使用 MATLAB 仿真無線通信系統 (Dr Shehata)培訓

本課程的學習成果

在完成本課程後，學生應能夠應對通信工程領域許多目前公開的研究問題，因為他/她應至少獲得以下技能：

• 映射和操作在通信工程文獻中頻繁出現的複雜數學表達式
• 使用 MATLAB 提供的編程能力來重現其他論文的仿真結果，或至少接近這些結果的能力。
• 創建自己提出的想法的仿真模型。
• 高效地運用獲得的仿真技能，並結合強大的 MATLAB 功能來設計優化的 MATLAB 代碼，在優代碼運行時間的同時節省內存空間。
• 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

本課程提供的材料高度相關。不建議學生跳級學習，除非他/她已經深入理解並完成了其前一個層級的內容，以確保所獲知識的連貫性。該課程分為三個層級，從 MATLAB 編程的介紹開始，直到完整的系統仿真級別，如下所示。

通信數學與 MATLAB
課程 01-06

在完成這部分之後，學生將能夠評估複雜的數學表達式，並輕鬆構建用於不同數據表示的適當圖表，例如時域和頻域圖；誤比特率（BER）圖、天線輻射模式……等。

基礎概念

• 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 中復數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
• 手動輸入矩陣
• 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
• identity 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（矩陣連接）
• 查找向量或矩陣中元素的索引
• 矩陣重塑
• 矩陣截斷
• 矩陣連接
• 從左到右和從右到左翻轉

單元矩陣運算符

• Sum 運算符
• 期望運算符
• Min 運算符
• Max 運算符
• Trace 運算符
• 矩陣行列式 |.|
• 矩陣逆
• 矩陣轉置
• 矩陣 Hermitian

二元矩陣操作

• 算術操作
• 關係操作
• 邏輯操作

MATLAB 中的復數

• 通帶信號的復數基帶表示和 RF 上頻轉換，數學複習
• 形成復數變量、向量和矩陣
• 復數指數
• 實部運算符
• 虛部運算符
• 共軛運算符 (.)*
• 絕對值運算符 |.|
• 參數或相位運算符

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
• “四捨五入到整數”函數
• “向下取整到最近整數”函數
• “向上取整到最近整數”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
• Bessel 函數 Jo (.)
• Gamma 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

線性尺度圖表

• 連續時間-連續幅度信號的視覺表示
• 樓梯狀近似信號的視覺表示
• 離散時間 - 離散幅度信號的視覺表示

對數尺度圖表

• dB-十進制圖表 (BER)
• 十進制-dB 圖表 (Bode 圖表，頻響，信號光譜)
• 十進制-十進制圖表
• dB-線性圖表

2D 極座標圖表

• (平面天線輻射模式)

3D 圖表

• 3D 輻射模式
• 笛卡爾參數圖表

選修章節（根據學員需求提供）

• MATLAB 中的符號微分和數值差分
• 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

信號與系統操作
課程 07-14

這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
• 整合許多基本的信號操作，可以集成以實現單個通信處理功能，例如發射機端的編碼器、隨機化器、交織器、擴頻碼生成器 …等，以及接收機端的相應功能。
• 正確互連這些模塊以實現通信功能
• 確定性、統計和半隨機室內和室外窄帶信道模型的仿真

通信測試信號的生成

• 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
• 圖像作為 3D 矩陣
• RGB 到灰度轉換
• 2D 灰度圖像的串行位流
• 圖像信號的子幀化和重構

信號調節和操作

• 幅度縮放（增益、衰減、幅度歸一化…等）
• 直流電平偏移
• 時間縮放（時間壓縮、稀疏化）
• 時間偏移（時間延遲、時間提前、左右循環時間偏移）
• 測量信號能量
• 能量和功率歸一化
• 能量和功率縮放
• 串行到并行和并行到串行轉換
• 復用和復用解調

模擬信號的數字化

• 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的轉換
• 脈衝整形
• 計算合適的脈衝寬度
• 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
• 快速傅里葉變換 (FFT) 和逆快速傅里葉變換 (IFFT) 操作
• 查看基帶信號光譜
• 採樣率和適當頻帶窗口的影響
• 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

調制器和解調器

• MATLAB 中的數字基帶調制方案
• 數字調制信號的視覺表示

信道建模和仿真

• 信道對發射信號影響的數學建模
  • 添加 – 加性高斯白噪聲 (AWGN) 信道
  • 時域乘法 – 慢衰落信道，車道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 – 信道衝激響應

