《物聯(lián)網(wǎng)通信技術》第7章 課后習題答案

第第頁《物聯(lián)網(wǎng)通信技術》第7章課后習題答案1（1）按照7.1.1實驗內容和步驟，通過MATLAB腳本程序將實驗仿真結果和2FSK理論誤比特率曲線繪制在一張圖中。解Simulink仿真框圖如文中7.1.1實驗內容所示，文件名為commChannel.slx腳本程序代碼如下：%commChanmain.m文件名%snrVec表示信噪比向量值，單位dBsnrVec=0:15;%初始化誤比特率向量ber=zeros(length(snrVec),1);%BFSK調制的頻率間隔等于24kHzFrequencySeparation=24000;%信源產(chǎn)生信號的bit率等于10kbit/s，產(chǎn)生1秒的數(shù)據(jù)BitRate=10000;%仿真時間設置為10秒SimulationTime=10;%BFSK調制信號每個符號的抽樣數(shù)等于2SamplesPerSymbol=2;%循環(huán)執(zhí)行仿真程序fori=1:length(snrVec)%信道的信噪比(單位dB)依次取snrVec中的元素SNR=snrVec(i);%運行仿真程序，得到的誤比特率保存在工作區(qū)變量BitErrorRate中sim('commChannel');%計算BitErrorRate的均值作為本次仿真的誤比特率ber(i)=mean(BitErrorRate);end%計算理論情況下不同信噪比的AWGN信道的誤比特率，此處需將dB單位進行轉換theoryBitErrorRate=qfunc(sqrt(10.^(snrVec/10)));%繪制仿真信噪比和誤比特率的關系曲線圖，縱坐標采用對數(shù)坐標，紅色曲線semilogy(snrVec,ber,'-r*');%在同一坐標系下畫多條曲線holdongridxlabel('SNR（dB）')ylabel('BitErrorRate')%繪制理論的信噪比和誤比特率的關系曲線圖，縱坐標采用對數(shù)坐標，藍色曲線semilogy(snrVec,theoryBitErrorRate,'-b*');仿真結果如下：圖中藍色曲線為理論曲線，紅色曲線為實驗仿真曲線。從圖中可以看出，在加性高斯白噪聲（AWGN）信道下，BFSK調制信號的誤比特率隨著信噪比的增加而降低，當信噪比達到14dB左右時，誤比特率剛好低于10-3。而在理論條件下，誤比特率也隨著信噪比增加而降低，在相同信噪比下，理論值低于實際值，可以看出理論情況下信噪比到達10dB時誤比特率就低于10-3。（2）在都市環(huán)境中，一般將移動通信信道看作是多徑瑞利衰落信道。分析2FSK在多徑瑞利衰落信道中的傳輸性能，瑞利衰落信道模擬兩徑衰落的情況，這兩徑信號的時延分別為0和2μs，它們的相對增益則分別為0dB和-3dB。信道由兩部分組成，分別是單輸入單輸出衰落信道（SISOFadingChannel）和加性高斯白噪聲產(chǎn)生器（AWGNChannel）。其中單輸入單輸出衰落信道的主要參數(shù)設置如表7-40所示，試給出該場景下的仿真結果。表7-40單輸入單輸出衰落信道（SISOFadingChannel）的參數(shù)設置參數(shù)名稱參數(shù)值Discretepathdelays(s)[02e-6]Averagepathgains(dB)[0-3]Normalizeaveragepathgainsto0dBCheckedFadingdistributionRaleighMaximumDopplerShift(Hz)30Dopplerspectrumdoppler(‘Jake’)InitialSeed 67解Simulink仿真框圖如下圖所示，文件名為commChannelRayleigh.slx腳本程序代碼如下：%commChanRayleigh.m文件名%snrVec表示信噪比向量值，單位dBsnrVec=0:15;%初始化誤比特率向量ber=zeros(length(snrVec),1);%BFSK調制的頻率間隔等于24kHzFrequencySeparation=24000;%信源產(chǎn)生信號的bit率等于10kbit/s，產(chǎn)生1秒的數(shù)據(jù)BitRate=10000;%仿真時間設置為10秒SimulationTime=10;%BFSK調制信號每個符號的抽樣數(shù)等于2SamplesPerSymbol=2;%準備一個空白圖holdoff;%執(zhí)行AWGN信道仿真程序，得到相應的曲線commChanmain;%保持AWGN信道的曲線圖holdon;%循環(huán)執(zhí)行仿真程序fori=1:length(snrVec)%信道的信噪比(單位dB)依次取snrVec中的元素SNR=snrVec(i);%運行仿真程序，得到的誤比特率保存在工作區(qū)變量BitErrorRate中sim('commChannelRayleigh');%計算BitErrorRate的均值作為本次仿真的誤比特率ber(i)=mean(BitErrorRate);end%繪制信噪比和誤比特率的關系曲線圖，縱坐標采用對數(shù)坐標semilogy(snrVec,ber,'-b*');gridxlabel('信噪比（dB）')ylabel('誤比特率')仿真結果如下：圖中藍色曲線為多徑瑞利衰落信道下誤碼率曲線，紅色曲線為AWGN信道下誤碼率曲線。