Simulation of Wireless Communication Systems using MATLAB (Dr Shehata) 培训

• 课程成果
完成本课程后，学生应该能够解决通信工程领域目前悬而未决的许多研究问题，因为他/她至少应该获得以下技能：

• 映射和操作通信工程文献中经常出现的复杂数学表达式

• 能够使用 MATLAB 提供的程式设计功能来重现其他论文的模拟结果或至少接近这些结果。

• 创建自我提出的想法的类比模型。

• 有效地利用获得的模拟技能与强大的 MATLAB 功能，在代码运行时间方面设计优化的 MATLAB 代码，同时节省记忆体空间。

• 确定给定通信系统的关键模拟参数，从系统模型中提取这些参数，并研究这些参数对所考虑系统性能的影响。

• 课程结构

本课程中提供的材料具有极强的相关性。不建议学生参加某个级别，除非他/她参加并深刻理解其之前的级别，以确保所学知识的连续性。本课程分为三个级别，从 MATLAB 程式设计介绍开始，一直到如下的完整系统模拟级别。

第 1 级：Communications 数学与 MATLAB
第 01-06 节

完成这部分后，学生将能够评估复杂的数学表达式，并轻松地为不同的数据表示（如时域和频域图）构建适当的图形;BER 绘制天线辐射方向图...等。

基本概念

1. 类比的概念
2. 模拟在通信工程中的重要性
3. MATLAB 作为模拟环境
4. 关于通信数学中标量信号的矩阵和向量表示
5. Matrix 和 MATLAB 中复数基带信号的向量表示

MATLAB 桌面

6. 工具列
7. 命令视窗
8. 工作空间
9. 命令历史记录

变数、向量和矩阵声明

10. MATLAB 预定义常量
11. 使用者定义的变数
12. 阵列、向量和矩阵
13. 手动矩阵输入
14. 区间定义
15. 线性空间
16. 对数空间
17. 变数命名规则

特殊矩阵

18. ones 矩阵
19. 零矩阵
20. 单位矩阵

Element 按矩阵和按矩阵操作

21. Access 特定元素
22. 修改元素
23. 选择性消除元素（Matrix 截断）
24. 新增元素、向量或矩阵（Matrix 连接）
25. 求向量或矩阵内元素的索引
26. Matrix 重塑
27. Matrix 截断
28. Matrix 串联
29. 从左到右和从右到左翻转

一元矩阵运算子

30. Sum 运算符
31. 期望运算符
32. 最小运算符
33. Max 运算符
34. trace 运算符
35. Matrix 行列式 |.|
36. Matrix 逆
37. Matrix 移调
38. Matrix 埃尔米特
39. …等

二进位矩阵运算

40. 算术运算
41. 关系操作
42. 逻辑运算

MATLAB 中的复数

43. 通带信号和 RF 上变频的复杂基带表示，数学综述
44. 形成复变数、向量和矩阵
45. 复指数
46. 真正的零件操作员
47. 虚部运算符
48. 共轭运算子 （.）*
49. 绝对运算子 |.|
50. 参数或相位运算元

MATLAB 内置函数

51. 向量的向量和矩阵的矩阵
52. 平方根函数
53. 符号功能
54. “四舍五入整数”函数
55. “最接近的低整数函数”
56. “最近的高整数函数”
57. 阶乘函数
58. 对数函数 （exp， ln，log10，log2）
59. 三角函数
60. 双曲函数
61. Q（.） 函数
62. erfc（.） 函数
63. 贝塞尔函数 Jo （.）
64. Gamma 函数
65. Diff、mod 命令

MATLAB 中的多项式

66. MATLAB 中的多项式
67. 有理函数
68. 多项式导数
69. 多项式积分
70. 多项式乘法

线性刻度图

71. 连续时间-连续振幅信号的视觉表示
72. 楼梯案例近似信号的视觉表示
73. 离散时间的视觉表示 – 离散振幅信号

对数刻度图

74. dB 十进制图 （BER）
75. 十倍频程 dB 图（波特图、频率响应、信号频谱）
76. 十年-十年情节
77. dB 线性图

2D 极座标图
78. （平面天线辐射方向图）

3D 绘图

79. 3D辐射模式
80. 笛卡尔参数图

选择部分（根据学习者的要求提供）

81. MATLAB 中的符号微分和数值差分
82. MATLAB 中的符号和数值积分
83. MATLAB 帮助和文档

MATLAB 个档

84. MATLAB 脚本档
85. MATLAB 函数档
86. MATLAB 资料档
87. 局部和全域变数

循环、条件、流控制和决策 MATLAB

88. for 结束回圈
89. while 结束回圈
90. if 结束条件
91. if else 结束条件
92. switch case 结束语句
93. 反复运算、收敛误差、多维求和运算符

