使用MATLAB進行無線通信系統仿真（Shehata博士）培訓

本課程的成果

完成本課程後，學員應能攻克通信工程領域許多目前未解決的研究問題，因為他們應該至少獲得以下技能：

• 映射和操縱在通信工程文獻中經常出現的複雜數學表達式
• 能夠使用MATLAB提供的編程功能來重現其他論文的仿真結果，或至少接近這些結果。
• 創建自擬想法的仿真模型。
• 有效地運用所獲得的仿真技能，結合MATLAB強大功能，在代碼運行時間上進行優化，同時節省內存空間，設計優化的MATLAB代碼。
• 識別給定通信系統的關鍵仿真參數，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

本課程提供的材料具有極強的關聯性。不建議學員參加某一級別的課程，除非他們參加並深入理解其前一個級別的課程，以確保獲取的知識的連續性。課程分為三個級別，從介紹MATLAB編程開始，直到完整的系統仿真水平，如下所示。

使用MATLAB的通信數學
第01-06節

完成此部分後，學員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；誤碼率圖、天線輻射方向圖……等。

基本概念

• 仿真的概念
• 仿真在通信工程中的重要性
• MATLAB作為仿真環境
• 關於通信數學中標量信號的矩陣和向量表示
• MATLAB中復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
• 區間定義
• 線性空間
• 對數空間
• 變量命名規則

特殊矩陣

• ones矩陣
• zeros矩陣
• 單位矩陣

元素級和矩陣級操作

• 訪問特定元素
• 修改元素
• 選擇性刪除元素（矩陣截斷）
• 添加元素、向量或矩陣（矩陣拼接）
• 查找向量或矩陣中元素的索引
• 矩陣重塑
• 矩陣截斷
• 矩陣拼接
• 從左到右和從右到左翻轉

一元矩陣運算符

• Sum運算符
• 期望運算符
• 最小值運算符
• 最大值運算符
• 跡運算符
• 矩陣行列式 |.|​
• 矩陣逆
• 矩陣轉置
• 矩陣赫爾米特

二元矩陣操作

• 算術操作
• 關係操作
• 邏輯操作

MATLAB中的複數

• 帶通信號的復基帶表示和RF上變頻，數學回顧
• 形成複變量、向量和矩陣
• 復指數
• 實部運算符
• 虛部運算符
• 共軛運算符 (.)*
• 絕對值運算符 |.|​
• 幅角或相位運算符

MATLAB內置函數

• 向量的向量和矩陣的矩陣
• ​平方根函數
• 符號函數
• “四捨五入”函數
• “最近下整數函數”
• “最近上整數函數”
• 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 (.)
• 伽馬函數
• 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

• 連續時間-連續幅度信號的視覺表示
• 臺階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

• dB-十倍頻程圖（誤碼率）
• 十倍頻程-dB圖（波特圖，頻率響應，信號譜）
• 十倍頻程-十倍頻程圖
• dB-線性圖

2D極坐標圖

• （平面天線輻射方向圖）

3D圖

• 3D輻射方向圖
• 笛卡爾參數圖

選修章節（根據學員需求提供）

• 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，多維求和運算符

輸入和輸出顯示命令

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

信號和系統操作
第07-14節

本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
• 集成許多基本信號操作，以實現單個通信處理功能，例如發射端的編碼器、隨機化器、交織器、擴展碼生成器……等，以及接收端的相應部件。
• 正確互連這些塊以實現通信功能
• 確定性、統計和半隨機室內外窄帶通道模型的仿真

生成通信測試信號

• 生成隨機二進制序列
• 生成隨機整數序列
• 導入和讀取文本文件
• 讀取和播放音頻文件
• 導入和導出圖像
• 作為3D矩陣的圖像
• RGB到灰度轉換
• 2D灰度圖像的串行比特流
• 圖像信號的分割和重建

信號調整和操作

• 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、左和右循環時間移位）
• 測量信號能量
• 能量和功率歸一化
• 能量和功率縮放
• 串行到並行和並行到串行轉換
• 多路復用和多路解復用

模擬信號的數位化

• 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
• 脈衝成形
• 計算適當的脈衝寬度
• 選擇每個脈衝的樣本數
• 使用conv和filter命令進行卷積
• 有限時間信號的自相關和互相關
• 快速傅裡葉變換（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

• 隨機化器和去隨機化器
• ​打孔器和去打孔器
• 編碼器和解碼器
• 交織器和去交織器

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

通道建模和仿真

• 對發送信號的通道效應進行數學建模
  • 加法 – 加性高斯白噪聲（AWGN）通道
  • 時域乘法 – 慢衰落通道，車輛通道中的多普勒移
  • 頻域乘法 – 頻率選擇性衰落通道
  • 時域卷積 – 通道衝激響應

確定性通道模型示例

• 自由空間路徑損耗和依賴環境的路徑損耗
• 週期性阻塞通道

常見穩態和準穩態多徑衰落通道的統計特徵

• 生成均勻分布的隨機變量
• 生成實值高斯分布隨機變量
• 生成復高斯分布隨機變量
• 生成瑞利分布隨機變量
• 生成米氏分布隨機變量
• 生成對數正態分布隨機變量
• 生成任意分布隨機變量
• 通過直方圖近似隨機變量的未知概率密度函數（PDF）
• 數值計算隨機變量的累積分布函數（CDF）
• 實和復加性高斯白噪聲（AWGN）通道

