MATLAB仿真在现代通信中的应用
MATLAB仿真在现代通信中的应用,特别是无线通信仿真详细具体，适合无线通信研发人员使用。内容简介本书以现代无线电通信中的关键技术:扩频、跳频、OFDM、3G系统、无线接入系统以及常见无线通信系统作为对象,以 MATLAB/ Simulink作为仿真工具,对上述系统进行了仿真实验还对数字信号通过各种调制方式,发送滤波器后的频谱特性,以及应用各种差错控制方式后的传输特性给出了系列仿真实例。并对上述仿真内容进行了简单的原理性介绍,对于建模和仿真编程中出现的主要问题与注意事项做了相应敏讲解。仝书源程序附有光盘本书可作为高等学校通信专业的教学、科硏参考书,也可供管理部门作为参考资料、图书在版编目C|P)数据MATLAB仿真在现代通信中的应用徐明远,邵玉斌编著一西安:西安电子科技大学出版社,20114ISBN978-7-56062554-6Ⅰ①M…Ⅱ①徐…②邵…Ⅲ①通信系统一系统仿真一软件包, MATLABⅣ①TN914中国版本图书馆CP数据核字(2011第027693号策划臧延新责任编辑杨宗周出版发行西安电子科技大学出版社(西安市太白南路2号)电话(029)8824288588201467邮编70071网址www.xduph.com电子邮箱 xdupfxb00@163com经销新华书店印刷单位陕西天意印务有限责任公版次2011年4月第1版20ll年4月第1次印刷开本787毫米×1092毫米116印张13625数315千字印数1~2000册定价30.00元(含光盘)ISBN978-7-5606-25546/N·0594XDUP2846001-1煮如有印装问题可调换*本社图书封面为激光防伪覆膜,谨防盗版。前言近十年来,无线电技术突飞猛进,无线电事业快速发展。扩频、跳频、OFDM技术3G系统、蓝牙、IEEE802.11a、数字电视、智能天线等技术的出现,让人目不暇接。无线电成了现代文明的重要组成部分。人们在享受现代文明带来的方便与效率时,想到了应该对这些新技术和新系统多一些了解,然而,深奧的理论、复杂的技术、昂贵的设备与仪器给学习带来了不少的困难。人们在寻找与快速进步的技术相适应的学习与研究方法时,MATLAB仿真在新技术的学习与新系统的研发中成了有力的工具。应用 MATLAB的编程方法和功能模块,可以搭建各种仿真系统,还可以应用丰富的时间域、频率域、相位域的仿真测量仪器。许多新一代通信系统的系统级的仿真程序出现在 MATLAB软件的演示实例中,这使得学习的效率大为提高,对技术与系统的理解已经从概念深入到电路方案和参数选取的层面。建立和谐的电磁环境,需要了解各种无线电通信系统的特性,其中包括时间域、频率域、相位域以及传输特性。特别是它们之间的定量关系可以从仿真实例运行的结果中得到。也可以说,每个仿真实例就是一个小实验平台,实验中可以对通信的相关原理,甚至通信系统进行研究,其中的分类结果也可以作为资料备查。本书应用 MATLAB仿真工具对常见的调制方式、发送滤波器、差错控制方式以及各种通信系统(包括新一代的通信系统)的相关特性进行研究。可以运行的大量仿真实例,一方面给出了仿真的结果;另一方面还给出了部分仪表测量的结果可供比对。仿真实例大部分是作者在教学与科研实践中自行编制的,小部分是 MATLAB软件中的演示仿真实例全书分以下五部分:第一部分基础知识,包括数字调制、发送滤波器、通信信号的测量与表达。第二部分常用无线电通信系统,包括公众移动通信系统、专用移动通信系统、卫星通信系统。第三部分新技术与3G,包括扩频、跳频、OFDM以及3G系统。第四部分无线接入系统与数字电视,包括蓝牙、802.1a与数字电视。第五部分天线与射频技术,包括天线阵列、射频传输线、滤波器。书中给出了简单的原理介绍、 MATLAB仿真的系统、程序(光盘)以及程序运行结果。对编程中的主要问题与注意事项作了讲解。着重讨论了各种系统及输出信号的频谱特性。对于系统的传输特性,以及影响系统传输特性的因素,譬如调制方式、差错控制方式也进行了较系统的讨论。为了保持本书简练的篇幅,没有在书中详细介绍所有仿真系统中各个模块的参数设置,也没有将雷同的系列仿真系统的程序在书中展示。购书所附的光盘提供了书中提到的全部软件。点击模块打开对话框可以仔细研究其中每个模块的参数设置。若需要还可以将其拷贝出来后按照读者的意愿,遵循 MATLAB的相关规则更改参数后进行学习研究。本书可作为高等学校通信专业的教学、科研参考书,也可供管理部门作为参考资料。本书编写中的不妥和疏漏之处,还望读者给予指出。作者的联系方式:xumil@163com,shaoyun99@sina.com徐明远邵玉斌2011年1月说明1.用 MATLAB m文件编写的程序序号在本书中是这样表示的:比如程序35表示第3章的序号为5的程序。在 MATLAB软件中用CHX35表示。2. MATLAB/Simulink程序在本书及 MATLAB软件中都用SCHX3_10表示(第3章的序号为10的程序),该仿真系统框图在本书中用图3-10表示。3.