输入和输出显示命令

94. input（' '） 命令
95. disp 命令
96. fprintf 命令
97. 消息框 msgbox

第 2 级：信号和系统操作（24 小时）
第 07-14 节

这部分的主要目标如下

• 产生测试不同通信系统性能所需的随机测试信号

• 集成许多基本信号操作，可以集成实现单个通信处理功能，如编码器、随机化器、交织器、扩频码发生器......等，以及它们在接收终端的对应物。

• 正确互连这些模组以实现通信功能

• 模拟确定性、统计和半随机室内和室外窄带通道模型

生成通信测试信号

98. 随机二进位序列的生成
99. 生成随机整数序列
100. 汇入和读取文字档
101. 音讯档的读取和播放
102. 汇入和汇出影像
103. 3D 矩阵的图像
104. RGB 到灰度的转换
105. 2D 灰度图像的串行比特流
106. 图像信号的子帧和重建

信号调节和操纵

107. 振幅缩放（增益、衰减、振幅归一化......等）
108. 直流电平转换
109. 时间缩放 （时间压缩、稀疏）
110. 时移（时间延迟、时间提前、左右圆时移）
111. 测量信号能量
112. 能源和电力正常化
113. 能量和功率缩放
114. 串行到并行和并行到串行转换
115. 多路复用和解复用

类比信号的数位化

116. MATLAB 中连续时基带信号的时域采样
117. 类比信号的幅度量化
118. 量化模拟信号的 PCM 编码
119. 十进位到二进位和二进位到十进位的转换
120. 脉冲整形
121. 计算足够的脉冲宽度
122. 选择每个脉冲的样本数

123. 使用 conv 和 filter 命令进行卷积
124. 限时信号的自相关和互相关
125. 快速傅里叶变换 （FFT） 和 IFFT 运算
126. 查看基带信号频谱
127. 采样率和适当频率窗口的影响
128. 卷积、相关性和 FFT 运算之间的关系
129. 频域滤波，仅低通滤波

辅助 Communications 功能

130. 随机化器和去随机化器
131. 穿刺器和去穿刺器
132. 编码器和解码器
133. 交织器和去交织器

调制器和解调器

134. MATLAB 中的数字基带调制方案
135. 数位调制信号的可视化表示

通道建模和模拟

136. Mathematical 通道效应对传输信号的建模

• 添加 – 加性高斯白杂讯 （AWGN） 通道
• 时域倍增 – 缓慢衰落通道、车辆通道中的多普勒频移
• 频域倍增 – 频率选择性衰落通道
• 时域卷积 – 通道脉冲回应

确定性通道模型示例

137. 自由空间路径损耗和环境相关路径损耗
138. 周期性堵塞通道

常见稳态和准稳态多径衰落通道的统计表征

139. 生成均匀分布的 RV
140. 生成实值高斯分散式 RV
141. 复杂高斯分散式 RV 的生成
142. Rayleigh 分散式 RV 的生成
143. Ricean 分散式 RV 的生成
144. 对数正态分布 RV 的生成
145. 生成任意分散式 RV
146. 通过直方图近似 RV 的未知概率密度函数 （PDF）
147. RV 累积分布函数 （CDF） 的数值计算
148. 实数和复数加性高斯白杂讯 （AWGN） 通道

通过其Power Delay 配置档进行通道特性分析

149. 通过其功率延迟曲线进行通道表征
150. PDP 的电源规范化
151. 从 PDP 中提取通道脉冲回应
152. 通过任意采样率、不匹配采样和延迟量化对通道脉冲响应进行采样
153. 窄带通道的通道脉冲响应采样不匹配的问题
154. 通过任意采样率和分数延迟补偿对 PDP 进行采样
155. 实现多个 IEEE 标准化室内和室外通道模型
156. （成本 - SUI - 超宽带频道型号...等）

