MATLAB仿真在現(xiàn)代通信中的應(yīng)用：通信信號(hào)的測(cè)量與表達(dá)

通信信號(hào)的測(cè)量與表達(dá)3.1通信仿真中常用的信號(hào)測(cè)量模塊3.2信號(hào)的測(cè)量3.3差錯(cuò)控制傳輸特性的測(cè)量與表達(dá)3.4信號(hào)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的測(cè)量3.5圖像和視頻信號(hào)的測(cè)量與表達(dá)

通信系統(tǒng)仿真中常用的信號(hào)測(cè)量模塊包含Simulink基本模塊中的Sinks子庫(kù)、Simulink通信工具箱(CommunicationBlockset)中的CommSinks子庫(kù)以及信號(hào)處理工具箱(SignalProcessingBlockset)中的SignalProcessingSinks子庫(kù)。3.1通信仿真中常用的信號(hào)測(cè)量模塊3.1.1Simulink基本模塊中的Sinks子庫(kù)簡(jiǎn)介

Simulink基本模塊中的信號(hào)測(cè)量和數(shù)據(jù)顯示工具在Sinks子庫(kù)中，如圖3-1所示，分為模型與子系統(tǒng)輸出、數(shù)據(jù)顯示和仿真控制三大類。

圖3-1Simulink基本模塊中的Sinks子庫(kù)包含的信號(hào)測(cè)量和數(shù)據(jù)顯示工具

(1)子系統(tǒng)輸出引腳(Out1)用以構(gòu)成子系統(tǒng)對(duì)外封裝的信號(hào)輸出位置。

(2)信號(hào)終結(jié)點(diǎn)(Terminator)用以連接系統(tǒng)輸出端，避免因系統(tǒng)輸出端懸空而產(chǎn)生仿真中的警告信息。

(3)輸出到mat數(shù)據(jù)文件(ToFile)，將輸出端數(shù)據(jù)序列連同對(duì)應(yīng)的仿真時(shí)間序列寫入到指定文件名的MATLAB標(biāo)準(zhǔn)格式(?.mat格式)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件中。

(4)輸出到工作空間(ToWorkspace)，用于將輸出端數(shù)據(jù)序列連同對(duì)應(yīng)的仿真時(shí)間序列賦值給MATLAB工作空間的指定變量。

(5)固定探頭的示波器(Scope)顯示探頭連接線上的數(shù)據(jù)隨仿真時(shí)間變化的波形曲線。

(6)浮動(dòng)示波器(FloatingScope)是在仿真中可改變探頭探測(cè)位置的示波器，可顯示當(dāng)前探頭指示位置的時(shí)間信號(hào)的波形。

(7)

X-Y圖示儀(X-YGraph)輸入兩路信號(hào)，分別作為平面坐標(biāo)的X軸和Y軸的數(shù)據(jù)序列，隨時(shí)間變化在平面坐標(biāo)上畫出(X,Y)數(shù)據(jù)的軌跡曲線。

(8)數(shù)據(jù)顯示儀(Display)能夠顯示連接端隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)值。數(shù)據(jù)類型可以是MATLAB中的所有數(shù)據(jù)類型，如實(shí)數(shù)、復(fù)數(shù)、矩陣等。

(9)仿真終止模塊(Stop)用以控制仿真終止，當(dāng)其輸入端口的數(shù)據(jù)不為零時(shí)，該模塊可使仿真停止。3.1.2Simulink通信工具箱中的CommSinks子庫(kù)簡(jiǎn)介

Simulink通信工具箱中的信號(hào)測(cè)量和數(shù)據(jù)顯示工具在CommSinks子庫(kù)中，如圖3-2所示，是一些通信系統(tǒng)性能測(cè)量的專用儀器仿真模型：

(1)誤碼儀(ErrorRateCalculation)。輸入端分別接入發(fā)送數(shù)據(jù)(Tx)端和接收數(shù)據(jù)(Rx)端，用于比對(duì)收發(fā)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)傳輸總符號(hào)數(shù)、傳輸錯(cuò)誤符號(hào)數(shù)以及傳輸誤碼率，并將統(tǒng)計(jì)結(jié)果送入工作空間指定變量中或通過(guò)模塊端口輸出。誤碼儀中可設(shè)置傳輸延遲量以匹配通信系統(tǒng)模型中數(shù)據(jù)傳輸解調(diào)、解碼中的符號(hào)延遲，使得發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)在誤碼儀中時(shí)間上“對(duì)齊”，還可設(shè)置計(jì)算延遲，以避免對(duì)通信機(jī)開(kāi)始通信的初始化期間做誤碼率統(tǒng)計(jì)。誤碼儀還具有統(tǒng)計(jì)復(fù)位選項(xiàng)、仿真終止條件設(shè)置選項(xiàng)等，以增強(qiáng)其應(yīng)用的靈活性。

(2)眼圖儀(Discrete-TimeEyeDiagramScope)是一個(gè)具有歷史波形記憶的時(shí)間波形示波器，用來(lái)觀察數(shù)據(jù)信號(hào)波形在帶限信道中傳輸?shù)拇a間串?dāng)_和噪聲干擾情況。若干整數(shù)倍碼元傳輸時(shí)間上的歷史波形疊加形成所謂的“眼圖”，通過(guò)眼圖匯聚位置和匯聚程度可以定性地衡量傳輸符號(hào)之間的波形串?dāng)_和所受干擾的情況。眼圖儀可以同時(shí)觀察水平支路(實(shí)部數(shù)據(jù)序列)和正交支路(虛部數(shù)據(jù)序列)上的信號(hào)眼圖。眼圖儀需要設(shè)置每個(gè)符號(hào)所含采樣點(diǎn)數(shù)，顯示一條軌跡的符號(hào)數(shù)，顯示歷史軌跡數(shù)以及控制顯示刷新的新符號(hào)數(shù)等，并可設(shè)置畫圖和渲染樣式。

(3)相位軌跡儀(Discrete-TimeSignalTrajectoryScope)用以顯示復(fù)信號(hào)的幅度、相位隨時(shí)間變化在復(fù)平面上形成的曲線軌跡，可以反映調(diào)制信號(hào)振幅、相位隨時(shí)間變化的情況。相位軌跡儀需要設(shè)置每個(gè)符號(hào)所含采樣點(diǎn)數(shù)、顯示相位軌跡的總符號(hào)數(shù)以及控制顯示刷新的新符號(hào)數(shù)等，并可設(shè)置畫圖和渲染樣式。

(4)星座圖儀(Discrete-TimeSignalScatterPlotScope)用以顯示數(shù)字調(diào)制信號(hào)(如M-PSK，QAM等)的信號(hào)星座圖，即其等效低通復(fù)信號(hào)的幅度、相位在復(fù)平面上的位置。星座圖儀需要設(shè)置每個(gè)符號(hào)所含采樣點(diǎn)數(shù)、顯示的星座點(diǎn)總數(shù)以及控制顯示刷新的新點(diǎn)數(shù)等，并可設(shè)置畫圖和渲染樣式。

相位軌跡儀通常用以觀察調(diào)制信號(hào)波形上的相位幅度隨時(shí)間變化的情況，而星座圖儀通常用以觀察調(diào)制信號(hào)波形在接收抽樣判決時(shí)刻的相位幅度在復(fù)平面上的位置，即相位軌跡點(diǎn)在接收抽樣判決時(shí)刻的位置。

圖3-2Simulink通信工具箱中的CommSinks子庫(kù)模塊3.1.3Simulink信號(hào)處理工具箱中的SignalProcessingSinks子庫(kù)簡(jiǎn)介

Simulink信號(hào)處理工具箱中信號(hào)測(cè)量和數(shù)據(jù)顯示工具在SignalProcessingSinks子庫(kù)中，如圖3-3所示，是一些對(duì)通信信號(hào)測(cè)量專用儀器的仿真模型。

圖3-3信號(hào)處理工具箱中的SignalProcessingSinks子庫(kù)模塊

(1)時(shí)域示波器(TimeScope)，即Simulink基本模塊中的示波器模塊“Scope”。

(2)矢量示波器(VectorScope)將輸入的數(shù)據(jù)幀作為矢量，橫軸為矢量元素的序號(hào)，縱軸為對(duì)應(yīng)矢量元素的取值，顯示波形曲線。設(shè)置中可選擇輸入信號(hào)性質(zhì)為“時(shí)域”、“頻域”或“用戶自定義域”，并可設(shè)置畫圖和渲染樣式。

(3)頻譜儀(SpectrumScope)能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)并將估計(jì)結(jié)果顯示出來(lái)。頻譜儀是通信信號(hào)測(cè)量分析中的一個(gè)重要模型。頻譜儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-4(a)所示，由可選的信號(hào)緩存器(OptionalBuffering)、雙精度(Double)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換器、周期圖法功率譜計(jì)算模塊(Periodogram)和幀矢量示波器(FrameScope)構(gòu)成。其中，可選的信號(hào)緩存器決定了對(duì)輸入數(shù)據(jù)的緩存長(zhǎng)度，如果輸入數(shù)據(jù)本身是數(shù)據(jù)幀格式的，則不用內(nèi)部緩存。周期圖法功率譜計(jì)算模塊是頻譜估計(jì)的核心，其參數(shù)有信號(hào)加窗類型、窗口采樣方式以及估計(jì)輸出的平均數(shù)據(jù)幀數(shù)等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-4(b)所示，其原理是對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗后，進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)來(lái)求取模平方，再經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑并做加窗功率歸一化處理后輸出。最后，幀矢量示波器用來(lái)顯示估計(jì)得出的功率譜曲線。