本书的程序可运行在 MATLAB2008B版本目录第一部分基础知识第1章数字调制1.1非连续相位的角度调制31.1.1FSK信号的仿真1.1.2PSK信号的仿真1412连续相位的角度调制.1.3正交幅度调制29第2章发送滤波器,·,2.1概论322.2升余弦脉冲滤波器.332.3平方根升余弦滤波器4124高斯滤波器…46第3章通信信号的测量与表达3.1通信仿真中常用的信号测量模块3.1.1 Simulink基本模块中的 Sinks子库简介,,,,,,,,,,,,,,,,,513.12 Simulink通信工具箱中的 Comm sinks子库简介….52313 Simulink信号处理工具箱中的 Signal Processing Sinks子库简介533.2信号的测量…623.21窄带随机信号的产生和波形测量3.2.2各种信号的表示和测量633.3差错控制传输特性的测量与表达72331线性码……1733.32循环码.753.33里德-索洛蒙码773.34卷积码335汉明码3.3.6BCH码3.37循环冗余码8534信号统计参数的测量.…863.4.1统计模块库86342概率密度函数873.4.3瑞利衰落信道的仿真测试……344图像的灰度直方图3.5图像和视频信号的测量与表达3.5.1模块库…3.52图像的读出与显示933.53图像加噪与滤波…,.,,,·943.54图像的二维变换与反变换963.5.5图像有损压缩“““第二部分常用无线电通信系统第4章公众移动通信系统1014.1公众通信系统概述…….1014.1.1最早期的移动通信系统014.1.2第1代移动通信系统….4.1.3第2代移动通信系统1024.1.4第2.5代移动通信系统……,,,,,,,1044.1.5第3代移动通信系统1064.1.6第4代移动通信系统…1084.2GSM全球移动通信系统.,,非1094.3CDPD蜂窝数字分组数据网……11144NADC北美数字蜂窝网1134.5PDC个人数字蜂窝电话144.6 CDMA IS-95码分多址通信系统1174.7CT-2第2代无绳电话系统184.8数字增强型无绳通信标准12049PHS个人手持式电话系统12第5章专用移动通信系统12451集群通信系统…12452APCO数字集群通信系统1255.3 TETRA欧洲数字集群通信系统12754THTS地面航空电话系统…129第6章卫星通信系统1316.1铱星系统.1316.2美国ICO卫星通信系统13363甚小孔径终端卫星通信系统…135第三部分新技术与3G第7章新技术…1417.1扩频1417.2多元扩频7.3跳频…14674正交多载波调制OFDM.150第8章3G系统15281 WCDMA码分多址通信系统15282CDMA2000码分多址通信系统157第四部分无线接入系统与数字电视第9章无线接入系统…91蓝牙系统 BLUE TOOTH16592无线局域网 HiperLAN216993无线局域网802.11标准,.非,,,,,,,,,,,,,,,,甲174第10章数字电视系统10.1数字电视广播系统…17910.2卫星广播系统182第五部分天线与射频技术第11章天线187111天线方向图18711.2均匀直线阵的波束扫描…11111187113均匀圆形阵的波束扫描189114非均匀直线阵的波达方向估计19211.1 Capon法194114.2 Music法195第12章射频…19612.1波导19612.2传输线19812.3滤波器205参考文献207
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基于fpga的自适应滤波器
关于自适应滤波器的fpga实现，对于想学数字滤波器的和fpga的同学来说非常好基于FPGA的自适应滤波器设计摘要数字滤波器较模拟滤波器相比,具有信噪比髙,过渡带性能好,髙可靠性及可扩展性,设计灵活方便的优势,应用范围越米越广。随着专用数字信号处理芯片的发展,数字滤波器的可实现性能以及处理速度得到了极大的提升,FPGA(现场可编程门阵列)作为一种新型数字信号处理芯片,具有数字信号处理速度快、数据并行处理并且利用硬件编程语言直接进行硬件设计等特点,自适应滤波器的FPGA设计以及优化方法,是目前的一个研究热点。本文对自适应滤波器进行 Matlab仿真,以对其结构特性以及运算特点进行了解,利用 Matlab生成测试信号与FPGA仿真软件 Modelsim进行联合设计以及行为仿貞,采用 Altera公司的 Cyclone IV系列芯片EP4CE15F17C8为载体的开发板进行设计仿真,在设计过程中,充分利用FPGA可以并行处理以及快速的数字信号处理的特点进行针对性的结构设计。在此基础上做了以下工作。在充分了解滤波器,自适应横向滤波器,自适应陷波滤波器以及FFT变换原理的基础上,选择并搭建∫设计平台,在目前自适应横向滤波器的FPGA设计的研究基础上,采用模块化的设计方法,单独设计可重复调用的串行FR滤波模块以及串行LMS杖值更新模块,对两种模块的设计以及综合分别进行了设计以及仿真实验,通过并行调川两种不同模块,每种调用四个的方式设计一个16阶的滤波器为例来阐述模块化设计方法,并设计32阶64阶分别与仝串行以及仝并行设计方式的处理速率以及逻辑资源调用进行比较,结果说明运算速率与并行调用模块数量成正比,远快于全串行结构的设计方式,并且对于64阶仝并行系统来说,极大的减少了硬件资源的消万方数据耗,提髙了设计灵活性。在此设计的基础上,针对传统自适应陷波滤波器的滤波频夲固定不变的缺陷,提出了一种频域变换法检测噪声特征频夲,并可以根据特征噪声频率实时改变陷波频率的滤波器设计方法,为了减小设计复杂性,研究了符号LMS自适应陷波器算法,通过 Matlab仿真实验选取符号的特征变量。并对噪声信号提取算法进行了介绍和设计仿真,最终设计出根据噪声频率自动调节陷波中心频率的自适应陷波滤波器,并对滤波器性能进行了 Modelsim仿真研究,自适应陷波器具有能有效的滤除对应频的单频噪声信号,并且根据噪声的频率特性自动调节滤波频率的特点。