《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》第7章 課后習(xí)題答案

《物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)》第7章課后習(xí)題答案

1(1)按照7.1.1實驗內(nèi)容和步驟，通過MATLAB腳本程序?qū)嶒灧抡娼Y(jié)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(nèi)容所示，文件名為commChannel.slx

腳本程序代碼如下：

%commChanmain.ni文件名

%snrVec表示信噪比向量值，單位dB

snrVec=0:15;

%初始化誤比特率向量

ber=zeros(lenglh(snrVec),1);

%BFSK調(diào)制的頻率間隔等于24kHz

Frequencyseparation=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(shè)置為10秒

SirnulationTime=10;

%BFSK調(diào)制信號每人符號的抽樣數(shù)等于2

SamplesPerSymbol=2;

%循環(huán)執(zhí)行仿真程序

fori=l:lcngth(snrVcc)

%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

simC^ommChannel');

%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信道的浜比特率，此處需將dB單位

進(jìn)行轉(zhuǎn)換

theoryBitErrorRate=qfunc(sqrt(10.A(snrVec/10)));

第1頁共28頁

%繪制仿真信噪比和誤比特率的關(guān)系曲線圖，縱坐標(biāo)采用對數(shù)坐標(biāo)，紅色曲

線

semilogy(snrVcc,bcr,'-r*');

%在同一坐標(biāo)系下畫多條曲線

holdon

grid

xlabelCSNR(dB),)

ylabel('BitErrorRate')

%繪制理論的信噪比卻誤比特率的關(guān)系曲線圖，縱坐標(biāo)采用對數(shù)坐標(biāo)，藍(lán)色

曲線

semilogy(snrVec,theoryRitErrorRate,'-h*');

仿真結(jié)果如下:

圖中藍(lán)色曲線為理論曲線，紅色曲線為實驗與真曲線。

從圖中可以看出，在加性高斯白噪聲(AWGN)信道下，BFSK調(diào)制信號的

誤比特率隨著信噪比的增加而降低，當(dāng)信噪比達(dá)到14dB左右時，誤比特率剛好

第2頁共28頁

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(dá)10dB時誤比特率就低

于于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2.，它們的相對增益則分別為OdB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)o其中單輸入單輸出衰落信道的主要

參數(shù)設(shè)置如表7-40所示，試給出該場景下的仿真結(jié)果。

表7?40單輸入單輸出衰落信道(SISOFadingChannel)的參數(shù)設(shè)置

參數(shù)名稱參數(shù)值

Discretepathdelays(s)[02e-61

Averagepathgains(dB)[0-3]

Normalizeaveragepathgainsto0dBChecked

FadingdistributionRaleigh

MaximumDopplerShift(Hz)30

Dopplerspectrumdoppler(*Jake,)

InitialSeed67

解Simulink仿真框圖如下圖所示,文件名為commChannelRayleigh.slx

%3m?-SimukMc

(dilVWwOispUyOwgr?nSmjiMtonMyvtCodeTo<M?Mp

「,I?*i溢

?jtXVanab<e$?fpOtKrete|

第3頁共28頁

%繪制信噪比和誤比特率的關(guān)系曲線圖，縱坐標(biāo)采用對數(shù)坐標(biāo)

semilogy(snrVec,ber/-b*');

grid

xlabel('信噪比(dB),)

ylabelC誤比特率，)

仿真結(jié)果如下：

4TFigure1—□X

文件(F)編輯(E)查看(V)插入(I)工具⑴桌面(D)窗口(W)幫助(H)

051015

信噪比(dB)

圖中藍(lán)色曲線為多徑瑞利哀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。

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2(1)按照7.1.2實驗內(nèi)容和步驟，通過MATLAB腳本程序?qū)QPSK實驗

仿真結(jié)果和QPSK仿真結(jié)果繪制在一張圖中進(jìn)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(shè)置改為如下圖所示。

1%1BlockParameters:ErrorRateCalculationX

symbolscompared.Thisvectorcanbesenttoeitherthe?

woikspaueorcmoutputport.

Thedelaysarespecifiedinnumberofsamples,regardlessof

whethertheinputisascalaroravector.Theinputstothe

Tx'and'Rx'portsmustbescalarsorcolumnvectors.

ThetStopsimulation*optionstopsthesimulationupon

detectingatargetnumberoferrorsoramaximumnumberof

symbols,whichevercomesfirst.