圖3-4頻譜儀模塊的內(nèi)部構(gòu)成(a)頻譜儀模塊的內(nèi)部封裝子系統(tǒng)

圖3-4頻譜儀模塊的內(nèi)部構(gòu)成(b)周期圖法功率譜估計(jì)模塊(Periodogram)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)頻譜儀的基本參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖3-5所示。對(duì)基于采樣的時(shí)域數(shù)據(jù)信號(hào)序列，需要用頻譜儀內(nèi)部緩存器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，以便功率譜估計(jì)時(shí)進(jìn)行FFT計(jì)算。內(nèi)部緩存器的緩沖長(zhǎng)度一般應(yīng)設(shè)置成大于FFT計(jì)算點(diǎn)數(shù)，為2的冪次。緩沖器重疊區(qū)范圍設(shè)置用于控制從緩沖區(qū)取數(shù)做FFT時(shí)重復(fù)取數(shù)的多少。一般，可取內(nèi)部緩存器的緩沖長(zhǎng)度的一半。窗口類型選項(xiàng)很多，窗口類型有Bartlett、Blackman、Boxcar(矩形窗)、Chebyshev、Hamming(漢明)、Hanning(海寧)、Kaiser、Taylor、Triang以及用戶自定義的窗函數(shù)。窗口采樣類型決定了加窗方式，有周期型和對(duì)稱型兩種。功率譜估計(jì)的FFT長(zhǎng)度必須設(shè)置為2的冪次，F(xiàn)FT長(zhǎng)度越長(zhǎng)，所需計(jì)算量就越大，但估計(jì)輸出數(shù)據(jù)代表的頻率間隔就越小。最后，還可設(shè)定輸出譜估計(jì)的平均幀數(shù)，該值表示是以多少幀F(xiàn)FT估計(jì)進(jìn)行平均而得出的估計(jì)結(jié)果。平均幀數(shù)設(shè)置得越多，則估計(jì)精度越高，但曲線更新的速度也就越慢。

頻譜儀是多通道的，允許多路相同采樣速率的信號(hào)以Mux模塊復(fù)用后輸入，這時(shí)計(jì)算輸出各路信號(hào)的功率譜，以不同曲線樣式顯示，用以區(qū)分和對(duì)比。頻譜儀的顯示樣式設(shè)置對(duì)話框如圖3-6所示?？稍O(shè)置頻譜儀顯示屬性，如是否加入坐標(biāo)網(wǎng)線(Grid)，顯示曲線是動(dòng)態(tài)刷新還是永久保持(Persistence)，是否顯示計(jì)算幀數(shù)(FrameNumber)，是否顯示通道標(biāo)注，是否采用緊湊顯示模式，是否在仿真開(kāi)始時(shí)開(kāi)啟頻譜顯示窗口，等等。這些參數(shù)在仿真執(zhí)行中也可實(shí)時(shí)修改，所以一般采用默認(rèn)值即可。

圖3-5頻譜儀的基本參數(shù)設(shè)置

圖3-6頻譜儀的顯示屬性設(shè)置對(duì)話框頻譜儀顯示坐標(biāo)范圍屬性也可以由用戶設(shè)置，其設(shè)置對(duì)話框如圖3-7所示。顯示坐標(biāo)范圍屬性可設(shè)置：①頻率單位：Hz或rad/s。②頻率范圍：[0Fs]、[0Fs/2]?或[-Fs/2Fs/2]，其中Fs為輸入信號(hào)的采樣速率。③“DisplayDCas”：可自定義直流(0Hz)位置的頻譜X軸標(biāo)簽。④“Inheritsampleincrementfrominput”選項(xiàng)：如果選中，則以輸入信號(hào)的采樣率作為頻譜計(jì)算的依據(jù)；否則，可在“Sampletimeoforiginaltimeseries”項(xiàng)目上填寫新的計(jì)算采樣時(shí)間。

⑤還可以設(shè)定顯示的頻率范圍以及顯示的功率范圍。顯示采用線性坐標(biāo)分軸還是對(duì)數(shù)坐標(biāo)分軸，以及設(shè)置縱坐標(biāo)標(biāo)簽字符串，等等。這些參數(shù)應(yīng)依據(jù)實(shí)際仿真信號(hào)的功率、頻率范圍以及仿真目的來(lái)設(shè)定。

圖3-7頻譜儀顯示坐標(biāo)范圍屬性設(shè)置對(duì)話框

(4)矩陣查看器(MatrixViewer)。以指定范圍的顏色集合，將一個(gè)M行N列的輸入矩陣元素用不同的顏色表示出來(lái)。當(dāng)收到輸入信號(hào)時(shí)，顯示圖進(jìn)行更新。矩陣查看器可用來(lái)顯示隨時(shí)間變化的二維數(shù)據(jù)。例如，可用矩陣查看器來(lái)動(dòng)態(tài)地觀察一個(gè)調(diào)頻信號(hào)的時(shí)頻圖。仿真測(cè)試模型如圖3-8所示。

圖3-8用MatrixViewer觀察調(diào)頻信號(hào)的時(shí)頻圖(SCHX3_8.mdl)圖3-8中，信號(hào)采樣率設(shè)置為8000次/秒。幅度為1、頻率為1Hz的正弦波控制離散時(shí)間壓控振蕩器(Discrete-TimeVCO)，使其輸出頻率以2000Hz為中心上下偏移，最大頻偏為1000Hz。因此，壓控振蕩器輸出正弦波的頻率在1000～3000Hz范圍內(nèi)變化。后級(jí)信號(hào)緩存器將VCO輸出轉(zhuǎn)換為256個(gè)采樣點(diǎn)為一幀的并行數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行FFT變換和功率譜估計(jì)。周期圖頻譜估計(jì)器完成功率譜估計(jì)計(jì)算，設(shè)置加窗為漢明窗，參數(shù)設(shè)置如圖3-9所示。周期圖頻譜估計(jì)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖3-4(b)，其輸出為256點(diǎn)的雙邊功率譜數(shù)據(jù)序列。通過(guò)“VectorScope”模塊可以看到信號(hào)的功率譜估計(jì)曲線。由于信號(hào)瞬時(shí)頻率是變化的，故矢量示波器中顯示的功率譜峰值位置在1000～3000Hz范圍內(nèi)隨時(shí)間變化。Selector模塊選擇功率譜數(shù)據(jù)序列的正半邊頻譜部分(矩陣中1～128個(gè)元素)，然后將Selector模塊輸出進(jìn)行緩存，緩存長(zhǎng)度為100，重疊區(qū)為99，這樣，緩存器每輸入一幀(128個(gè)數(shù))，則輸出100行128列的一個(gè)矩陣，表示100個(gè)時(shí)段的半邊功率譜估計(jì)結(jié)果，以矩陣轉(zhuǎn)置模塊對(duì)輸出做轉(zhuǎn)置后，送入矩陣查看器來(lái)對(duì)矩陣數(shù)值進(jìn)行圖示化顯示。其中，橫向表示時(shí)間，縱向表示對(duì)應(yīng)時(shí)間上的功率譜數(shù)據(jù)序列。

圖3-9周期圖頻譜估計(jì)器的參數(shù)設(shè)置矩陣查看器中可設(shè)置圖示化圖像屬性，包括使用的顏色集(Colormaps)、表示的元素的取值范圍、色條顯示與否等，如圖3-10(a)所示。矩陣查看器能使用MATLAB規(guī)定的全部顏色集，請(qǐng)參見(jiàn)MATLAB聯(lián)機(jī)文檔關(guān)于“colormap”的信息，這里將Colormapmatrix設(shè)置為gray(256)，表示顏色集是256灰度級(jí)的。

矩陣查看器還可設(shè)置顯示坐標(biāo)屬性，包括坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，X軸和Y軸標(biāo)識(shí)，色條標(biāo)記文字，等等，如圖3-10(b)所示。

圖3-10矩陣查看器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框(a)矩陣查看器圖像屬性設(shè)置對(duì)話框

圖3-10矩陣查看器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框(b)矩陣查看器坐標(biāo)屬性設(shè)置對(duì)話框

圖3-11對(duì)VCO輸出功率譜的仿真測(cè)量結(jié)果(a)頻譜圖

圖3-11對(duì)VCO輸出功率譜的仿真測(cè)量結(jié)果(b)時(shí)頻圖

(5)瀑布圖顯示器(WaterfallScope)。瀑布圖顯示器可以一次顯示多個(gè)連續(xù)的采樣時(shí)間上的二維數(shù)據(jù)向量。其輸入可以是實(shí)的或復(fù)的任何數(shù)據(jù)類型，但在處理數(shù)據(jù)之前將其轉(zhuǎn)換為雙精度，且只顯示雙精度向量的實(shí)部數(shù)值。數(shù)據(jù)在瀑布窗口三維坐標(biāo)中顯示。默認(rèn)情況下，X軸代表樣值的振幅，Y軸代表樣值的序號(hào)，Z軸代表采樣時(shí)間。模塊可以在仿真中實(shí)時(shí)地修改所顯示的樣本向量的個(gè)數(shù)，還可移動(dòng)瀑布窗口位置，調(diào)整瀑布窗口大小，修改模塊的參數(shù)值。通過(guò)瀑布窗口中的工具欄按鈕，可以縮放顯示數(shù)據(jù)，暫停數(shù)據(jù)采集，凍結(jié)顯示范圍，保存顯示位置，或?qū)С鰯?shù)據(jù)到工作區(qū)。