针对两种自适应滤波器的FPGA设计,体现了FPGA在自适应滤波器设计时灵活性以及针对性,两种不同类型的自适应滤波器,可以分别适用于普通数字滤波器无法有效发挥作用的场合,同时本文的设计方法对其它类型数字信号处理系统的FPGA实现具有一定参考价值关键词:现场可编程门阵列,自适应横向滤波器,模坎化设计,自适应陷波器万方数据DESIGN OF ADAPTIVE FILTER BASED ON FPGAABSTRaCTCompared with analog filter, digital filter has the advantages of high signalto noise ratio, good performance of transition zone, high reliability andexpansibility, flexible and convenient design and application With developmentof special digital signal processing chip, digital filter Can achieve performanceand processing speed has been greatly improved, the realization of the use of thebetter performance of digital chip design more complex filter, so that the adaptivefilter realization and application become possible, FPGA (field programmablegate array) is a new type of digital signal processing chip, with parallel processingof data and Can use hardware programming language directly the characteristicsof the hardware design, is currently a hot research topic for study of adaptive filteris implemented on FPgaThe matlab simulation of the adaptive filter to understand the characteristicsof the structure and opcration characteristics, and the use of Matlab generatingtest signals and FPGA simulation software Modelsim joint behavior simulation ofFPGa design, then to Altera cyclone Iv series chip ep4cel5f17c8 as the carrierof the development board for simulation design. in the design process, make fulluse of FPGa parallel processing and fast digital signal processing for structuraldesign On this basis, the following work has been doneThe filter needed to fully understand, adaptive transversal filter, adaptivenotch filter and Fft transform based on the principle of selection and build adesign platform, first in the basic research of current FPGA adaptive transversalfilter realization, using modular design method, the structure is divided into singleand serial FiR filter module serial LMS weight update module, the design of thetwo modules and integrated were designed, and simulation experiments, through万方数据the parallel call two different modules, each call the four way to design a 1 6 orderfilter as an example to illustrate the modular design method, and design of 32order and 64 order respectively with serial and the processing rate parallel designmethods and logic resources call were compared. The results show that theoperation rate and