Parameters

Computationmode:Entireframe

Outputdata:Workspace

Variableriamfii————

^pskErrorVec

OResetport

□Stopsimulation

OKCancelHelpApp1y

QPSK系統(tǒng)與DQPSK僅在調(diào)制解調(diào)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.slxo

第6頁共28頁

口

回

QPSKModulatorBaseband（QPSK基帶調(diào)制器）

第7頁共28頁

QPSKDemodulatorBaseband（QPSK基帶解調(diào)器）

ErrorRateCalculation（誤而馬率計算器）

I%1BlockParameters:ErrorRateCalculationX

symbolscompared.Thisvectorcanbesenttoeitherthe,

workspaceoranoutputport.

Thedelaysarespecifiedinnumberofsamples,regardlessof

whethertheinputisascalaroravector.Theinputstothe

‘Tx'and'Rx'portsmustbescalarsorcolumnvectors.

Thp*Stnpsimii1ation*oplionsinps1hpinnupon

detectingatargetnumberoferrorsoramaximumnumberof

symbols,whichevercomesfirst.

Parameters

Receivedelay:

0

Computationdelay:

0

Computationmed。：Entireframe

OKCancelHelp

第8頁共28頁

M文件dqpskModmain.m對QPSK和DQPSK兩個仿真模型進(jìn)行仿真。

腳本程序代碼如下：

%dqpskModmain.m文件名

clear;

%設(shè)置調(diào)制信號的抽樣間隔

SampleTime=1/50000;

%設(shè)置仿真時間的長度

SimulationTime=10;

%snrVec表示信噪比向量值，單位dB

snrVec=0:10;

%初始化誤符號率向量

dqpskser=7eros(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(diào)制信號的誤符號率

dqpskser(i)=dqpskErrorVec(l);

end

fork=klength(snrVec)

SNR-smVuc(k);

%執(zhí)行QPSK的仿真模型

sim('qpskMod')

%從ErrorVer中獲得調(diào)制信號的誤符號率

qpskser(k)=qpskErrorVec(l);

end

第9頁共28頁

%繪制信噪比與誤符號率的關(guān)系曲線

semilogy(snrVec,dqpskser,

holdon

grid

xlabeI('SNR(dB))

ylabel('SymboIErrorRate1)

semilogy(snrVec,qpskser,'-k*');

仿真結(jié)果如下圖所示:

回，Xi

文件(F)編策⑹查看(V)通入(I)IM(T)息面(D)窗口(W)顰助(H)

012345678910

SNR(dB)

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(diào)時由于

QPSK存在相位模糊問題，所以在實際中主要采用DQPSKo

(2)用MATLAB繪制不同滾降因子升余弦成型流波器的沖激響應(yīng)曲線。

第10頁共28頁

假設(shè)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?lo利用rcosine。函數(shù)生成升余弦滾降系統(tǒng)。

腳本程序代碼如下：

%raiscd_cosinc.m

clearall

Fd=le3;%截止頻率為Fd/2

Fs=Fd*100;%設(shè)置采樣頻率為100k

deiay=5;%設(shè)置時延為5

forr=[0,0.25,0.5,1]%滾降系數(shù)

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()l;

%每個循環(huán)改變一次顏色

figure(1);

plot(t,num,'Color*,1);

holdon;

axis([()0.01-0.31.1]);

title。升余弦滾降系統(tǒng)沖激響應(yīng))

xlabelC時間/s')

ylabel('h⑴')

end

結(jié)果如下：

第11頁共28頁

上圖說明，在每個碼元周期結(jié)束時，剛好是沖激響應(yīng)曲線的零點，可以消除

碼間串?dāng)_。同時，滾降系數(shù)越大時，升余弦滾降系統(tǒng)的沖激響應(yīng)衰減越快，越接

近理想低通特性。

3(1)按照7.1.3實驗內(nèi)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(jìn)行硬判決譯碼仿真，結(jié)果繪制在?張圖中進(jìn)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(jìn)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(jìn)制數(shù)表示為557、663和

711o

解按照7.1.3實驗內(nèi)容碼率1/2的卷積碼，其Simulink系統(tǒng)文件名為

chanEndecodel.slx

第12頁共28頁

ConvolutionalEncoder（卷積編碼器）的參數(shù)設(shè)置如下:

|%|BlockParameters:ConvolutionalEncoder

_____________—_______________________________________

ConvolutionalEncoder(mask)(link)

Convolutionallyencodebinarydata.Usethepoly2trellis

functiontocreateatrellisusingtheconstraintlength,code

generator(octal)andfeedbackconnection(octal).

