使用MATLAB模擬無線通信系統(Shehata博士)培訓

• 本課程成果
完成本課程後，學生應有能力應對通信工程領域當前許多開放的研究問題，因為他們應掌握以下技能：

• 映射和操縱通信工程文獻中經常出現的複雜數學表達式

• 能夠利用MATLAB提供的編程能力，複製其他文獻的模擬結果，或至少接近這些結果。

• 建立自擬想法的模擬模型。

• 有效結合已獲得的模擬技能與MATLAB的強大能力，設計在代碼運行時間上優化並節省記憶體空間的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

本課程提供的材料相互關聯度極高。建議學生在參加某一個級別之前，必須參加並深入理解其前一級別，以確保知識的連續性。該課程分為三個級別，從MATLAB編程入門開始，直到完整的系統模擬級別，如下所示。

第一級：使用MATLAB的通信數學
課程01-06

完成本部分後，學生將能夠評估複雜的數學表達式，並輕鬆構建不同數據表示的適當圖形，例如時間和頻域圖、誤碼率圖、天線輻射圖案等。

基本概念

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

MATLAB桌面

6. 工具欄
7. 命令窗口
8. 工作空間
9. 歷史記錄

變量、向量和矩陣聲明

10. MATLAB預定義常量
11. 用戶定義變量
12. 數組、向量和矩陣
13. 手動輸入矩陣
14. 間隔定義
15. 線性空間
16. 對數空間
17. 變量命名規則

特殊矩陣

18. 全1矩陣
19. 全0矩陣
20. 單位矩陣

逐元素和矩陣運算

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

一元矩陣運算符

30. 求和運算符
31. 期望運算符
32. 最小值運算符
33. 最大值運算符
34. 迹運算符
35. 矩陣行列式 |.|
36. 矩陣逆
37. 矩陣轉置
38. 矩陣共軛
39. ...等

二元矩陣操作

40. 算術運算
41. 關係運算
42. 邏輯運算

MATLAB中的複數

43. 帶通信號的復數基帶表示和RF上變換，數學回顧
44. 構建複數變量、向量和矩陣
45. 複指數函數
46. 實部運算符
47. 虛部運算符
48. 共軛運算符 (.)*
49. 模運算符 |.|
50. 參數或相位運算符

MATLAB內置函數

51. 向量向量和矩陣的矩陣
52. 平方根函數
53. 符號函數
54. “四捨五入到整數”函數
55. “最近較低整數函數”
56. “最近較高整數函數”
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. Bessel函數 Jo (.）
64. Gamma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-連續幅度信號的可視化表示
72. 階梯近似信號的可視化表示
73. 離散時間-離散幅度信號的可視化表示

對數比例圖

74. dB-十倍頻程圖（誤碼率）
75. 十倍頻程-dB圖（波德圖、頻率響應、信號譜）
76. 十倍頻程-十倍頻程圖
77. dB-線性圖

二極坐標圖
78. （平面天線輻射圖案）

三維圖

79. 3D輻射圖案
80. 笛卡爾參數圖

可選章節（根據學習者的需求提供）

81. MATLAB中的符號微分和數值差分
82. MATLAB中的符號和數值積分
83. MATLAB幫助文檔

MATLAB文件

84. MATLAB腳本文件
85. MATLAB函數文件
86. MATLAB數據文件
87. 局部變量和全局變量

MATLA中的循環、條件流程控制和決策

88. for end循環
89. while end循環
90. if end條件
91. if else end條件
92. switch case end語句
93. 迭代、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msgbox