parallel call module is proportional to the number, far faster Inthe whole serial design mode, and for the 64 order all parallel system, greatlyimprove the design flexibility, reduce the consumption of hardware resourcesAfter the design on this basis, the traditional adaptive trapped wave filter, filterfrequency fixed defects, put forward a method of frequency domain transformdetection noise characteristic frequency, and can change in real time accordingto the characteristics of noise frequency trapped wave frequency filter designmethods, in order to reduce the design complexity and the sign LMs adaptivenotch filter algorithm, the characteristic variables of the symbol is determinedthrough the simulation experiment of Matlab. And the noise signal extractionalgorithm are introduced and the simulation design, the final design according tofrequency noise automatically adjust the trapped wave frequency adaptive notchfilter, and on the performance of the filters were Modelsim simulation researchthe adaptive notch filter has CaN effectively filter on the frequency of the singlefrequency noise signal, and does not affect the characteristics of waveforms usefulFor the fpga design of two based on the lms adaptive algorithm of filterreflecting the FPGa in the adaptive filter design flexibility and uniqueness, twodifferent types of adaptive filter can be respectively applicable to ordinarydigital filter Can not effectively play the role of occasions, also the designmethod of other types of digital signal processing system based on FPGaimplementation has a certain reference valueKEY WORDS: FPGA, Adaptive transversal filter, Modular design, Adaptivenotch filter万方数据目录摘要ABSTRACT··,··*···第·章绪论…1.1研究目的与意义1.1.1数字滤波器简介·················+··*····+··········*···:··.*····…···*········:··+*·········1.1.2基于FPGA的自适应滤波器研究意义·“中,非2国内外研究现状1.2.1自适应滤波器研究现状122自适应滤波器的FPGA实现研究现状·······申中···申1.3课题的主要研究内谷··B申61.3.1课题的主要工作1.3.2课题的研究实现方案…4本章小结第二章自适应陷波滤波器的原理以及实验平台2.自适应滤波器理论介绍·····中中·········中·中·"中··中·中····中····申2.1.1IR与FIR滤波器简介2.12LMS算法原理132.1.3自适应陷波器的原理15214FFT变换的原理··p··中··中··,和p申·和中中····中·申22设计平台介绍2022.1自适应滤波器的设计平台20222自适应陷波滤波器接2223本章小结24第三章自适应横向滤波器的FPGA实现..273.1自适应滤波器的 Matlab仿真研究…····中中中申·中申···申申p中申·中申··申p申中273.1.1自适应滤波器的功能仿真研究273.2自适应滤波器的滤波收敛性能研究方法…83.1.3自适应滤波器的收敛性能研究….30万方数据3.2自适应滤波器的FPGA模块化设计333.2.1自适应滤波器FPGA模块化设计原理333.22FIR串行模块的设计申·中p申申,申申申·申和中p申申非申·p;申p申·非申·申新申中和申p申和·申·申P申申·申申申p申p343.2.3LMS串行模块的设计35324自适应滤波器多级处理结构整体设计363.2.5结构特性分析393.3木章小结···非中中非第四章自适应陷波滤波器的FPGA设计41符号LMS算法的梯度特征值选择及系统结构设计.414.1.1符号LMS算法的梯度特征值选择4141.2FIR自适应陷波滤波器系统结构设计42噪声信号分析以及参考信号频率值提取……1464.2.1FFT变换的功能464.2.2FFT变换的参数介绍42.3 FFT IP核的调试以及功能测试……4842.4特征噪声频率提取算法.