例如，我們可以利用瀑布圖顯示器顯示連續(xù)采樣時(shí)間段上的信號(hào)功率譜變化情況。修改圖3-8所示的調(diào)頻信號(hào)測(cè)試模型，用瀑布圖顯示器來(lái)觀察調(diào)頻信號(hào)的輸出功率譜隨時(shí)間變化的過(guò)程。修改后的模型如圖3-12所示，其中，瀑布圖顯示器觀察功率譜估計(jì)輸出的正頻譜部分。仿真結(jié)果如圖3-13所示，表示了50個(gè)連續(xù)幀的功率譜曲線依照時(shí)間變化的排列。

圖3-12用瀑布圖顯示器來(lái)觀察調(diào)頻信號(hào)的輸出功率譜(SCHX3_12.mdl)

圖3-13調(diào)頻信號(hào)功率譜依照時(shí)間變化的瀑布圖顯示瀑布圖顯示器的參數(shù)設(shè)置如圖3-14(a)～(e)所示。其中，顯示屬性標(biāo)簽頁(yè)(Display)上可設(shè)置顯示的軌跡數(shù)，即連續(xù)顯示的時(shí)間段數(shù)，這里設(shè)置為50，表示要50個(gè)連續(xù)幀的功率譜曲線按時(shí)間排列顯示。更新間隔表示瀑布圖刷新的時(shí)間間隔數(shù)。顏色集(Colormap)的選項(xiàng)含義可參見(jiàn)MATLAB聯(lián)機(jī)文檔關(guān)于“colormap”的信息，這里采用灰度集“gray”選項(xiàng)。透明度(Transparency)表示了最新值和最老值顯示時(shí)的透明程度。在坐標(biāo)軸屬性標(biāo)簽頁(yè)(Axes)可設(shè)置Y軸范圍、坐標(biāo)顏色以及三個(gè)坐標(biāo)的標(biāo)簽文字。數(shù)據(jù)歷史標(biāo)簽頁(yè)(Datahistory)可以設(shè)置數(shù)據(jù)回放的歷史軌跡數(shù)、緩沖器滿后的處理方式以及導(dǎo)出數(shù)據(jù)選項(xiàng)。觸發(fā)標(biāo)簽頁(yè)選擇開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)以及終止記錄數(shù)據(jù)的觸發(fā)條件。數(shù)據(jù)變換標(biāo)簽則可選擇對(duì)數(shù)據(jù)值的變換顯示模式，有不變換、分貝顯示、復(fù)數(shù)模線性顯示、復(fù)數(shù)模分貝顯示、復(fù)數(shù)相角顯示、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換后的幅值線性顯示、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換后的幅值分貝顯示、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換后的相位顯示、功率分貝顯示，還可以使用用戶自定義函數(shù)作為變換函數(shù)。

(6)數(shù)據(jù)顯示器(Display)，即Simulink基本模塊中的數(shù)據(jù)顯示模塊“Display”。

(7)信號(hào)輸出到工作空間模塊(SignalToWorkspace)，類似于Simulink基本模塊中的“ToWorkspace”模塊，用于將輸出端數(shù)據(jù)序列賦值到MATLAB工作空間的指定變量中。

(8)帶觸發(fā)端子的信號(hào)輸出到工作空間模塊(TriggeredToWorkspace)，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)，將當(dāng)前數(shù)據(jù)賦值到MATLAB工作空間的指定變量中。

(9)輸出到多媒體文件(ToMultimediaFile)，將音頻、視頻數(shù)據(jù)寫入指定壓縮格式和指定文件名稱的avi文件中。

(10)輸出到音頻設(shè)備(ToAudioDevice)，將音頻數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)聲卡。

(11)輸出到音頻文件(ToWaveFile)，將音頻數(shù)據(jù)寫入指定的音頻文件。

圖3-14瀑布圖顯示器的參數(shù)設(shè)置(a)顯示屬性標(biāo)簽 圖3-14瀑布圖顯示器的參數(shù)設(shè)置(b)坐標(biāo)軸屬性標(biāo)簽圖3-14瀑布圖顯示器的參數(shù)設(shè)置(c)數(shù)據(jù)歷史標(biāo)簽圖3-14瀑布圖顯示器的參數(shù)設(shè)置(d)觸發(fā)標(biāo)簽圖3-14瀑布圖顯示器的參數(shù)設(shè)置(e)數(shù)據(jù)變換標(biāo)簽

3.2.1窄帶隨機(jī)信號(hào)的產(chǎn)生和波形測(cè)量3.2信

號(hào)

的

測(cè)

量

圖3-15窄帶隨機(jī)信號(hào)測(cè)試模型(SCHX3_15.mdl)調(diào)制信號(hào)是以載波頻率為中心的帶通信號(hào)，其功率譜集中在載波附近。從時(shí)域上看，帶通信號(hào)通常是幅度、角度(相位和頻率)隨時(shí)間變化的正弦信號(hào)。要觀察這樣的帶通信號(hào)波形，可以將一個(gè)高斯白噪聲通過(guò)一個(gè)窄帶帶通濾波器，其輸出就是一個(gè)窄帶隨機(jī)信號(hào)。我們來(lái)產(chǎn)生一個(gè)帶限于50～55kHz的隨機(jī)信號(hào)，觀察其波形。模型如圖3-15所示。其中，采用帶限白噪聲發(fā)生器產(chǎn)生寬帶噪聲，設(shè)置其采樣時(shí)間間隔為1?×?10-6s，則產(chǎn)生的噪聲帶寬為500kHz。采用“DigitalFilterDesign”模塊來(lái)設(shè)計(jì)帶通濾波器，設(shè)置其實(shí)現(xiàn)模式為巴特沃思IIR型帶通濾波器，采樣率為1?×?10-6/s，阻帶頻率為45～69kHz，通帶頻率為50～55kHz，阻帶衰減為60dB。濾波器設(shè)計(jì)對(duì)話框參數(shù)如圖3-16所示，從圖中設(shè)計(jì)幅頻響應(yīng)結(jié)果曲線上看，滿足要求的帶通濾波特性。用示波器模塊觀察濾波前后的波形，調(diào)整好示波器的觀測(cè)時(shí)間和幅度范圍，執(zhí)行仿真得到的波形如圖3-17所示?？梢?jiàn)，濾波輸出的帶限隨機(jī)信號(hào)可以用一個(gè)幅度、角度變化的正弦波來(lái)表示。

圖3-16“DigitalFilterDesign”模塊設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3-17示波器觀察得到的寬帶噪聲和帶限隨機(jī)信號(hào)波形3.2.2各種信號(hào)的表示和測(cè)量

1.窄帶隨機(jī)信號(hào)的等效低通表示

根據(jù)3.2.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，中心頻率位于fc的窄帶隨機(jī)信號(hào)是一個(gè)以fc為振蕩頻率的隨機(jī)調(diào)幅調(diào)相波。因此，我們可將中心頻率位于fc處的帶限隨機(jī)信號(hào)m(t)表示為

(3-1)

用三角函數(shù)展開(kāi)，可表示為

(3-2)我們將復(fù)信號(hào)稱為帶通信號(hào)m(t)的等效低通信號(hào)。在理論分析中，我們可以先研究帶通信號(hào)的等效低通信號(hào)，再利用式(3-2)或式(3-3)轉(zhuǎn)換為帶通信號(hào)。注意，帶通信號(hào)是實(shí)信號(hào)，而其等效低通信號(hào)一般是復(fù)數(shù)性質(zhì)的，其模量A(t)反映了帶通信號(hào)的包絡(luò)變化，而其輻角量反映了帶通信號(hào)的相位變化。

將等效低通信號(hào)寫為直角坐標(biāo)形式是

(3-4)

稱其實(shí)部為等效低通信號(hào)的水平分量，虛部為正交分量或垂直分量，在方框圖中，相應(yīng)處理水平分量和正交分量的支路分別稱為水平支路和正交支路。

2.實(shí)例：矩形64QAM調(diào)制信號(hào)的時(shí)域測(cè)量

下面我們以矩形64QAM調(diào)制為例，利用其等效低通信號(hào)模型產(chǎn)生的等效低通64QAM調(diào)制輸出，再依據(jù)式(3-4)和式(3-2)將其轉(zhuǎn)換為指定載波頻率的帶通信號(hào)。采用Simulink基本模塊(X-Y圖示儀)構(gòu)建相位軌跡圖顯示儀，來(lái)測(cè)量等效低通復(fù)信號(hào)的相位軌跡，以說(shuō)明仿真系統(tǒng)構(gòu)建中的靈活性。在了解測(cè)量設(shè)備工作原理后，完全可以通過(guò)基本模塊來(lái)構(gòu)建復(fù)雜的信號(hào)測(cè)量和顯示設(shè)備。

用相位軌跡圖儀和星座圖儀、眼圖儀來(lái)觀察等效低通信號(hào)的相位軌跡和信號(hào)星座點(diǎn)，而通過(guò)示波器來(lái)觀察帶通信號(hào)的波形。仿真模型如圖3-18所示。