第二級：信號和系統操作（24小時）
課程07-14

本部分的主要目標如下：

• 生成隨機測試信號，這些信號對於測試不同通信系統的性能是必要的

• 整合許多基本信號操作，這些操作可以整合以實現單個通信處理功能，如發射端的編碼器、隨機化器、交織器、擴頻碼生成器等，以及接收端對應的部分。

• 正確連接這些模塊以實現通信功能

• 模擬確定性、統計性和半隨機室內外窄帶信道模型

通信測試信號的生成

98. 生成隨機二進制序列
99. 生成隨機整數序列
100. 導入和讀取文本文件
101. 讀取和播放音頻文件
102. 導入和導出圖像
103. 圖像作為3D矩陣
104. RGB到灰度轉換
105. 2D灰度圖像的串行比特流
106. 圖像信號的分幀和重建

信號調節和操縱

107. 幅度縮放（增益、衰減、幅度歸一化...等）
108. 直流電平移位
109. 時間縮放（時間壓縮、稀疏化）
110. 時間移位（時間延遲、時間提前、左右循環時間移位）
111. 測量信號能量
112. 能量和功率歸一化
113. 能量和功率縮放
114. 串並行和並串行轉換
115. 多路復用和去多路復用

模擬信號的數位化

116. MATLAB中連續時間基帶信號的時間域採樣
117. 模擬信號的幅度量化
118. 量化模擬信號的PCM編碼
119. 十進制到二進制和二進制到十進制轉換
120. 脈衝整形
121. 計算適當的脈衝寬度
122. 選擇每個脈衝的採樣點數

123. 使用conv和filter命令進行卷積
124. 時間受限信號的自相關和互相關
125. 快速傅立葉變換(FFT)和IFFT操作
126. 查看基帶信號譜
127. 採樣率影響及合適的頻率窗口
128. 卷積、相關和FFT操作之間的關係
129. 頻域濾波，僅低通濾波

輔助通信功能

130. 隨機化器和去隨機化器
131. 打孔器和去打孔器
132. 編碼器和解碼器
133. 交織器和去交織器

調製器和解調器

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

信道建模和模擬

136. 信道對傳輸信號影響的數學建模

• 加法-加性高斯白噪聲(AWGN)信道
• 時間域乘法-慢衰落信道、車輛信道的多普勒位移
• 頻域乘法-頻率選擇性衰落信道
• 時間域卷積-信道脈衝響應

確定性信道模型範例

137. 自由空間路徑損耗和環境依賴路徑損耗
138. 週期性阻塞信道

常見穩態和準穩態多徑衰落信道的統計特徵

139. 生成均勻分佈的隨機變數
140. 生成實值高斯分佈隨機變數
141. 生成複高斯分佈隨機變數
142. 生成雷利分佈隨機變數
143. 生成Ricean分佈隨機變數
144. 生成對數常態分佈隨機變數
145. 生成任意分佈隨機變數
146. 使用直方圖逼近隨機變數的未知概率密度函數(PDF)
147. 隨機變數累積分佈函數(CDF)的數值計算
148. 實值和複加性高斯白噪聲(AWGN)信道

通過功率延遲剖面進行信道特徵化

149. 通過功率延遲剖面進行信道特徵化
150. PDP的功率歸一化
151. 從PDP中提取信道脈衝響應
152. 以任意採樣率對信道脈衝響應進行採樣，不匹配採樣和延遲量化
153. 窄帶信道脈衝響應不匹配採樣的問題
154. 以任意採樣率對PDP進行採樣並進行分數延遲補償
155. 實施多個IEEE標準化的室內外信道模型
156. （COST - SUI - 超寬帶信道模型...等）

第三級：實際通信系統的鏈路層模擬（30小時）
課程15-24

本部分課程關注研究人員最重要的問題，即如何通過模擬重現其他已發表文獻的模擬結果。

基帶數字調製方案的誤碼率性能

1. AWGN信道中不同基帶數字調製方案的性能比較（通過模擬驗證理論表達式的綜合比較研究）；散點圖、誤碼率

2. 在不同穩態和準穩態衰落信道中不同基帶數字調製方案的性能比較；散點圖、誤碼率（通過模擬驗證理論表達式的綜合比較研究）

3. 多普勒位移信道對基帶數字調製方案性能的影響；散點圖、誤碼率

直升机到衛星通信

4. 文獻(1)：用於航空移動衛星服務(AMSS)的低成本實時語音和數據系統 - 問題陈述和分析
5. 文獻(2)：帶有精確AFC的預檢測時間分集合併，用於直升機衛星通信 - 第一個提出的解決方案
6. 文獻(3)：用於直升機-衛星通信的自適應調製方案 - 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. 直接序列擴頻系統
3. 偽隨機二進制序列(PBRS)生成器
• 生成最大長度序列
• 生成Gold碼
• 生成Walsh碼