確定性信道模型的範例

• 自由空間路徑損耗和環境依賴路徑損耗
• 週期性阻塞信道

常見靜態和準靜態多徑衰落信道的統計特徵

• 生成均勻分佈的隨機變量 (RV)
• 生成實值高斯分佈的隨機變量 (RV)
• 生成復數高斯分佈的隨機變量 (RV)
• 生成瑞利分佈的隨機變量 (RV)
• 生成 Rice 分佈的隨機變量 (RV)
• 生成對數正態分佈的隨機變量 (RV)
• 生成任意分佈的隨機變量 (RV)
• 通過直方圖近似隨機變量 (RV) 的未知概率密度函數 (PDF)
• 數值計算隨機變量 (RV) 的累積分佈函數 (CDF)
• 實值和復數加性高斯白噪聲 (AWGN) 信道

通過其功率延遲譜進行信道特徵化

• 通過其功率延遲譜進行信道特徵化
• PDP 的功率歸一化
• 從 PDP 中提取信道衝激響應
• 通過任意採樣率對信道衝激響應進行採樣，不匹配的採樣和延遲
• 量化
• 窄帶信道衝激響應採樣不匹配的問題
• 通過任意採樣率和分數延遲補償對 PDP 進行採樣
• 實現多個 IEEE 標準室內和室外信道模型
• (COST – SUI - 超寬帶信道模型…等)

實際通信系統的鏈路級仿真
課程 15-24

本課程的這部分涉及對研究學生來說最重要的問題，即如何通過仿真重現其他已發表論文的仿真結果。

基帶數字調制方案的誤比特率性能

• 不同基帶數字調制方案在 AWGN 信道中的性能比較（通過仿真進行綜合比較研究以驗證理論表達式）；散點圖，誤比特率
• 不同基帶數字調制方案在不同靜態和準靜態衰落信道中的性能比較；散點圖，誤比特率（通過仿真進行綜合比較研究以驗證理論表達式）
• 多普勒偏移信道對基帶數字調制方案性能的影響；散點圖，誤比特率
• 直升機到衛星通信
  • 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
  • 論文 (3)：一種用於直升機-衛星通信的自適應調制方案 – 性能改進方法

擴頻系統的仿真

• 基於擴頻的系統的典型架構
• 基於直接序列擴頻的系統
• 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
• 基於時間跳頻擴頻的系統
• 基於擴頻的系統在 AWGN 信道中的誤比特率性能
  • 編碼率 r 對 BER 性能的影響
  • 代碼長度對 BER 性能的影響
• 基於擴頻的系統在零多普勒偏移多徑慢瑞利衰落信道中的誤比特率性能
• 基於擴頻的系統在高移動性衰落環境中的誤比特率性能分析
• 基於擴頻的系統在存在多用戶干擾時的誤比特率性能分析
• 通過擴頻系統的 RGB 圖像傳輸
• 光碼分多址 (OCDMA) 系統
  • 光正交碼 (OOC)
  • OCDMA 系統的性能限制；同步和異步 OCDMA 系統的誤比特率性能

超寬帶 SS 系統

OFDM 系統

• 使用快速傅里葉變換實現 OFDM 系統
• OFDM 系統的典型架構
• OFDM 系統在 AWGN 信道中的誤比特率性能
  • 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
• OFDM 系統在零多普勒偏移多徑慢瑞利衰落信道中的誤比特率性能
• OFDM 系統在多徑慢瑞利衰落信道中伴隨 CFO 的誤比特率性能
• OFDM 系統中的信道估計
• OFDM 系統中的頻域均衡
  • 迫零均衡器
  • MMSE 均衡器
• OFDM 系統的其他常見性能指標 (峰均功率比，載波干擾比…等)
• OFDM 系統在高移動性衰落環境中的性能分析（作為由三篇論文組成的仿真項目）
  • 論文 (1)：載波間干擾抑制
  • 論文 (2)：MIMO-OFDM 系統

MATLAB 仿真項目的優化

這部分旨在學習如何構建和優化 MATLAB 仿真項目，以簡化和組織整個仿真過程。此外，還考慮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，或因處理速度慢而導致的長運行時間。

• 小規模仿真項目的典型結構
• 提取仿真參數和理論到仿真的映射
• 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
• 內存空間管理和仿真時間縮短技術
  • 基帶 vs. 通帶仿真
  • 計算截斷任意脈衝形狀的合適脈衝寬度
  • 計算每個符號的合適樣本數
  • 計算測試系統所需和足夠的位數

GUI 編程

擁有一個沒有調試錯誤並且能正確運行以產生正確結果的 MATLAB 代碼是一個巨大的成就。然而，仿真項目中一組關鍵參數控制了。出於這個原因以及更多原因，額外提供了一節關於“圖形用戶界面 (GUI) 編程”的課程，以便將對仿真項目各部分的控制置於 fingertips，而不是深入充滿命令的長源代碼中。此外，通過 GUI 掩蓋 MATLAB 代碼有助於以一種促進在一個主窗口中結合多種結果的方式呈現工作，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：本課程每個層級涵蓋的主題包括但不限於每個層級中所述的那些。此外，每個特定 lecture 的項目可能根據學員的需求和他們的研究興趣而變化。