圖3-1864QAM等效低通調(diào)制信號(hào)輸出到帶通信號(hào)的轉(zhuǎn)換及時(shí)域測(cè)量(SCHX3_18.mdl)圖3-18中，基帶數(shù)據(jù)由RandomInteger模塊產(chǎn)生，為64元整數(shù)，輸出速率為1?×?10-6符號(hào)/s。QAM調(diào)制器采用矩形星座的基帶QAM模型(RectangularQAMModulatorBaseband)，其數(shù)據(jù)輸入類型為整數(shù)型，調(diào)制元數(shù)設(shè)為64，以匹配RandomInteger模塊的輸出。調(diào)制輸出的等效低通信號(hào)是復(fù)信號(hào)，其數(shù)據(jù)率為1?×?106/s。用通信工具箱中的相位軌跡儀和星座圖儀對(duì)該復(fù)信號(hào)進(jìn)行觀察。相位軌跡儀和星座圖儀中，設(shè)置每符號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)為1，顯示符號(hào)數(shù)為1000，每200個(gè)符號(hào)到來(lái)刷新一次。為了將復(fù)等效低通信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)帶通信號(hào)，依據(jù)式(3-2)和式(3-4)，首先對(duì)其進(jìn)行實(shí)部、虛部分離，然后分別與相互正交的余弦波和正弦波相乘，將兩路輸出相減得出實(shí)帶通信號(hào)。載波頻率設(shè)置為1?×?107Hz，載波的采樣時(shí)間間隔設(shè)置為s。這樣，輸出實(shí)帶通信號(hào)的采樣率就是1?×?108/s。通過(guò)示波器觀察帶通輸出波形。觀察時(shí)間范圍設(shè)置為10個(gè)符號(hào)期間(1?×?10-5s)。用X-Y圖示儀觀察分離后的實(shí)部與虛部信號(hào)，即可得出輸出信號(hào)的相位軌跡圖。

執(zhí)行仿真后，調(diào)制輸出等效低通信號(hào)的相位軌跡圖和星座圖如圖3-19所示。示波器中顯示了帶通信號(hào)的波形，是一個(gè)幅度和相位均變化的調(diào)幅調(diào)相波，如圖3-20所示。

圖3-1964QAM調(diào)制輸出等效低通信號(hào)的相位軌跡圖、星座圖和眼圖(a)相位軌跡圖

圖3-1964QAM調(diào)制輸出等效低通信號(hào)的相位軌跡圖、星座圖和眼圖(b)星座圖

圖3-1964QAM調(diào)制輸出等效低通信號(hào)的相位軌跡圖、星座圖和眼圖(c)眼圖

圖3-2064QAM調(diào)制輸出帶通信號(hào)的波形

3.實(shí)例：時(shí)序波形的測(cè)量

下面的例子演示了仿真終止模塊(Stop)的應(yīng)用。我們可以設(shè)置一個(gè)邏輯，當(dāng)系統(tǒng)中信號(hào)滿足邏輯條件時(shí)，讓仿真終止。實(shí)際工程中，邏輯分析儀就是利用這一原理構(gòu)造的：當(dāng)邏輯分析儀多路輸入信號(hào)的時(shí)序關(guān)系滿足設(shè)定條件時(shí)，邏輯分析儀多路波形顯示就停止下來(lái)，顯示截取當(dāng)前的時(shí)序波形。圖3-21給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的邏輯分析儀仿真系統(tǒng)，用來(lái)觀察周期矩形波及其若干分頻輸出波形的時(shí)序關(guān)系。

圖3-21仿真邏輯分析儀觀察周期矩形波及其若干分頻輸出波形的時(shí)序關(guān)系(SCHX3_21.mdl)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生10kHz的方波(周期為1?×?10-4s，占空比為50%，幅度為1)，對(duì)其分別進(jìn)行2、3、4、5、6、7分頻，得出7路信號(hào)。為了在示波器上觀察這7路信號(hào)，將它們通過(guò)Mux模塊復(fù)接，并疊加一個(gè)常數(shù)矢量[-1.2-2.4-3.6-4.8-6-7.2-8.4]，對(duì)7路波形做垂直偏移，使它們不要重疊在一起。同時(shí)，復(fù)接的7路信號(hào)與另一常數(shù)矢量模塊的輸出元素分別進(jìn)行異或運(yùn)算，并將異或輸出元素相加(用SumofElements模塊)。顯然，僅當(dāng)7路信號(hào)的電平值與Constant1給定的對(duì)應(yīng)元素值相同時(shí)，異或輸出元素之和才為零，我們以此作為邏輯條件控制仿真終止。繼電器模塊(Relay1)的門限設(shè)為0.5，且設(shè)置繼電器接通時(shí)輸出為0，斷開(kāi)時(shí)輸出為1。這樣，當(dāng)異或輸出元素之和為零時(shí)，繼電器模塊斷開(kāi)，其輸出為1(非零)，延遲1?×?10-4s后使得仿真終止。示波器也同時(shí)觀察繼電器模塊(Relay1)的輸出。當(dāng)設(shè)置Constant1為[1100110]時(shí)，7路波形的邏輯電平也為[1100110]，此時(shí)繼電器模塊產(chǎn)生1輸出，之后1?×?10-4s仿真終止。仿真執(zhí)行后示波器波形如圖3-22所示。7路波形加上繼電器模塊輸出，共8路輸出，顯示在示波器上。

圖3-22Constant1為[1100110]時(shí)邏輯分析儀顯示時(shí)序的波形

4.實(shí)例：傳輸誤碼率的測(cè)量

通信信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸后，波形將沾染噪聲并可能產(chǎn)生失真。如果失真和噪聲足夠嚴(yán)重，將在接收判決時(shí)發(fā)生錯(cuò)判，導(dǎo)致誤碼。為了解決此問(wèn)題，可將傳輸中調(diào)制器、信道以及解調(diào)判決部分抽象為一個(gè)廣義信道，稱為編碼信道，用傳輸差錯(cuò)率來(lái)衡量信道的傳輸性能。此外，傳輸和接收解調(diào)判決中，可能會(huì)引入一定的符號(hào)延遲?？梢詫?duì)傳輸?shù)姆?hào)序列進(jìn)行邏輯上的分組，每組稱為一個(gè)幀，幀中所含的符號(hào)數(shù)稱為幀的長(zhǎng)度。在Simulink通信工具箱中，可以采用伯努利二進(jìn)信源(BernoulliBinaryGenerator)來(lái)產(chǎn)生二進(jìn)制隨機(jī)序列作為仿真的信源序列。用二進(jìn)制對(duì)稱信道(BinarySymmetricChannel)模塊作為編碼信道的實(shí)現(xiàn)模型。以整數(shù)延遲器(InternetDelay)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸和解調(diào)延遲的模擬。在接收端，為了觀察傳輸性能，可以將接收端判決輸出序列與發(fā)送的原始序列在時(shí)間上對(duì)齊后進(jìn)行比較，從而統(tǒng)計(jì)出傳輸差錯(cuò)符號(hào)的個(gè)數(shù)和符號(hào)差錯(cuò)率。誤碼儀(ErrorRateCalculation)可以實(shí)現(xiàn)誤碼統(tǒng)計(jì)的功能。

圖3-23使用誤碼儀對(duì)傳輸信道性能的測(cè)量仿真系統(tǒng)(SCHX3_23.mdl)在圖3-23中，設(shè)置伯努利二進(jìn)信源輸出的比特速率為10kb/s，且每8比特打包為1幀。傳輸信道采用二進(jìn)制對(duì)稱信道模塊實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)誤碼率為0.02，并選擇信道輸出錯(cuò)誤符號(hào)矢量(Err端口)。將Err端口連接在信號(hào)終結(jié)點(diǎn)模塊上，以演示信號(hào)終結(jié)點(diǎn)模塊的作用。如果Err端口懸空，仿真執(zhí)行中會(huì)出現(xiàn)警告信息。在信道模塊的輸出端，用整數(shù)延遲器模擬傳輸和接收延遲，設(shè)置延遲器單位延遲時(shí)間為1?×?10-4s(即一個(gè)符號(hào)周期)，總共延遲4個(gè)符號(hào)時(shí)間。在誤碼儀中，也應(yīng)對(duì)應(yīng)地設(shè)置接收延遲參數(shù)為4，以匹配傳輸延遲量。誤碼儀中可以設(shè)置對(duì)傳輸幀數(shù)據(jù)中某些指定位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼率統(tǒng)計(jì)。例如，僅對(duì)一幀8比特中的最前兩個(gè)比特和最后兩個(gè)比特位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，則誤碼儀中“SelectedSamplesFromFrame”參數(shù)設(shè)置為[1278]?？紤]到許多通信系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)后需要一定時(shí)間才能進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，在誤碼儀中還可設(shè)置對(duì)通信開(kāi)始后的一段時(shí)間內(nèi)不進(jìn)行誤碼統(tǒng)計(jì)，例如，要設(shè)置通信開(kāi)始后前100個(gè)符號(hào)期間不作誤碼統(tǒng)計(jì)，則設(shè)置誤碼儀的計(jì)算延遲為100即可。誤碼儀的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖3-24所示。仿真執(zhí)行后，在誤碼儀輸出端的顯示模塊(Display)上顯示了誤碼統(tǒng)計(jì)結(jié)果：誤碼率、誤碼總數(shù)以及傳輸總符號(hào)數(shù)。還可以通過(guò)“ToWorkspace”模塊將統(tǒng)計(jì)結(jié)果送入MATLAB工作空間，以便程序調(diào)用。