第 3 级：实际通讯系统的连结级类比（30 小时）
第 15-24 节

这部分课程关注的是研究生最重要的问题，即如何通过模拟再现其他已发表论文的模拟结果。

基带数字调制方案的误码率性能

1. AWGN 通道中不同基带数位调制方案的性能比较（通过模拟进行综合对比研究，验证理论表达式）;散点图，误码率

2. 不同基带数位调制方案在不同稳态和准稳态衰落通道下的性能比较;散点图、误码率（通过模拟进行综合比较研究以验证理论表达式）

3. 多普勒频移通道对基带数字调制方案性能的影响;散点图，误码率

直升机到卫星 Communications

4. 论文 （1）：用于航空移动卫星服务 （AMSS） 的低成本即时语音和数据系统 – 问题陈述和分析
5. 论文 （2）：直升机卫星 Communications 的预检测时间分集与精确 AFC 相结合 – 第一个提出的解决方案
6. 论文 （3）：直升机卫星的自适应调制方案 Communications – 一种性能改进方法

扩频系统模拟

1. 基于扩频的系统的典型架构
2. 基于直接序列扩频的系统
3. 伪随机二进位序列 （PBRS） 产生器
• 生成最大长度序列
• 生成黄金代码
• 生成 Walsh 码

4. 基于时间跳跃扩频的系统
5. AWGN 通道中基于扩频的系统的错误率性能
• 编码率 r 对 BER 性能的影响
• 码长对 BER 性能的影响

6. 基于扩频的系统在多径零多普勒频移慢瑞利衰落通道中的误码率性能
7. 高迁移率衰落环境下基于扩频的系统误码率性能分析
8. 存在多使用者干扰的情况下基于扩频的系统的错误率性能分析
9. 通过扩频系统传输 RGB 影像
10. 光学 CDMA （OCDMA） 系统
• 光学正交码 （OOC）
• OCDMA 系统的性能限制;同步和异步 OCDMA 系统的误码率性能

超宽频 SS 系统

基于 OFDM 的系统

11. 使用快速傅里叶变换实现 OFDM 系统
12. 基于 OFDM 的系统的典型架构
13. AWGN 通道中 OFDM 系统的误码率性能
• 编码率 r 对 BER 性能的影响
• 循环前缀对 BER 性能的影响
• FFT 大小和副载波间隔对 BER 性能的影响

14. 多普勒频移零多径慢瑞利衰落通道中 OFDM 系统的误码率性能
15. 带 CFO 的多径慢瑞利衰落通道中 OFDM 系统的误码率性能
16. OFDM 系统中的通道估计
17. OFDM 系统中的频域均衡
• 强迫零均衡器
• MMSE 均衡器
18. 基于 OFDM 的系统中的其他常见性能指标（峰值与平均功率比、载波与干扰比......等）
19. 基于 OFDM 的系统在高迁移率衰落环境中的性能分析（作为一个由三篇论文组成的模拟专案）
20. 论文 （1）：载波间干扰缓解
21. 论文 （2）： MIMO-OFDM Systems

MATLAB 类比项目的优化

这部分的目的是学习如何构建和优化 MATLAB 模拟专案，以简化和组织整个模拟过程。此外，还考虑了记忆体空间和处理速度，以避免在有限的存储系统中出现记忆体溢出问题，或因处理速度缓慢而导致运行时间过长。

1. 小型模拟专案的典型结构
2. 模拟参数的提取和理论到模拟映射
3. 构建模拟专案
4. 蒙特卡罗模拟技术
5. 测试模拟专案的典型程式
6. 记忆体空间 Management 和模拟时间减少技术
• 基带与通带模拟
• 计算截断的任意脉冲形状的适当脉冲宽度
• 计算每个交易品种的足够样本数
• 计算测试系统所需的和足够的位数

GUI 程式设计

让 MATLAB 代码免于调试并正常工作以产生正确的结果是一项了不起的成就。但是，模拟专案中的一组关键参数控制著 因此，我们额外提供了“图形使用者介面 （GUI） Programming”的讲座，以便将对模拟专案各个部分的控制放在您的手头，而不是深入研究充满命令的长原始程式码。此外，使用 GUI 遮罩 MATLAB 代码有助于以一种有助于将多个结果合并到一个主视窗中的方式呈现您的工作，并更容易比较数据。

1. 什么是 MATLAB GUI
2. MATLAB GUI 函数文件的结构
3. 主要 GUI 元件（重要属性和值）
4. 局部变数和全域变数

注意：本课程每个级别涵盖的主题包括但不限于每个级别中陈述的主题。此外，每个特定讲座的专案可能会根据学习者的需求和他们的研究兴趣而发生变化。