從圖中可以看出多徑瑞利衰落信道下誤碼率很高。2（1）按照7.1.2實驗內容和步驟，通過MATLAB腳本程序將DQPSK實驗仿真結果和QPSK仿真結果繪制在一張圖中進行性能比較。解將文中7.1.2實驗DQPSKSimulink系統(tǒng)文件dqpskMod.slx中的誤碼率計算器（ErrorRateCalculation）的參數(shù)設置改為如下圖所示。QPSK系統(tǒng)與DQPSK僅在調制解調方式上不同，其他部分與文中參數(shù)完全一致。其Simulink系統(tǒng)圖如下所示，文件名為qpskMod.slx。QPSKModulatorBaseband（QPSK基帶調制器）QPSKDemodulatorBaseband（QPSK基帶解調器）ErrorRateCalculation（誤碼率計算器）M文件dqpskModmain.m對QPSK和DQPSK兩個仿真模型進行仿真。腳本程序代碼如下：%dqpskModmain.m文件名clear;%設置調制信號的抽樣間隔SampleTime=1/50000;%設置仿真時間的長度SimulationTime=10;%snrVec表示信噪比向量值，單位dBsnrVec=0:10;%初始化誤符號率向量dqpskser=zeros(length(snrVec),1);qpskser=zeros(length(snrVec),1);fori=1:length(snrVec)%信噪比依次取向量snrVec的數(shù)值SNR=snrVec(i);%執(zhí)行DQPSK的仿真模型sim('dqpskMod');%從ErrorVer中獲得調制信號的誤符號率哇dqpskser(i)=dqpskErrorVec(1);endfork=1:length(snrVec)SNR=snrVec(k);%執(zhí)行QPSK的仿真模型sim('qpskMod')%從ErrorVer中獲得調制信號的誤符號率哇qpskser(k)=qpskErrorVec(1);end%繪制信噪比與誤符號率的關系曲線semilogy(snrVec,dqpskser,'-r*');holdongridxlabel('SNR（dB）')ylabel('SymbolErrorRate')semilogy(snrVec,qpskser,'-k*');仿真結果如下圖所示：紅色曲線為DQPSK誤符號率曲線，黑色曲線為QPSK與誤符號率曲線。可以看出QPSK符號率低于DQPSK，說明QPSK性能更好。但是在解調時由于QPSK存在相位模糊問題，所以在實際中主要采用DQPSK。（2）用MATLAB繪制不同滾降因子升余弦成型濾波器的沖激響應曲線。假設截止頻率為500Hz，采樣頻率100kHz，時延5，四個滾降系數(shù)分別為0，0.25，0.5和1。利用rcosine()函數(shù)生成升余弦滾降系統(tǒng)。腳本程序代碼如下：%raised_cosine.mclearallFd=1e3;%截止頻率為Fd/2Fs=Fd*100;%設置采樣頻率為100kdelay=5;%設置時延為5forr=[0,0.25,0.5,1]%滾降系數(shù)哇num=rcosine(Fd,Fs,'fir/normal',r,delay);%生成升余弦滾降系統(tǒng)t=0:1/Fs:1/Fs*(length(num)-1);l=[rand(),rand(),rand(),rand()];%每個循環(huán)改變一次顏色figure(1);plot(t,num,'Color',l);holdon;axis([00.01-0.31.1]);title('升余弦滾降系統(tǒng)沖激響應')xlabel('時間/s')ylabel('h(t)')end結果如下：上圖說明，在每個碼元周期結束時，剛好是沖激響應曲線的零點，可以消除碼間串擾。同時，滾降系數(shù)越大時，升余弦滾降系統(tǒng)的沖激響應衰減越快，越接近理想低通特性。3（1）按照7.1.3實驗內容和步驟，對約束長度都等于9，碼率（編碼效率）分別等于1/2和1/3的卷積碼進行硬判決譯碼仿真，結果繪制在一張圖中進行性能比較。其中碼率為1/2的卷積編碼器2個生成多項式用八進制數(shù)表示為753和561，碼率為1/3的卷積編碼器3個生成多項式用八進制數(shù)表示為557、663和711。解按照7.1.3實驗內容碼率1/2的卷積碼，其Simulink系統(tǒng)文件名為chanEndecode1.slxConvolutionalEncoder（卷積編碼器）的參數(shù)設置如下：ViterbiDecoder（Viterbi譯碼器）的參數(shù)設置如下：ToWorkspace（工作區(qū)寫入模塊）的參數(shù)設置如下：碼率1/3除卷積碼編碼和譯碼的poly2trellis（）函數(shù)的參數(shù)不同外，其余與碼率1/2相同。