圖3-24誤碼儀的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

5.實(shí)例：圓形64QAM調(diào)制信號(hào)的相位軌跡和功率譜測(cè)量

在本例中，以一個(gè)64QAM調(diào)制信號(hào)為例，構(gòu)建其相位軌跡和功率譜測(cè)量系統(tǒng)，如圖3-25所示。

圖3-25圓形64QAM調(diào)制信號(hào)的相位軌跡和功率譜測(cè)量(SCHX3_25.mdl)在圖3-25中，信源速率為1Msymbol/s(隨機(jī)整數(shù)發(fā)生器采樣率設(shè)置為1MHz，元數(shù)設(shè)置為64，基于采樣值的輸出模式)。64-QAM調(diào)制器的參數(shù)是：信號(hào)星座signalconstellation設(shè)置為：

[0exp(2*pi*i*[0:5]/6)2*exp(2*pi*i*[0:12]/13)3*exp(2*pi*i*[0:17]/18)4*exp(2*pi*i*[0:25]/26)]./2表示信號(hào)分布在半徑為0、0.5、1、1.5、2的5個(gè)同心圓上；每個(gè)同心圓上均勻地分布著1、6、13、18、26個(gè)點(diǎn)。同時(shí)，也用相位軌跡儀來(lái)觀察這些點(diǎn)。為了觀察較寬范圍的頻譜，可將調(diào)制器輸出信號(hào)以零階保持器模塊進(jìn)行升速率重采樣，

圖3-26圓形64QAM信號(hào)的相位軌跡與星座圖(a)相位軌跡儀的顯示結(jié)果

圖3-26圓形64QAM信號(hào)的相位軌跡與星座圖(b)星座圖的顯示結(jié)果當(dāng)設(shè)置加性高斯噪聲信道中信噪比為10dB時(shí)，頻譜儀上顯示結(jié)果如圖3-27所示，其中CH1通道為調(diào)制器輸出信號(hào)的功率譜，沒(méi)有噪聲分量；CH2通道為信道輸出端的信號(hào)功率譜，其中加入了高斯白噪聲，使得輸出信噪比為10dB。

圖3-27經(jīng)過(guò)加性高斯噪聲信道前后的64QAM信號(hào)功率譜

6.實(shí)例：語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)變功率譜測(cè)量與表達(dá)

對(duì)于非平穩(wěn)信號(hào)，其信號(hào)功率譜是時(shí)變的，僅采用頻譜儀不能觀測(cè)到頻譜隨時(shí)間變化的過(guò)程。對(duì)于時(shí)變功率譜，需要從頻率、幅度和時(shí)間三維特性上觀測(cè)信號(hào)。這時(shí)，矩陣觀測(cè)器(MatrixViewer)或瀑布圖顯示儀(WaterfallScope)是較理想的測(cè)量和表達(dá)工具。語(yǔ)音信號(hào)是非平穩(wěn)信號(hào)，其功率譜是時(shí)變的，我們用圖3-28所示系統(tǒng)來(lái)觀測(cè)其功率譜隨時(shí)間變化的過(guò)程。該模型從MATLAB2008B版本自帶的Demo模型(dspstfft.mdl)修改而來(lái)。其中，信源是一個(gè)采樣率為8000次/秒的單聲道語(yǔ)音信號(hào)，通過(guò)FromWaveFile從音頻文件mtlb.wav讀入，以幀格式輸出，每幀含80個(gè)樣值。其余模塊請(qǐng)參考圖3-8所示模型的解釋。MatrixViewer以顏色圖的方式來(lái)表達(dá)功率譜的時(shí)變特性，而瀑布圖顯示儀則以三維坐標(biāo)系統(tǒng)中的曲線集合來(lái)表達(dá)功率譜的時(shí)變特性。程序執(zhí)行后，得出的測(cè)量結(jié)果如圖3-29所示。其中(a)圖是矩陣觀測(cè)器表達(dá)的時(shí)變功率譜顏色圖；(b)圖是瀑布圖顯示儀顯示的功率譜瀑布圖。瀑布圖顯示儀的參數(shù)含義和設(shè)置可參照?qǐng)D3-12的實(shí)例講解。

圖3-28語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)變功率譜測(cè)量仿真系統(tǒng)(SCHX3_28.mdl)

圖3-29語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)變功率譜的測(cè)量結(jié)果(a)語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)變功率譜顏色圖

圖3-29語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)變功率譜的測(cè)量結(jié)果(b)語(yǔ)音信號(hào)的時(shí)變功率譜瀑布圖

數(shù)字通信系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中，由于各種干擾信號(hào)的疊加，接收端收到的數(shù)字信號(hào)會(huì)發(fā)生各種錯(cuò)誤。傳輸特性成了評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)、設(shè)計(jì)方案的重要的定量標(biāo)準(zhǔn)。通信仿真測(cè)量對(duì)于深入研究通信系統(tǒng)以及各個(gè)部分對(duì)系統(tǒng)通信能力的貢獻(xiàn)十分有用。3.3差錯(cuò)控制傳輸特性的測(cè)量與表達(dá)為了減少比特誤碼率，有各種方法來(lái)進(jìn)行差錯(cuò)控制。譬如我們可以采用各種信道編碼或者提高發(fā)射功率的方法來(lái)克服噪聲的影響。采用自適應(yīng)均衡或者瑞克接收機(jī)的方法克服多徑效應(yīng)，采用交織的方法克服突發(fā)干擾。信道編碼是通信系統(tǒng)中普遍采用的一種差錯(cuò)控制措施。在信道編碼過(guò)程中，發(fā)送端將被傳輸?shù)男畔⒏缴弦恍┍O(jiān)督碼元，這些監(jiān)督碼元與信息碼元之間以某種確定的規(guī)則相互關(guān)聯(lián)(約束)。接收端按照約定的規(guī)則校驗(yàn)信息碼元與監(jiān)督碼元之間的關(guān)系，一旦傳輸發(fā)生差錯(cuò)，則信息碼元與監(jiān)督碼元的關(guān)系就受到破壞，從而接收端可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤乃至糾正錯(cuò)誤。關(guān)于差錯(cuò)控制的理論可以參閱相關(guān)的書籍、文獻(xiàn)。這里僅介紹應(yīng)用MATLAB相關(guān)工具箱中的模塊，搭建相應(yīng)的差錯(cuò)控制系統(tǒng)。在仿真的過(guò)程中，加深我們對(duì)各種差錯(cuò)控制方法的理解。

圖3-30是MATLAB通信工具箱中常用的差錯(cuò)控制模塊。下面將常用的線性碼、循環(huán)碼、漢明碼、里德-索洛蒙編碼、BCH碼、卷積碼、循環(huán)冗余碼，配上常用的二進(jìn)制移相鍵控調(diào)制BPSK搭建成通信系統(tǒng)。對(duì)它的傳輸特性測(cè)試的仿真系統(tǒng)加以簡(jiǎn)單的介紹，并且顯示仿真結(jié)果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及結(jié)果分析，可以得到每種差錯(cuò)控制手段，在多大的編碼效率的情況下(因?yàn)榧尤肓吮O(jiān)督碼元傳輸效率變低了)傳輸特性可以得到多少分貝的改善。

圖3-30MATLAB通信工具箱中常用的差錯(cuò)控制模塊3.3.1線性碼

線性編碼的通信系統(tǒng)的仿真框圖如圖3-31所示。它的基本工作過(guò)程是，將數(shù)據(jù)每k個(gè)比特分為一組，記做m，稱為信息組。然后將長(zhǎng)度為k的信息組通過(guò)一個(gè)k?×?n的編碼矩陣G進(jìn)行映射運(yùn)算(編碼)，得到一個(gè)長(zhǎng)度為n比特的碼字ci。這樣得到的分組碼稱為(n，k)碼，定義為編碼效率。

ci?=?mG (3-5)

圖3-31BPSK調(diào)制加上線性編碼的通信仿真系統(tǒng)(SCHX3_31.mdl)本例中是將傳輸數(shù)據(jù)分成4bit一組，經(jīng)過(guò)下面的編碼矩陣進(jìn)行變換，圖3-32是線性編碼器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，框中生成矩陣一欄就是編碼矩陣(Generatormatrix)。將組數(shù)據(jù)變成長(zhǎng)度為7bit的組數(shù)據(jù)，解碼后再還原為原來(lái)的4bit一組的數(shù)據(jù)。信號(hào)源參數(shù)設(shè)定中要注意，傳輸數(shù)據(jù)分成4個(gè)一組時(shí)，每幀數(shù)據(jù)采樣應(yīng)設(shè)為4。下面是編碼矩陣的兩種表述。4?×?7的編碼矩陣左邊的4?×?3部分是描述編碼冗余部分與信息碼元的關(guān)系，右邊的4?×?4是對(duì)角單元矩陣，用來(lái)重現(xiàn)信息碼元。

圖3-32線性編碼的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

[[110;011;111;101]eye(4)]