通過其功率延遲特徵對通道進行特徵化

• 通過其功率延遲特徵對通道進行特徵化
• PDP的功率歸一化
• 從PDP中提取通道衝激響應
• 以任意採樣率對通道衝激響應進行採樣，不匹配採樣和延遲
• 量化
• 窄帶通道衝激響應不匹配採樣的問題
• 以任意採樣率對PDP進行採樣和分數延遲補償
• 實現若干IEEE標準化的室內外通道模型
• （COST – SUI - 超寬帶通道模型……等）

實用通信系統的鏈路級仿真
第15-24節

本課程部分涉及對研究學員來說最重要的問題，即如何通过仿真重現其他已發表論文的仿真結果。

基帶數字調製方案的誤碼率性能

• ​在不同AWGN通道中比較不同基帶數字調製方案的性能（通過仿真進行綜合比較研究以驗證理論表達式）；散點圖，誤碼率
• 在不同穩態和準穩態衰落通道中比較不同基帶數字調製方案的性能；散點圖，誤碼率（通過仿真進行綜合比較研究以驗證理論表達式）
• 多普勒移通道對基帶數字調製方案性能的影響；散點圖，誤碼率
• 直升機對衛星通信
  • 論文 (1)：低成本實時語音和數據系統用於航空移動衛星服務（AMSS） – 問題陳述和分析
  • 論文 (2)：具有準確AFC的預檢測時間分集組合用於直升機衛星通信 – 第一個提出的解決方案
  • 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

擴頻系統的仿真

• 基於擴頻系統的典型架構
• 直接序列擴頻基於系統
• 偽隨機二進制序列（PBRS）生成器
  • 生成最大長度序列
  • 生成金代碼
  • 生成沃爾什代碼
• 時間跳頻擴頻基於系統
• 在AWGN通道中基於擴頻系統的誤碼率性能
  • 編碼率r對誤碼率性能的影響
  • 代碼長度對誤碼率性能的影響
• 在多徑慢瑞利衰落通道中，零多普勒移下基於擴頻系統的誤碼率性能
• 在高移動性衰落環境中基於擴頻系統的誤碼率性能分析
• 在多用戶干擾存在下基於擴頻系統的誤碼率性能分析
• 通過擴頻系統傳輸RGB圖像
• 光碼分多址（OCDMA）系統
  • 光正交代碼（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

• 使用快速傅裡葉變換實現OFDM系統
• 基於OFDM系統的典型架構
• 在AWGN通道中OFDM系統的誤碼率性能
  • 編碼率r對誤碼率性能的影響
  • 循環前綴對誤碼率性能的影響
  • FFT大小和子載波間隔對誤碼率性能的影響
• 在多徑慢瑞利衰落通道中，零多普勒移下OFDM系統的誤碼率性能
• 在多徑慢瑞利衰落通道中，具有CFO的OFDM系統的誤碼率性能
• OFDM系統中的通道估計
• OFDM系統中的頻域均衡
  • 迫零均衡器
  • MMSE均衡器
• 基於OFDM系統的其他常見性能指標（峰均功率比，載波干擾比……等）
• 在高移動性衰落環境中基於OFDM系統的性能分析（作為由三篇論文組成的仿真項目）
  • 論文 (1)：載波間干擾緩解
  • 論文 (2)：MIMO-OFDM系統

優化MATLAB仿真項目

本部分的目的是學習如何構建和優化MATLAB仿真項目，以簡化和組織整體仿真過程。此外，還考慮了內存空間和處理速度，以避免在有限存儲系統中出現內存溢出問題，或由於處理緩慢而導致的長時間運行。

• 小規模仿真項目的典型結構
• 提取仿真參數和從理論到仿真的映射
• 構建仿真項目
• 蒙特卡洛仿真技術
• 測試仿真項目的典型程序
• 內存空間管理和減少仿真時間技術
  • 基帶與帶通仿真
  • 計算截斷任意脈衝形狀的適當脈衝寬度
  • 計算每個符號的適當樣本數
  • 計算測試系統所需的必要和充分比特數

GUI編程

擁有一無bug且運行正確以產生正確結果的MATLAB代碼是一項偉大的成就。然而，仿真項目中的一組關鍵參數控制了為此，並且還有更多原因，提供了一節關於“圖形用戶界面（GUI）編程”的額外講座，以便在您的指尖上控制仿真項目的各個部分，而不是潛入充滿命令的長源代碼中。此外，通過GUI掩蓋MATLAB代碼有助於以一種方式呈現您的工作，從而更容易將多個結果組合到一個主窗口中，並更容易比較數據。

• 什麼是MATLAB GUI
• MATLAB GUI函數文件的結構
• 主要GUI組件（重要屬性和值）
• 局部和全局變量

注意：本課程每個級別涵蓋的主題包括但不限於每個級別所述的那些。此外，每個特定講座的項目根據學員的需求和他們的研究所興趣而變化。