其Simulink系統(tǒng)文件名為chanEndecode2.slxConvolutionalEncoder（卷積編碼器）的參數(shù)設置如下：ViterbiDecoder（Viterbi譯碼器）的參數(shù)設置如下：ToWorkspace（工作區(qū)寫入模塊）的參數(shù)設置如下：腳本程序代碼如下：%chanEndecodermain.m%snrVec表示信噪比向量值，單位dBclearall;snrVec=-10:5;%初始化誤比特率向量ber1=zeros(length(snrVec),1);ber2=zeros(length(snrVec),1);%循環(huán)執(zhí)行仿真程序fori=1:length(snrVec)%信道的信噪比(單位dB)依次取snrVec中的元素SNR=snrVec(i);%運行碼率1/2的仿真程序，得到的誤比特率保存在工作區(qū)變量BitErrorRate1中sim('chanEndecode1');%計算BitErrorRate1的均值作為本次仿真的誤比特率哇ber1(i)=mean(BitErrorRate1);endfork=1:length(snrVec)%信道的信噪比(單位dB)依次取snrVec中的元素SNR=snrVec(k);%運行碼率1/3仿真程序，得到的誤比特率保存在工作區(qū)變量BitErrorRate2中sim('chanEndecode2');%計算BitErrorRate2的均值作為本次仿真的誤比特率哇ber2(k)=mean(BitErrorRate2);end%繪制信噪比和誤比特率的關系曲線圖，縱坐標采用對數(shù)坐標semilogy(snrVec,ber1,'-r*');holdongridxlabel('SNR（dB）')ylabel('BitErrorRate')semilogy(snrVec,ber2,'-k*');仿真結果如下圖所示：紅色曲線表示碼率為1/2的誤比特率曲線，黑色曲線表示碼率為1/3的誤哇比特率曲線。仿真的結果顯示，相同信噪比下，碼率為1/3的卷積碼性能更好。（2）對同一個卷積碼分別進行軟判決譯碼和硬判決譯碼仿真，將仿真結果繪制在一張圖中進行性能比較。（注意：軟判決譯碼時解調器的參數(shù)設置與硬判決譯碼時不同）解保留卷積碼硬判決譯碼系統(tǒng)，將卷積碼改為示例中的trellis=poly2trellis(3，[67])其Simulink系統(tǒng)文件名為chanEndecode.slxConvolutionalEncoder（卷積編碼器）的參數(shù)設置如下：ViterbiDecoder（Viterbi譯碼器）的參數(shù)設置如下：要進行軟判決譯碼，通過AWGN信道的已調BPSK復信號必須先進行映射和解調，Viterbi譯碼器要求輸入數(shù)據(jù)為0到7之間的整數(shù)，必須先進行多于2bit的量化。建立了如下圖所示的軟判決譯碼系統(tǒng)。其Simulink系統(tǒng)文件名為chanEndecode3.slx由于通過AWGN信道的已調BPSK復信號的虛部為零,所以只需要轉換實信號，先進行歸一化然后再量化。將已調BPSK信號轉換成卷積碼譯碼器可識別的整數(shù)數(shù)據(jù)。編碼以及調制部分與硬判決相同，此處不再說明參數(shù)設置。解調和譯碼部分各模塊參數(shù)設置如下：將通過AWGN信道的已調BPSK信號數(shù)據(jù)以復數(shù)形式表示：數(shù)據(jù)歸一化：數(shù)據(jù)量化（3比特量化）：ViterbiDecoder（Viterbi譯碼器）的參數(shù)設置如下：腳本程序代碼如下：%snrVec表示信噪比向量值，單位dBclearall;snrVec=-10:5;%初始化誤比特率向量hardber=zeros(length(snrVec),1);softber=zeros(length(snrVec),1);%循環(huán)執(zhí)行仿真程序fori=1:length(snrVec)%信道的信噪比(單位dB)依次取snrVec中的元素SNR=snrVec(i);%運行硬判決的仿真程序，得到的誤比特率保存在工作區(qū)變量BitErrorRate中sim('chanEndecode');%計算BitErrorRate的均值作為本次仿真的誤比特率哇hardber(i)=mean(BitErrorRate);endfork=1:length(snrVec)%信道的信噪比(單位dB)依次取snrVec中的元素SNR=snrVec(k);%運行軟判決的仿真程序，得到的誤比特率保存在工作區(qū)變量BitErrorRate3中sim('chanEndecode3');%計算BitErrorRate3的均值作為本次仿真的誤比特率哇softber(k)=mean(BitErrorRate3);end%繪制信噪比和誤比特率的關系曲線圖，縱坐標采用對數(shù)坐標semilogy(snrVec,hardber,'-r*');holdongridx