1101000

0110100

1110010

1010001

圖3-33是僅有BPSK調(diào)制的通信仿真系統(tǒng)，用于產(chǎn)生一個(gè)供比較的傳輸特性。

圖3-33BPSK調(diào)制的通信仿真系統(tǒng)(SCHX3_33.mdl)通過(guò)程序3-291控制SCHX3_31及SCHX3_33的仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，得出如圖3-34所示的傳輸特性。可以看出因?yàn)橛芯€性編碼，傳輸效率降低為原來(lái)的4/7(編碼效率4/7)，這樣換來(lái)了3.5dB的傳輸特性的改善。BPSK是較為普通的調(diào)制解調(diào)手段，用它來(lái)參加實(shí)驗(yàn)便于比對(duì)。

程序3-291

clearall

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forn=1:length(ErproVec)

SNR=ErproVec(n);

sim('SCHX3_31')

S2(n)=[mean(s)]';

S3(n)=S2(n)+eps;

EN(n)=[ErproVec(n)]';

end

semilogy(EN,(S3),'b')

holdon

forn=1:length(ErproVec)

SNR=ErproVec(n);

sim('SCHX3_33')

S21(n)=[mean(s1)]';

S31(n)=S21(n)+eps;

EN(n)=[ErproVec(n)]';

end

semilogy(EN,(S31),'r')

axis([-9,11,1e-14,3])

gridon

title('bpsk加線性編碼與僅有bpsk的傳輸特性比較');

xlabel('誤碼率');

ylabel('信噪比');

圖3-34BPSK調(diào)制有無(wú)線性編碼時(shí)通信系統(tǒng)的傳輸特性比較3.3.2循環(huán)碼

循環(huán)碼差措控制通信系統(tǒng)的仿真框圖如圖3-35所示。它的的基本工作過(guò)程是：二進(jìn)制循環(huán)碼編碼器的輸入信號(hào)是一個(gè)k列的行矢量，輸出的是n列的行矢量，則它產(chǎn)生的是一個(gè)(n，k)的循環(huán)碼，其中。在信息欄長(zhǎng)度處設(shè)為k，或者設(shè)為cyclpoly(n,k,‘min’)(注意并不是所有的n、k組合都可以構(gòu)成循環(huán)碼)。

本例是將傳輸數(shù)據(jù)分成4個(gè)比特一組，經(jīng)過(guò)編碼矩陣進(jìn)行變換。變成長(zhǎng)度為7比特的數(shù)據(jù)，參看圖3-36所示循環(huán)編碼器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。解碼后，再還原為原來(lái)的4個(gè)比特一組的數(shù)據(jù)。信號(hào)源參數(shù)設(shè)定要注意，傳輸數(shù)據(jù)分成4個(gè)比特一組時(shí)，每幀數(shù)據(jù)采樣應(yīng)設(shè)為4。

通過(guò)程序3-292(見(jiàn)光盤)控制SCHX3_35及SCHX3_33的仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，得出如圖3-37所示的傳輸特性。可以看出因?yàn)橛醒h(huán)編碼，傳輸效率降低為原來(lái)的4/7，這樣換來(lái)了3.5dB的傳輸特性的改善。

圖3-35BPSK調(diào)制加上循環(huán)編碼的通信仿真系統(tǒng)(SCHX3_35.mdl)

圖3-36循環(huán)編碼的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

圖3-37BPSK調(diào)制有無(wú)循環(huán)編碼通信系統(tǒng)的傳輸特性比較3.3.3里德-索洛蒙碼

1．二進(jìn)制里德-索洛蒙碼

差錯(cuò)控制通信系統(tǒng)的仿真框圖如圖3-38所示。它的基本工作過(guò)程是，將數(shù)據(jù)每k個(gè)比特分為一組，稱為信息組。然后將長(zhǎng)度為k的信息組映射運(yùn)算(編碼)，得到一個(gè)n比特構(gòu)成的碼字ci。這樣得到的RS碼稱為(n,k)碼，定義為編碼效率?？梢约m錯(cuò)的位數(shù)由下式?jīng)Q定：

(3-6)參數(shù)碼字長(zhǎng) ，信息 。t是可以糾錯(cuò)的碼數(shù)。

(3-7)

圖3-38BPSK調(diào)制加上二進(jìn)制RS編碼的通信仿真系統(tǒng)(SCHX3_38.mdl)本例中是將傳輸數(shù)據(jù)分成5個(gè)比特一組，經(jīng)過(guò)下面的編碼變換，變換成長(zhǎng)度為7比特一組的數(shù)據(jù)，參看圖3-39所示的二進(jìn)制RS編碼器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。解碼后，再還原為原來(lái)的5個(gè)比特一組的數(shù)據(jù)。信號(hào)源參數(shù)設(shè)定要注意，傳輸數(shù)據(jù)分成5個(gè)比特一組時(shí)。每幀數(shù)據(jù)采樣應(yīng)設(shè)為15，這里15是k?×?m的結(jié)果。

通過(guò)程序3-293(見(jiàn)光盤)控制SCHX3_38及SCHX3_33仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，得出圖3-40所示的傳輸特性。從圖可以看出因?yàn)橛卸M(jìn)制RS編碼，傳輸效率降低為原來(lái)的5/7，這樣換來(lái)了5.5dB的傳輸特性的改善。

2．整數(shù)里德-索洛蒙碼

整數(shù)RS編碼的通信仿真系統(tǒng)框圖如圖3-41所示。它是由整數(shù)RS編解碼模塊與16QAM調(diào)制解調(diào)模塊組成的。

本例中數(shù)據(jù)字長(zhǎng)是9，編碼后碼字長(zhǎng)是15。參見(jiàn)圖3-42所示整數(shù)RS編碼器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。通過(guò)程序3-293Ⅰ(見(jiàn)光盤)控制SCHX3_41及SCHX3_44仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，仿真結(jié)果參看圖3-43?？梢?jiàn)傳輸效率降低為原來(lái)的9/15，換來(lái)了5.5dB的傳輸特性的改善。

圖3-39二進(jìn)制RS編碼器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

圖3-40BPSK調(diào)制有無(wú)二進(jìn)制RS編碼通信系統(tǒng)的傳輸特性比較

圖3-4116QAM調(diào)制加上整數(shù)RS編碼的通信仿真系統(tǒng)(SCHX3_41.mdl)

圖3-42整數(shù)RS編碼器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

圖3-4316QAM調(diào)制有無(wú)整數(shù)RS編碼通信系統(tǒng)的傳輸特性比較

圖3-4416QAM調(diào)制系統(tǒng)(SCHX3_44.mdl)3.3.4卷積碼

卷積碼差錯(cuò)控制通信系統(tǒng)的仿真框圖如圖3-45所示。它是由卷積編解碼模塊與BPSK調(diào)制解調(diào)模塊組成的。

卷積編碼器用電路實(shí)現(xiàn)時(shí)結(jié)構(gòu)可以用圖3-46來(lái)描述。圖3-47所示為卷積編碼器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，參數(shù)用格型結(jié)構(gòu)，TrellisStructure是用poly2trellis(9，[753561])來(lái)描述的。它就是IS-95CDMA通信系統(tǒng)下行信號(hào)的卷積編碼方式。表示約束長(zhǎng)度是9，生成多項(xiàng)式的8進(jìn)制表達(dá)為[753561]。

圖3-45BPSK調(diào)制加上卷積編碼的通信仿真系統(tǒng)(SCHX3_45.mdl)

圖3-46

poly2trellis(9，[753561])的電路表達(dá)

圖3-47卷積編碼器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框本例中是將1個(gè)比特傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)卷積編碼后，變換成長(zhǎng)度為2比特的數(shù)據(jù)，解碼后，再還原為原來(lái)的1個(gè)比特的數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)定要注意：誤碼率計(jì)算模塊的接收延遲應(yīng)該與維特比(卷積)解碼器模塊的反饋深度一致，參見(jiàn)圖3-48所示卷積解碼器的參數(shù)設(shè)置，本例中是50。

通過(guò)程序3-294(見(jiàn)光盤)控制SCHX3_45及SCHX3_33的仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，得出圖3-49所示的傳輸特性。可以看出因?yàn)橛芯矸e編碼，傳輸效率降低為原來(lái)的1/2，但卻換來(lái)了約8dB的傳輸特性的改善。

圖3-48卷積解碼(維特比解碼)器的參數(shù)設(shè)置

圖3-49BPSK調(diào)制有無(wú)卷積編碼的通信系統(tǒng)的傳輸特性比較3.3.5漢明碼

漢明碼差錯(cuò)控制通信系統(tǒng)的仿真框圖如圖3-50所示。它是由卷積編解碼模塊與BPSK調(diào)制解調(diào)模塊組成的。

工作過(guò)程是長(zhǎng)度為k比特的信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼，輸出信號(hào)的長(zhǎng)度為n比特，則產(chǎn)生的是一個(gè)(n,k)漢明碼。

本例中是將傳輸數(shù)據(jù)分成4個(gè)比特一組，經(jīng)過(guò)漢明碼的編碼變換。變成長(zhǎng)度為7個(gè)比特一組的數(shù)據(jù)，參見(jiàn)圖3-51漢明編碼器參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。解碼后，再還原為原來(lái)的4個(gè)比特一組的數(shù)據(jù)。信號(hào)源參數(shù)設(shè)置時(shí)要注意：傳輸數(shù)據(jù)分成4個(gè)比特一組時(shí)，每幀數(shù)據(jù)采樣應(yīng)設(shè)為4。

圖3-50BPSK調(diào)制加上漢明編碼的通信仿真系統(tǒng)(SCHX3_50.mdl)