Selectthe"Terminatetrellisbyappendingbits“operation

modetoterminatethetrellisattheall-zerostateby

appendingtailbitsattheendofeachinputframe.Checkthe

Puncturecodecheckboxtopuncturetheencodeddataforall

otheroperationmodes.

UsetheistrellisfunctioninMATLABtocheckifastructure

isavalidtrellisstructure.

Parameters

Trellisstructure:

poly2trellis(9,[753561])

Operationmode:Truncatedpreseteveryframe)▼

Specifyinitialstateviainputport

Outputfinalstate

Puncturecode

OK]CancelHelpApply

ViterbiDecoder（Viterbi譯碼器）的參數(shù)設(shè)置如下:

第13頁共28頁

&BlockParameters：ViterbiDecoder

ViterbiDecoder(mask)(link)

VsetheViterbialgorithmtodecodeconvolutionallyencodedinputdata.Isethepoly2trellis

functiontocreateatrellisusingtheconstraintlength,codegenerator(octal)andfeedback

connection(octal).

MainDataTypes|

Fixed-pointoperationalparameters

Settingsinthisgrouponly卻plyforHardandSoftdecisionswithfixed-pointinputsignals.

Statemetricwordlength:16同

Outputdatatype:[double▼

OK]「Cancel]|Help|

ToWorkspace（工作區(qū)寫入模塊）的參數(shù)設(shè)置如卜:

國BlockParameters:ToWorkspaceX

ToWorkspace

Writeinputiospecifiedtimeseries,array,orstructureina

workspace.Eormenu-basedsimulation,dataiswritteninthe

MATLABbaseworkspace.Dataisnotavailableuntilthe

simulationissloppedorpaused.

Tologabussignal,use”Timeserics'saveforniat.

Parameters

Variablename:

Decimation:

Saveformal:Timeseries

0Logfixed-pointdataasafiobject

Sampletime(■iforinherited):

IT-

OK|CancelHelp

第14頁共28頁

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.slx

ConvolutionalEncoder（卷積編碼器）的參數(shù)設(shè)置如下：

BlockParameters:ConvolutionalEncoder

ConvolutionalEncoder(mask)(link)

Convolutionallyencodebinarydata.Usethepoly2trellis

functiontocreateatrellisusingtheconstraintlength,code

generator(octal)andfeedbackconnection(octal).

Selecttae*Terminatetrellisbyappendingbits*operation

modetoterminatethetrellisattheall-zerostateby

appendingtailbitsattheendofeachinputfra>e.Checkthe

Puncturecodecheckboxtopuncturetheencodeddataforall

otheroperationmodes.

UsetheistrellisfunctionmMATLABtocheckifastructure

isavalidtrellisstructure.

Paraineters

Trellisstructure:

poly2trellis(9,[557663711])

Operationnode:Truncated(reseteveryfrane)▼)

Specifyinitialstateviaport

Outputfinalstate

Puncturecode

JOKICancelHelpApply

ViterbiDecoder（Viterbi譯碼器）的參數(shù)設(shè)置如下:

第15頁共28頁

ToWorkspace(工作區(qū)寫入模塊)的參數(shù)設(shè)置如下：

1%1BlockParameters:ToWorkspaceX

ToWorkspaceA

Writeinputtospecifiedtimeseries,array,orstructureina

workspace.Formenu-basedsimulation,dataiswritteninthe

MATLABbaseworkspace.Deilaisnotavailubleuntilthe

simulationissloppedorpaused.

Tologabussignal,use"Timeseries*saveformat.

