGN通道中的誤碼率性能 • 編碼速率r對誤碼率性能的影響 • 循環前綴對誤碼率性能的影響 • FFT大小和副載波間隔對BER性能的影響

14. OFDM系統在零多普勒頻移的多徑慢速瑞利衰落通道中的誤碼率性能 15. OFDM系統在多徑慢速瑞利衰落通道中的誤碼率性能（含CFO） 16. OFDM系統中的通道估計 17. OFDM系統中的頻域均衡 • 強制歸零均衡器 • MMSE均衡器 18. 基於OFDM的系統中的其他常見性能指標（峰值平均功率比、載波干擾比等） 19. 基於OFDM的系統在高遷移率衰落環境中的性能分析（作為由三篇論文組成的模擬專案） 20. 論文（1）：載波間干擾抑制 21. 論文（2）：MIMO-OFDM系統

優化 MATLAB 模擬專案

本部分的目的是學習如何構建和優化 MATLAB 模擬專案，以簡化和組織整個模擬過程。此外，還考慮了記憶體空間和處理速度，以避免在有限的存儲系統中出現記憶體溢出問題或因處理緩慢而導致的運行時間過長。

1. 小型模擬專案的典型結構 2. 提取模擬參數和理論到模擬映射 3. 構建模擬專案 4. 蒙特卡羅模擬技術 5. 測試模擬專案的典型程式 6. 記憶體空間 Management 和模擬時間縮減技術 • 基帶與通帶模擬 • 計算截斷任意脈衝形狀的適當脈衝寬度 • 計算每個符號的足夠樣本數量 • 計算測試系統所需和足夠的位數

GUI程式設計

擁有無需調試的 MATLAB 代碼並正常工作以產生正確的結果是一項了不起的成就。但是，模擬專案中的一組關鍵參數控制著 出於這個原因以及更多原因，我們額外講授了“圖形使用者介面 （GUI） Programming”，以便讓您隨時掌握對模擬專案各個部分的控制，而不是深入研究充滿命令的長原始程式碼。此外，使用 GUI 遮罩 MATLAB 代碼有助於以一種便於在一個主視窗中合併多個結果並更輕鬆地比較數據的方式展示您的工作。

1. 什麼是 MATLAB GUI 2. MATLAB GUI功能文件的結構 3. 主要 GUI 元件（重要屬性和值） 4. 局部變數和全域變數

注意：本課程每個級別涵蓋的主題包括但不限於每個級別中所述的主題。此外，每個特定講座的專案可能會根據學習者的需求和他們的研究興趣而變化。