圖3-51漢明編碼器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框通過(guò)程序3-295(見(jiàn)光盤)控制SCHX3_50及SCHX3_33的仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，得出圖3-52所示的傳輸特性。可以看出因?yàn)橛袧h明編碼，傳輸效率降低為原來(lái)的4/7，但卻換來(lái)了5dB的傳輸特性的改善。

圖3-52BPSK調(diào)制有無(wú)加上漢明編碼通信系統(tǒng)的傳輸特性比較3.3.6BCH碼

BCH碼差錯(cuò)控制通信系統(tǒng)的仿真框圖如圖3-53所示。它是由BCH編解碼模塊與BPSK調(diào)制解調(diào)模塊組成的。

本例中是將傳輸數(shù)據(jù)分成5個(gè)比特一組，經(jīng)過(guò)BCH編碼變換，變成長(zhǎng)度為15個(gè)比特一組的數(shù)據(jù)，如圖3-54所示BCH編碼器參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。解碼后，再還原為原來(lái)的5個(gè)比特一組的數(shù)據(jù)。信號(hào)源參數(shù)設(shè)定要注意：傳輸數(shù)據(jù)分成5個(gè)比特一組時(shí)，每幀數(shù)據(jù)采樣應(yīng)設(shè)為5。

圖3-53BPSK調(diào)制加上BCH編碼的通信仿真系統(tǒng)(SCHX3_53.mdl)

圖3-54BCH編碼器參數(shù)設(shè)置對(duì)話框通過(guò)程序3-296(見(jiàn)光盤)控制SCHX3_53及SCHX3_33仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，得出圖3-55所示的傳輸特性。可以看出因?yàn)橛蠦CH編碼，傳輸效率降低為原來(lái)的1/3，但卻換來(lái)了6dB的傳輸特性的改善。

對(duì)于BCH碼來(lái)說(shuō)，當(dāng)確定了碼字長(zhǎng)度n(只能取是正整數(shù))之后，只有對(duì)應(yīng)特定的信息序列k才能產(chǎn)生BCH碼。

圖3-55BPSK調(diào)制有無(wú)BCH編碼通信系統(tǒng)的傳輸特性比較3.3.7循環(huán)冗余碼

循環(huán)冗余CRC碼差錯(cuò)控制通信系統(tǒng)的仿真框圖如圖3-56所示。它是由循環(huán)冗余編解碼模塊與BPSK調(diào)制解調(diào)模塊組成的。

本例中是將傳輸數(shù)據(jù)分成7個(gè)比特一組，經(jīng)過(guò)CRC編碼變換，參看圖3-57所示CRC編碼器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。

圖3-56CRC編碼加上BPSK調(diào)制的仿真系統(tǒng)(SCHX3_56.mdl)

圖3-57CRC編碼器的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框生成多項(xiàng)式Generatorpolynominal是[11111]。變換成長(zhǎng)度為11個(gè)比特一組的數(shù)據(jù)，解碼后，再還原為原來(lái)的7個(gè)比特一組的數(shù)據(jù)。信號(hào)源參數(shù)設(shè)定要注意，傳輸數(shù)據(jù)分成7個(gè)比特一組時(shí)，每幀數(shù)據(jù)采樣應(yīng)設(shè)為7。

通過(guò)程序3-297(見(jiàn)光盤)控制SCHX3_56及SCHX3_33的仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，得出圖3-58所示的傳輸特性?？梢钥闯鲆?yàn)橛蠧RC編碼，傳輸效率降低為原來(lái)的7/11，但卻換來(lái)了2dB的傳輸特性的改善。

圖3-58BPSK調(diào)制有無(wú)加上CRC編碼通信系統(tǒng)的傳輸特性比較

3.4.1統(tǒng)計(jì)模塊庫(kù)

Simulink信號(hào)處理工具箱中的統(tǒng)計(jì)模塊庫(kù)如圖3-59所示，有：

(1)最小值統(tǒng)計(jì)模塊(Minimum)：用于查找輸入或輸入序列的最小值。

(2)最大值統(tǒng)計(jì)模塊(Maximum)：用于查找輸入或輸入序列的最大值。3.4信號(hào)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的測(cè)量

(3)平均值統(tǒng)計(jì)模塊(Mean)：用于計(jì)算輸入或輸入序列的算術(shù)平均值。平均值統(tǒng)計(jì)模塊可計(jì)算輸入信號(hào)每一行或列的均值，還可以跟蹤計(jì)算序列輸入在一段時(shí)間內(nèi)的平均值。在Runing統(tǒng)計(jì)模式下，平均值統(tǒng)計(jì)模塊將對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)計(jì)。

(4)標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)模塊(StandardDeviation)：計(jì)算輸入或輸入序列的標(biāo)準(zhǔn)差。用法與平均值統(tǒng)計(jì)模塊(Mean)類似。

(5)方差統(tǒng)計(jì)模塊(Variance)：計(jì)算輸入或輸入序列的方差。

(6)均方根統(tǒng)計(jì)模塊(RMS)：計(jì)算輸入或輸入序列的均方根值。

(7)自相關(guān)統(tǒng)計(jì)模塊(Autocorrelation)：計(jì)算輸入向量或矩陣自相關(guān)值。如果輸入信號(hào)是基于幀的，自相關(guān)統(tǒng)計(jì)模塊將計(jì)算幀中各輸入列信號(hào)的自相關(guān)值。如果輸入信號(hào)是基于N維采樣值的，則自相關(guān)統(tǒng)計(jì)模塊將沿著第一維計(jì)算自相關(guān)值。模塊的輸出總是基于采樣值的。

(8)互相關(guān)統(tǒng)計(jì)模塊(XCORR)：計(jì)算兩路輸入向量或矩陣的互相關(guān)值。

(9)消除線性趨勢(shì)模塊(Detrend)：刪除輸入矢量中的線性趨勢(shì)分量。該模塊在長(zhǎng)度為M的輸入向量上，減去在最小二乘意義上擬合的直線數(shù)據(jù)。

(10)統(tǒng)計(jì)直方圖模塊(Histogram)：生成輸入或輸入序列的頻率直方圖。通常用于統(tǒng)計(jì)計(jì)算輸入隨機(jī)信號(hào)的概率密度函數(shù)。

(11)中值統(tǒng)計(jì)模塊(Median)：計(jì)算輸入信號(hào)的中值。

(12)排序模塊(Sort)：對(duì)輸入序列進(jìn)行排序輸出，并輸出排序后的索引。

圖3-59Simulink信號(hào)處理工具箱中的統(tǒng)計(jì)模塊庫(kù)3.4.2概率密度函數(shù)

圖3-60的模型演示了如何估計(jì)和測(cè)量隨機(jī)信號(hào)的概率分布特性(估計(jì)概率密度函數(shù))。其中，采用通信工具箱中的噪聲信源模型，分別產(chǎn)生高斯分布、瑞利分布、賴斯分布以及均勻分布的隨機(jī)數(shù)，然后用直方圖統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)它們的概率密度函數(shù)進(jìn)行估計(jì)。4種隨機(jī)噪聲經(jīng)過(guò)Mux合路后，再由緩存大小為100的Buffer模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)換為4路并行信號(hào)(100?×?4)并送入直方圖統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。直方圖統(tǒng)計(jì)模塊的復(fù)位端(Rs)設(shè)置為上升沿復(fù)位，外接一個(gè)在10s產(chǎn)生躍變的階躍信號(hào)，使得直方圖統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)0～10s期間的信號(hào)不做統(tǒng)計(jì)，以避免隨機(jī)數(shù)初始輸出隨機(jī)性不好的影響。直方圖統(tǒng)計(jì)模塊統(tǒng)計(jì)區(qū)間為-5～+5，分作1000個(gè)子區(qū)間，參看圖3-61所示直方圖模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。故輸出為大小是的4路矢量構(gòu)成的矩陣序列。直方圖統(tǒng)計(jì)模塊中設(shè)置歸一化選項(xiàng)和Runing模式。執(zhí)行仿真后，矢量示波器顯示的波形表示了輸入統(tǒng)計(jì)直方圖曲線，如圖3-62所示。

圖3-60隨機(jī)信號(hào)概率密度函數(shù)直方圖估計(jì)模型(SCHX3_60.mdl)

圖3-61直方圖模塊參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

圖3-62高斯、瑞利、賴斯以及均勻分布的隨機(jī)數(shù)的頻率統(tǒng)計(jì)直方圖3.4.3瑞利衰落信道的仿真測(cè)試

測(cè)試模型(如圖3-63)表示了一個(gè)瑞利衰落信道的測(cè)試實(shí)例，演示對(duì)信道輸出信號(hào)功率、信道幅度衰落統(tǒng)計(jì)特征的測(cè)量和表達(dá)。

瑞利衰落信道的基帶模型中，可以設(shè)置多徑的徑數(shù)，每一傳輸路徑的延遲量和平均衰減量(dB)。并可設(shè)置最大多普勒頻移量、多普勒頻譜的類型等。參看圖3-64所示瑞利衰落信道的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。