Parameters

Variablename:

|BitErrorRatc2

Limitdatapointstolast:

inf

Decinuition:

|1~|[j]

Saveformat:Timcserics”

0Logfixed-pointdataasafiobject

Sampletime(-1forinherited):

~"iiyi

OKCance1HelpApply

腳本程序代碼如下：

%chanEndccodcrmain.m

%snrVec表示信噪比向量值，單位dB

clearall;

snrVec=-10:5;

%初始化誤比特率向量

berl=zeros(lenglh(snrVec),l);

ber2=zeros(length(snrVec),1);

%循環(huán)執(zhí)行仿真程序

fori=klength(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

BitEiTorRatel中

sim('chanEndccodc1

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%計算BilErrorRatel的均值作為本次仿真的誤比特率

berl(i)=mean(BitErrorRate1);

end

fork=l: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U3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

ber2(k)=mean(RitFrrorRate2);

end

%繪制信噪比和誤比特率的關(guān)系曲線圖，縱坐標(biāo)采用對數(shù)坐標(biāo)

semilogy(snrVec,berl,

holdon

grid

xlabeI('SNR(dB))

ylabel('BitErrorRate')

semilogy(snrVec,ber2,'-k*1);

第17頁共28頁

仿真結(jié)果如下圖所示:

-10-8-6-4-2024

SNR(dB)

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

比特率曲線。仿真的結(jié)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(jìn)行軟判決譯碼和硬判決譯碼仿真，將仿真結(jié)果繪

制在一張圖中進(jìn)行性能比較。（注意：軟判決譯碼時解調(diào)器的參數(shù)設(shè)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=poly2lrellis（3,[67]）其Simuliiik系統(tǒng)文件名為uhanEndecude.slx

第18頁共28頁

ConvolutionalEncoder（卷積編碼器）的參數(shù)設(shè)置如下：

i，|BlockParameters:ConvolutionalEncoder

ConvolutionalEncoder(mask)(link)

Convolutionallyencodebinarydata.Usethepoly2trellis

functiontocreateatrellisusingtheconstraintlength,code

generator(octal)andfeedbackconnection(octal).

Selectthe^Terminatetrellisbyappendingbits,*operation

modetoterminatethetrellisattheall-zerostateby

appendingtailbitsattheendofeachinputframe.Checkthe

Puncturecodecheckboxtopuncturetheencodeddataforall

otheroperationmodes.

UsetheistrellisfunctioninMATLABtocheckifastructure

Jisavalidtrellisstructure.

Parameters

Trellisstructure:

poly2trellis(3,[67])

Operationmode:[Truncatedpreseteveryframe)

Specifyinitialstateviainputport

Outputfinalstate

Puncturecode

JOK~[CancelHelp,[Apply

ViterbiDecoder（Vilerbi譯碼器）的參數(shù)設(shè)置如下:

第19頁共28頁

要進(jìn)行軟判決譯碼，通過AWGN信道的已調(diào)BPSK復(fù)信號必須先進(jìn)行映射

和解調(diào)，Viterbi譯碼器要求輸入數(shù)據(jù)為（）到7之間的整數(shù)，必須先進(jìn)行多于2

bit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

2?n??◎七?2y、????三匚??二?

由于通過AWGN信道的已調(diào)BPSK復(fù)信號的虛部為零，所以只需要轉(zhuǎn)換實

信號，先進(jìn)行歸一化然后再量化。將已調(diào)BPSK信號轉(zhuǎn)換成卷積碼譯碼器可識別

的整數(shù)數(shù)據(jù)。

編碼以及調(diào)制部分與硬判決相同，此處不再說明參數(shù)設(shè)置。

解調(diào)和譯碼部分各模塊參數(shù)設(shè)置如下：

第20頁共28頁

將通過AWGN信道的已調(diào)BPSK信號數(shù)據(jù)以復(fù)數(shù)形式表示:

數(shù)據(jù)歸一化:

第21頁共28頁

國BlockParameters:Gain

Gain

Element-wisegain(y=K.*u)ormatrixgain(y=K*uory=u*K).

MainSignalAttributesParameterAttributes

Gain:

-1

Multiplication:Element-wise(K.*u)

第22頁共28頁

數(shù)據(jù)量化（3比特量化）：

[%]BlockParameters:UniformEncoder

UniformEncoder(mask)(link)

Uniformlyquantizeandencodetheinputintospecifiednumber

ofbits.TheinputissaturatedatpositiveandnegativePeak

value.Outputdatatypeiseither8,16,or32-bitsignedor

unsignedinteger,basedontheleastnumberofbitsneeded.

Parameters

Peak:

2?

Bits:

3

Outputtype:[Unsignedinteger

第23頁共28頁

ViterbiDecoder(Viterbi譯碼器)的參數(shù)設(shè)置如下:

腳本程序代