使用MATLAB模擬無線通信系統（Shehata博士主講）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中眾多開放的研究問題，因為他們應至少掌握以下技能：

• 繪製和操作通信工程文獻中經常出現的複雜數學表達式

• 能夠利用MATLAB提供的編程功能，重現其他論文中的模擬結果，或至少接近這些結果。

• 為自擬構思建立模擬模型。

• 結合強大的MATLAB功能，高效運用所學模擬技能，設計在運行時間方面優化且節省內存空間的MATLAB代碼。

• 識別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

本課程提供的教材內容相互關聯緊密。不建議學生在不了解先前級別的情況下直接學習某一個級別，以確保所獲知識的連續性。課程分為三個級別，從MATLAB編程介紹開始，直至完全系統模擬層級，如下所示。

第一級：MATLAB通信數學
課節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形式的適當圖形，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. 關於通信數學中標量信號的矩陣和向量表示
5. MATLAB中復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. 工作區
9. 命令歷史

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. 區間定義
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

元素級和矩陣級操作

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（矩陣連接）
25. 查找向量或矩陣內元素的索引
26. 重塑矩陣
27. 矩陣截斷
28. 矩陣連接
29. 左右翻轉

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. 跡線運算符
35. 矩陣行列式 |.|
36. 矩陣逆
37. 矩陣轉置
38. 矩陣厄米特共軛
39. …等等

二元矩陣操作

40. 算術操作
41. 關係操作
42. 邏輯操作

MATLAB中的複數

43. 帶通信號和RF上變換的復基帶表示，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. 絕對值運算符 |.|
50. 參數或相位運算符

MATLAB內建函數

51. 向量向量和矩陣中的矩陣
52. 平方根函數
53. 符號函數
54. "四捨五入取整"函數
55. "向下取近整數"函數
56. "向上取近整數"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（波特圖，頻率響應，信號譜）
76. 十倍頻程-十倍頻程圖
77. dB-線性圖

二維極坐標圖
78. （平面天線輻射圖案）

三維圖形

79. 三維輻射圖案
80. 笛卡爾參數圖形

選修部分（根據學習者需求提供）

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

MATLO中的循環、條件流程控制及決策

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）
課節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源於必要。

• 結合多個基本信號操作，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、擴頻碼發生器等，以及接收端對應的功能。

• 正確連接這些模塊以实现通信功能

• 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. 隨機二進制序列的生成
99. 隨機整數序列的生成
100. 導入和讀取文本文件
101. 讀取並播放音頻文件
102. 導入和導出圖像
103. 作為三維矩陣的圖像
104. RGB到灰度變換
105. 二維灰度图像的串行比特流
106. 圖像信號的子幀化和重建

信號調節和操作

107. 幅度縮放（增益、衰減、幅度歸一化…等）
108. 直流電平移動
109. 時間縮放（時間壓縮、稀疏化）
110. 時間偏移（延遲、提前、左右循環時間偏移）
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. 並串轉換和串並轉換
115. 多路復用和解复用

模擬信號的數字化

116. MATLAB中連續時間基帶信號的時域采樣
117. 模擬信號的幅度量化
118. 量化模擬信號的PCM編碼
119. 十進制與二進制互轉
120. 脈衝成形
121. 計算適當的脈衝寬度
122. 選擇每個脈衝的采樣點數

123. 使用conv和filter命令進行卷積
124. 時限信號的自相關和互相關
125. 快速傅里葉變換（FFT）和逆快速傅里葉變換（IFFT）操作
126. 查看基帶信號譜
127. 采樣率及合適頻率窗口的影響
128. 卷積、相關性和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. puncturers（打孔機）和去puncturers（去打孔機）
132. 編碼器和解碼器
133. 交織器和去交織器

調制器和解調器

134. MATLAB中的數字基帶調制方案
135. 數字調制信號的可視化表示

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
• 時域乘法 - 慢衰落信道、車載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 - 信道脈衝響應