4. 時間跳躍擴頻系統
5. AWGN信道中基於擴頻系統的誤碼率性能
• 編碼率r對BER性能的影響
• 碼長對BER性能的影響

6. 零多普勒位移多徑慢雷利衰落信道中基於擴頻系統的誤碼率性能
7. 高移動性環境中基於擴頻系統的誤碼率性能分析
8. 存在多用戶干擾的情況下基於擴頻系統的誤碼率性能分析
9. 通過擴頻系統傳輸RGB圖像
10. 光CDMA (OCDMA)系統
• 光正交碼(OOC)
• OCDMA系統的性能極限；同步和非同步OCDMA系統的誤碼率性能

超寬帶SS系統

基於OFDM的系統

11. 使用快速傅立葉變換實現OFDM系統
12. 基於OFDM系統的典型架構
13. AWGN信道中OFDM系統的誤碼率性能
• 編碼率r對BER性能的影響
• 循環前綴對BER性能的影響
• FFT大小和子載波間隔對BER性能的影響

14. 零多普勒位移多徑慢雷利衰落信道中OFDM系統的誤碼率性能
15. 存在頻偏(CFO)的多徑慢雷利衰落信道中OFDM系統的誤碼率性能
16. OFDM系統中的信道估計
17. OFDM系統中的頻域均衡
• 零 forcing 均衡器
• MMSE均衡器
18. OFDM基於系統的 other Common Performance Metrics（峰值平均功率比、載波干擾比...等）
19. 高移動性衰落環境中基於OFDM系統的性能分析（作為由三篇文獻組成的模擬項目）
20. 文獻(1)：载波间干扰抑制
21. 文獻(2)：MIMO-OFDM系統

MATLAB模擬項目的優化

本部分的目標是學習如何構建和优化MATLAB模擬項目，以簡化和組織整體模擬過程。此外，還考慮記憶體空間和處理速度，以避免在存儲有限系統中出現記憶體溢出問題，或由於處理緩慢導致的長時間運行。

1. 小型模擬項目的典型結構
2. 提取模擬參數並從理論到模擬映射
3. 構建模擬項目
4. 蒙特卡羅模擬技術
5. 測試模擬項目的典型程序
6. 記憶體空間管理和模擬時間減少技術
• 基帶 vs. 帶通模擬
• 計算截斷任意脈衝形狀的適當脈衝寬度
• 計算每個符號所需的足夠採樣點數
• 計算測試系統所需和充分的比特數

GUI編程

擁有一套無錯誤且能正確產生結果的MATLAB代碼是一個巨大的成就。然而，模擬項目中的一組关键參數控制著它。出於這個原因及其他原因，額外增加了一堂關於「圖形用戶界面(GUI)編程」的課程，以便讓你輕鬆掌控模擬項目的各個部分，而不是深入充滿命令的長源代碼。此外，使用GUI遮蔽你的MATLAB代碼有助於以方便的方式呈現你的工作，促進將多個結果合併到一個主窗口中，並使數據比較變得更容易。

1. MATLAB GUI是什麼
2. MATLAB GUI函數文件的結構
3. 主要GUI組件（重要屬性和值）
4. 局部變量和全局變量

注意：本課程每個級別涵蓋的主題包括但不限於每個級別中所述的那些。此外，每個特定講座的問題項目可能會根據學習者的需求和研究興趣而變化。