圖3-63瑞利衰落信道的測(cè)試實(shí)例(SCHX3_63.mdl)這里，我們?cè)O(shè)置4徑模型，離散路徑延遲矢量為[0,2?×?10-6,3?×?10-6,4?×?10-6](s)，對(duì)應(yīng)的平均路徑增益矢量為[0,-3,-5,-10](dB)。最大多普勒頻移為40Hz，多普勒頻譜的類型為Jakes。并選中輸出信號(hào)增益矢量歸一化為0dB(即1W)，選擇路徑增益復(fù)矢量輸出端口項(xiàng)。這樣，瑞利衰落信道的輸出端口就有兩個(gè)，其中信號(hào)輸出端口接入方差統(tǒng)計(jì)模塊的平均模塊，以求取輸出信號(hào)的交流功率。路徑增益復(fù)矢量輸出端口輸出的路徑增益是復(fù)高斯隨機(jī)數(shù)，求模后得出瑞利分布的隨機(jī)數(shù)，以統(tǒng)計(jì)直方圖模塊對(duì)其概率密度函數(shù)進(jìn)行估計(jì)，在矢量示波器上顯示。執(zhí)行仿真后，測(cè)量得到信道輸出信號(hào)功率平均值為1.007W，驗(yàn)證了瑞利衰落信道的增益歸一化選項(xiàng)有效。在矢量示波器上將動(dòng)態(tài)顯示4條路徑的幅度統(tǒng)計(jì)分布，如圖3-65所示，從而驗(yàn)證了幅度服從瑞利分布。

圖3-64瑞利衰落信道的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

圖3-65矢量示波器上動(dòng)態(tài)顯示的4路徑幅度增益分布設(shè)置的平均路徑增益矢量為[0,-3,-5,-10](dB)，對(duì)應(yīng)電壓增益(倍數(shù))為[1.0000,0.7079,0.5623,0.3162]。4條路徑的幅度的均值也用Mean模塊統(tǒng)計(jì)出來(lái)，Mean1將1幀信號(hào)(100個(gè)數(shù)據(jù))進(jìn)行平均，然后再以Mean2模塊對(duì)平均結(jié)果進(jìn)行Runing平均，最后顯示在Display1上。圖3-63中顯示為[0.6352,0.4538,0.3615,0.2012]，數(shù)據(jù)之間的比例與設(shè)置值([1.0000,0.7079,0.5623,0.3162])是對(duì)應(yīng)的。

瑞利信道模型自身也帶一個(gè)信道特性的可視化表達(dá)窗口，選中“Openchannelvisualizationatstartofsimulation”后可以在執(zhí)行仿真時(shí)開(kāi)啟這一可視化表達(dá)窗口，如圖3-66所示。

圖3-66瑞利信道特性可視化表達(dá)窗口(a)瑞利信道特性可視化表達(dá)窗口展示的信道相應(yīng)瀑布圖

圖3-66瑞利信道特性可視化表達(dá)窗口(b)瑞利信道特性可視化表達(dá)窗口展示的多徑衰落分量

圖3-66瑞利信道特性可視化表達(dá)窗口(c)瑞利信道特性可視化表達(dá)窗口展示的多普勒譜

圖3-66瑞利信道特性可視化表達(dá)窗口(d)瑞利信道特性可視化表達(dá)窗圖窄帶相位軌跡圖3.4.4圖像的灰度直方圖

視頻圖像的灰度直方圖是重要的測(cè)量參數(shù)，對(duì)于彩色圖像，還可以分別統(tǒng)計(jì)紅、綠、藍(lán)三個(gè)色度分量的動(dòng)態(tài)直方圖，或?qū)ζ渌伾臻g的分量進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)。圖3-67是對(duì)彩色視頻“vipmen.avi”的紅、綠、藍(lán)三色(R、G、B)以及亮度和兩路色差(Y、Cr、Cb)信號(hào)的動(dòng)態(tài)直方圖統(tǒng)計(jì)測(cè)量模型。其中，視頻文件由從媒體文件中讀取視頻模塊(FromMultimediaFile)讀入，輸出數(shù)據(jù)類型設(shè)置為uint8的，分三基色輸出。用視頻觀察器模塊監(jiān)視輸出視頻圖像，其輸入模式也相應(yīng)設(shè)置為三基色輸入方式。紅、綠、藍(lán)(R、G、B)三色空間的信號(hào)通過(guò)顏色空間轉(zhuǎn)換模塊(ColorSpaceConversion)轉(zhuǎn)換為亮度和兩路色差(Y、Cr、Cb)信號(hào)。直方圖統(tǒng)計(jì)采用Histogram模塊完成，設(shè)置統(tǒng)計(jì)范圍為0～255，對(duì)應(yīng)輸入的uint8數(shù)據(jù)類型的取值范圍。分組區(qū)間數(shù)可設(shè)為256，即將輸入范圍數(shù)值均勻劃分為256份來(lái)進(jìn)行直方圖頻數(shù)統(tǒng)計(jì)。三路直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別是256?×?1的矩陣，為了在矢量示波器上對(duì)比顯示，可以用矩陣合成模塊(MatrixConcatenate)將3路信號(hào)合成為256?×?3的矩陣，再輸入到矢量示波器上。矢量示波器設(shè)置為用戶自定義的，還需要設(shè)置其顯示范圍、顯示線型和顯示線顏色等。例如，畫線顏色設(shè)置為“[100]?|?[010]?|?[001]”，表示三條線分別以紅、綠和藍(lán)色作圖。執(zhí)行仿真后，矢量示波器上顯示隨視頻幀實(shí)時(shí)變化的統(tǒng)計(jì)直方圖，如圖3-68所示。

圖3-67對(duì)彩色視頻信號(hào)的動(dòng)態(tài)直方圖統(tǒng)計(jì)測(cè)量模型(SCHX3_67.mdl)

圖3-68“vipmen.avi”視頻信號(hào)的統(tǒng)計(jì)直方圖曲線(a)紅、綠、藍(lán)(R、G、B)三色信號(hào)的統(tǒng)計(jì)信號(hào)的

圖3-68“vipmen.avi”視頻信號(hào)的統(tǒng)計(jì)直方圖曲線(b)亮度和兩路色差(Y、Cr、Cb)直方圖曲線統(tǒng)計(jì)直方圖曲線(小圖是視頻圖像)

3.5.1模塊庫(kù)

MATLAB/Simulink2008B版本中提供了“視頻與圖像處理模塊庫(kù)”(VideoandImageProcessingBlockset)，以便利用Simulink框圖方式來(lái)構(gòu)建對(duì)視頻與圖像的計(jì)算和處理模型。3.5 圖像和視頻信號(hào)的測(cè)量與表達(dá)視頻與圖像處理模塊庫(kù)如圖3-69所示，其中包含有圖像和視頻源(Sources)、圖像和視頻顯示(Sinks)、分析和圖像增強(qiáng)(Analysis&Enhancement)、圖像轉(zhuǎn)換(Conversions)、濾波(Filtering)、幾何變換(GeometricTransformations)、形態(tài)學(xué)操作(MorphologicalOperations)、統(tǒng)計(jì)(Statistics)、字符與圖形(Text&Graphics)、變換(Transforms)以及輔助計(jì)算工具(Utilities)等子模塊庫(kù)，還包含一個(gè)實(shí)例集(Demos)。限于篇幅，本書僅介紹圖像和視頻讀入、顯示和表達(dá)以及簡(jiǎn)單的處理過(guò)程的例子。

圖3-69視頻與圖像處理模塊庫(kù)圖像和視頻源子模塊庫(kù)包含如下模型(圖3-70)：(1)從工作空間中讀取視頻(VideoFromWorkspace)；(2)從工作空間中讀取圖像(ImageFromWorkspace)；(3)從媒體文件中讀取視頻(FromMultimediaFile)；(4)從文件中讀取圖像(ImageFromFile)；(5)讀取二進(jìn)制文件(ReadBinaryFile)。

圖像和視頻顯示模塊庫(kù)包含如下模型(圖3-71)：(1)視頻觀察器(VideoViewer)；(2)視頻輸出到工作空間(VideoToWorkspace)；(3)寫二進(jìn)制文件(WriteBinaryFile)；(4)輸出到視頻流(ToVideoDisplay)；(5)輸出到多媒體文件(ToMultimediaFile)；(6)幀速率顯示(FrameRateDisplay)。

圖3-70圖像和視頻源子模塊庫(kù)

圖3-71圖像和視頻顯示模塊庫(kù)3.5.2圖像的讀出與顯示

圖3-72所示的例子中，通過(guò)文件中讀取圖像(ImageFromFile)模塊讀取一幅圖像(bmp、jpg、png或tif格式均可)，再通過(guò)視頻觀察器(VideoViewer)顯示出來(lái)。其中，設(shè)置文件中讀取圖像模塊所讀取的文件為MATLAB自帶例子圖片“peppers.png”，輸出數(shù)據(jù)類型為“double”型，以多維信號(hào)形式輸出三基色(R、G、B)，輸出采樣時(shí)間設(shè)置為0.05s，即每秒輸出20幀。對(duì)輸出圖像用兩個(gè)可調(diào)增益模塊分別疊加一個(gè)可變的系數(shù)，再乘以另一個(gè)可變的系數(shù)，用以模擬對(duì)圖像亮度和對(duì)比度的調(diào)節(jié)。

圖3-72從文件中讀取圖像，調(diào)節(jié)亮度和對(duì)比度并顯示(SCHX3_72.mdl)開(kāi)啟模型的數(shù)據(jù)類型顯示和數(shù)據(jù)維度顯示后，在信號(hào)線上可見(jiàn)到傳輸數(shù)據(jù)類型和維度。圖片“peppers.png”是一個(gè)384