確定性信道模型的示例

137. 自由空間路徑損耗及環境依賴路徑損耗
138. 週期性阻塞信道

常見平稳和准穩態多途徑衰落信道的統計特徵描述

139. 生成均勻分布隨機變數
140. 生成實值高斯分布隨機變數
141. 生成復高斯分布隨機變數
142. 生成瑞利分布隨機變數
143. 生成賴斯分布隨機變數
144. 生成對數正態分布隨機變數
145. 生成任意分布隨機變數
146. 用直方圖近似未知隨機變數概率密度函數（PDF）
147. 計算隨機變數的累積分佈函數（CDF）的數值
148. 實值和復加性高斯白噪聲（AWGN）信道

通過功率延遲剖面進行信道特徵描述

149. 通過功率延遲剖面進行信道特徵描述
150. PDP的功率歸一化
151. 從PDP提取信道脈衝響應
152. 以任意采樣率對信道脈衝響應進行采樣，包括不匹配采樣和延遲量化
153. 窄帶信道脈衝響應不匹配采樣的問題
154. 以任意采樣率對PDP進行采樣及分數延遲補償
155. 實現多個IEEE標準化室內外信道模型
156. （COST - SUI - 超寬頻帶信道模型…等）

第三級：實際通信系統的鏈路級模擬（30小時）
課節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論文的模擬結果。

基帶數字調制方案的誤碼率性能

1. AWGN信道中不同基帶數字調制方案的性能比較（通過模擬進行全面對比研究以驗證理論表達式）；散點圖、誤碼率

2. 不同平稳和准穩態衰落信道中不同基帶數字調制方案的性能比較；散點圖、誤碼率（通過模擬進行全面對比研究以驗證理論表達式）

3. 多普勒偏移信道對基帶數字調制方案性能的影響；散點圖、誤碼率

直升機到衛星通信

4. 論文（1）：航空移動衛星服務（AMSS）的低成本實時語音和數據系統 - 問題陳述和分析
5. 論文（2）：直升机卫星通信的精確頻率補償前檢測時間分集合併 - 第一個提出的解決方案
6. 論文（3）：直升机-卫星通信的自适应調制方案 - 一種性能改進方法

擴頻系統的模擬

1. 基於扩频的典型架構
2. 直接序列扩频系統
3. 偽隨機二進制序列（PBRS）發生器
• 最大長度序列的生成
• gold碼的生成
• Walsh碼的生成

4. 時間跳躍扩频系統
5. AWGN信道中基于扩频系統的誤碼率性能
• 編碼率r對BER性能的影響
• 碼長對BER性能的影響

6. 零多普勒偏移下多途徑慢瑞利衰落信道中基于扩频系統的誤碼率性能
7. 高移動性衰落環境中基于扩频系統的誤碼率性能分析
8. 存在多用戶干擾情況下基于扩频系統的誤碼率性能分析
9. 通過扩频系統傳輸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

超寬頻帶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. 零多普勒偏移下多途徑慢瑞利衰落信道中OFDM系統的誤碼率性能
15. 存在載波頻偏（CFO）的多途徑慢瑞利衰落信道中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. 基於OFDM系統的其他常見性能指標（峯值-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（作為由三篇論文組成的模擬項目）
20. 論文（1）：載波間干擾緩解
21. 論文（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優化MATLAB模擬項目，以簡化和組織整體模擬過程。此外，還考慮內存空間和處理速度，以避免在存儲有限系統中出現內存溢出問題，或由於處理緩慢導致的長時間運行問題。

1. 小型規模模擬項目的典型結構
2. 提取模擬參數及理論到模擬的映射
3. 構建模擬項目
4. 蒙特卡洛模擬技術
5. 測試模擬項目的典型程序
6. 內存空間管理和模擬時間縮減技術
• 基帶與帶通模擬
• 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適當采樣點數
• 計算測試系統所需的足夠位數

GUI編程

擁有一套無錯誤且能正常工作以產生正確結果的MATLAB代碼是一項偉大的成就。然而，模擬項目中的一組關鍵參數對其控制至關重要。因此，額外提供一堂關於"圖形用戶界面（GUI）編程"的課程，以便讓你能夠輕鬆掌控模擬項目的各個部分，而不是鑽入充滿命令的長源代碼中。此外，使用GUI屏蔽你的MATLAB代碼有助於以簡化方式展示工作，便於在多結果的主窗口中組合多個結果，並使數據比較更容易。

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各級所述內容。此外，各個特定講課的項目可能會根據學習者的需求和研究興趣進行調整。