…43自适应陷波模块的设计非··申申中431自适应波器的 Matlab仿真43.2自适应陷波器FPGA设计时的数据截取方法554.3.3白适应陷波器模块的FPGA设计56434自适应陷波器的整体设计6044采用频域变换法自适应陷波器滤除工频噪声.44.1提高系统实时性的方法6144.2模拟与实验验证45木章小结·········65第五章总结与展望DD67参考文献致谢75攻读学位期间发表的学术论文目录77ⅤI万方数据太原理工大学硕上饼究生学位论文第一章绪论1.1研究目的与意义滤波器从1917年发明以米,已经有近一个世纪的发展史1,滤波器的发明也极大的推进了电了器件以及通信的发展。计算机技术以及集成电路的技术的发展又使滤波器产生飞跃式的发展,各科数字电路以及模拟开关电路元件体积越来越小,密度越来越高,直接催生了集成芯片式RC有源滤波器,开关电容滤波器以及数字滤波器。使滤波器的应用范围再一次扩大,不仅仅在通信领域,在医学,电气,图像处理等领域也起到了举足轻重的作用。1.1.1数字滤波器简介数字滤波器作为数字信号处理的一部分,是随着计算机以及数字器件的发展而发展起来的一门比较新的技术,尤其近几年来,数字处理芯片以及数字信号处理技术的发展使得数字滤波器的优点越米越突出,现代数字滤波器可以轻易实现将过渡带缩短到Iz以內,这点是模拟滤波器无法达到的性能指标。数字滤波器比模拟滤波器还有更优越的信噪比、可靠性以及灵活性和可扩展性,并且随着数字集成电路的发展,制作成本将会越来越低S。目前使用比较多的滤波器设计方法分别是无限冲击响应(IR)以及有限冲击响应(FR)波器,其屮由于FR滤波器可以很容易实现具有严格线性相位结构的滤波器,而IR滤波器要达到严格线性相位结构必须经过仝通网终线性相位矫正从而大大增加滤波器的阶数。FR滤波器由于其冲击响应有限,所以是个稳定系统。并且没有反馈环节,有利于其在使件上实现。所以FR滤波器以其独有的优势应用于线性相位结构的系统屮。近几年米,随着RLS以及LMS自适应算法的提出S,很多专家学者提出了利用自适应算法在数字系统上设计自适应滤波器,使滤波器的性能更加灵活,并且在对滤波器有特殊滤波要求的场合使用門,例如自适应陷波器常用在电气设备中滤除工频干扰而对其余频率信号几乎完全不产生影响,以及在通道失配屮采用自适应滤波原理进行矫正12,有些系统可以采用自适应算法达到抵消噪声千扰3,这些都是常规滤波器无法达万方数据基于FPGA的自适应滤波器设计到的性能指标。LMS算法以其简单的特性,可以在多和数字芯片上进行设计。尤其在FPGA上实现各种自适应滤波器14,是目前针对自适应滤波器方面的一个研究方向。1.1.2基于FPGA的自适应滤波器研究意义FIR与IR滤波器都是数字滤波器,即在数字系统上实现滤波器功能,而数字系统又分为软件数字系统实现以及硬件数字系统实现,软件数字系统实现最常用的例如使用MEATLAB或者 Labview进行编程实现15,其优点是可以自如的调节信号字长以及滤波步长,可以达到很高的精度,并且可以综合其它的处理功能为一体。缺点是接口比较单,必须接外置的采集卡,需要以计算机为载休休积往往很大。并且对信号的处理速度在相同糸件下要比硬件实现的滤波器系统要慢,并不能达到很好的实吋性,实际应用中只适用于屮、少量的数据后期分析以及对成本以及实时性要求不高的一些系统使用16。哽件芯片实现的数字滤波器实吋性要比PC杋软件好,并且硬件载体也比较多,如单片机、ARM类芯片,和专门用于数字信号处理的DSP芯片上均可以实现滤波器功能,但是其运算均为串行运算,(现场可编程门阵列)FPGA作为·种可编辑器件,不仅能实现上述所有芯片的功能,在资源配置合理的情况下,还能进行处理馍垬多重并行调用,即在个芯片上实现多个基本芯片同时处理的功能8,从而达到特别优异的数字信号处理功能,目前在图像处理等需要实时对大量数字信号进行滤波处理的领域,FPGA已经成为款不可或缺的芯片。但硬件设计数字滤波器的时候,山于数字滤波器的特殊性,在设计数字滤波器的时候,并没有现成的标准公式,这造成了很多数字滤波器并不能完全直接在硬件系统上实现,例如,FR数字滤波器,必须先利用软件工具得出FIR滤波器的各延迟抽头系数才能进行硬件设计,所以设计FIR滤波器的时候,是离不开计算机系统的,但是设计好的滤波器,可以脱离软件系统进行使用。由亍FR滤波器的本质就是一个标准的乘加运算集,恰好可以利用分布式算法实砚FIR滤波器,分布式算法的每个乘法运算屮必须有一个乘数为常数,这又与FPGA的基本逻辑单元査找表的功能相适应,利用査找表结构可以进行个常数乘数与·个变量相乘的运算,这样在实现FIR滤波器的时候,利用分布式算法,可以实现不使用或仅使用少量乘法器资源即可完成FR滤波器结构设计,FPGA的设计结构刚好与FIR滤波器的万方数据
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