Моделирование систем связи в MATLAB с помощью пакета расширения Communications Toolbox. Практическое руководство по применению в двух частях. Часть 1

Типикин Алексей Алексеевич 
 
 
 
 
Моделирование систем связи 
в MATLAB с помощью пакета  
расширения Communications Toolbox 
 
 
Практическое руководство по применению  
в двух частях 
 
 
 
 
Часть первая  
 
 
 
 
 
Москва 
СОЛОН-Пресс 
2022 
 

УДК 654, 621.3.049.77.029:681.3.06 
ББК 32.88 
П 30 
 
Типикин Алексей Алексеевич 
Моделирование систем связи в MATLAB с помощью 
пакета расширения Communications Toolbox. Практическое 
руководство по применению в двух частях. Часть первая  — 
М.: СОЛОН-Пресс, 2022. — 392 с.: ил.  
 
ISBN 978-5-91359-503-4 
 
Настоящая книга является практическим руководством по использованию MATLAB с пакетом расширения Communications 
Toolbox. Материал книги излагается по порядку, начиная от элементарных операций ввода-вывода данных в рабочее пространство, визуализации данных, генерации случайных сигналов и заканчивая 
сложными манипуляциями с данными, включающими элементы 
программирования. В книге комплексно рассмотрены вопросы 
функционирования и проектирования систем связи на физическом и 
канальном уровнях. Книга может быть интересна и полезна как 
начинающим, так и продвинутым пользователям MATLAB, проходящим обучение по телекоммуникационным специальностям, а 
также инженерам и научным работникам, занимающимся исследованиями в области создания и совершенствования систем связи. 
 
 
По вопросам приобретения обращаться: 
ООО «СОЛОН-Пресс» 
123001, г. Москва, а/я 82 
Телефоны:(495) 617-39-64, (495) 617-39-65 
E-mail: kniga@solon-press.ru,  
www.solon-press.ru 
Оптовые закупки 
ООО КТК «Галактика» 
115487, г. Москва, проспект Андропова, д. 38 
Телефоны: (499) 782-38-89 
E-mail: books@alians-kniga.ru, 
https://www.galaktika-dmk.com/
 
ООО «СОЛОН-Пресс» 
115487, г. Москва, пр-кт Андропова, дом 38, помещение № 8, комната № 2. 
Формат 60×88/16. Объем 24,5 п. л. Тираж 100 экз. 
 
ISBN 978-5-91359-503-4 
© СОЛОН-Пресс, 2022  
 
© Типикин А. А., 2022 
 

Содержание 
 
 
Содержание 
Список принятых сокращений .......................................................................... 6 
Некоторые эквиваленты терминов 
.................................................................. 13 
Предисловие автора 
.......................................................................................... 15 
1 Ввод и вывод сигналов. Отображение информации .................................. 17 
1.1 Основная терминология ..................................................................... 17 
1.2 Экспорт данных в MATLAB .............................................................. 18 
1.2.1  Использование 
блока 
передачи 
данных 
в 
рабочее 
пространство 
............................................................................... 18 
1.2.2  Конфигурация 
блока 
передачи 
данных 
в 
рабочее 
пространство 
............................................................................... 18 
1.2.3  Просмотр данных в рабочей области MATLAB ..................... 19 
1.2.4  Вывод сигнала и данных о частоте ошибок в рабочее 
пространство 
............................................................................... 19 
1.2.5  Просмотр сигнала и данных об ошибках в рабочем 
пространстве 
............................................................................... 21 
1.2.6  Анализ сигналов и данных об ошибках ................................... 23 
1.3 Средства ввода и вывода сигналов .................................................... 23 
1.3.1 Источники данных 
...................................................................... 24 
1.3.2 Источники помех ........................................................................ 27 
1.3.3 Генераторы последовательностей 
............................................. 28 
1.3.4 Средства отображения сигналов ............................................... 30 
1.3.5 Отображение синусоиды 
............................................................ 32 
1.3.6 Отображение модулированного сигнала .................................. 35 
1.4 Поддержка SDR-оборудования 
.......................................................... 43 
2 Работа с данными и сигналами 
..................................................................... 44 
2.1 Правила обработки сигналов в блоках Simulink .............................. 44 
2.2 Сигналы с поэлементной и покадровой разверткой ........................ 45 
2.3 Данные с фиксированной и плавающей запятой 
.............................. 48 
2.3.1 Числа с фиксированной запятой ............................................... 48 
2.3.2 Числа с плавающей запятой ...................................................... 52 
2.3.3 Имитация обработки данных с фиксированной запятой ........ 56 
2.4 Задержки при обработке сигналов 
..................................................... 57 
2.4.1  Задержка 
в 
модели 
цифровой 
абонентской 
линии 
стандарта ADSL.......................................................................... 58 
3 

Содержание 
 
2.4.2  Модель линии связи с перфорированным кодированием ...... 61 
2.4.3  Применение блоков Find Delay и Align Signals ....................... 64 
2.4.4  Проблема синхронизации сигналов в имитационных 
моделях Simulink 
........................................................................ 66 
2.4.5  Синхронизация сигналов при блочном кодировании ............. 70 
2.4.6  Синхронизация 
с 
помощью 
сдвига 
сигнала 
до 
перемежения ............................................................................... 72 
2.4.7  Синхронизация кодовых слов при комбинированном 
кодировании ............................................................................... 74 
2.4.8  Синхронизация сигналов при нелинейной цифровой 
модуляции 
................................................................................... 76 
3 Примеры работы с Communication System Toolbox в MATLAB ............... 79 
3.1 Грубая и точная компенсация частотного сдвига ............................ 79 
3.2 Коррекция временного и частотного сдвигов .................................. 82 
3.3 Вычисление вероятности битовой ошибки турбокода .................... 86 
3.4 Генераторы случайного шума 
............................................................ 89 
3.5 Визуализация частотно-селективных замираний в канале связи ... 91 
4 Адаптивная эквализация ............................................................................. 103 
4.1 Адаптивная эквализация. Пример № 1 
............................................ 103 
4.2 Адаптивная эквализация. Пример № 2 
............................................ 114 
4.2.1 Структура модели 
..................................................................... 114 
4.2.2 Исследование модели 
............................................................... 116 
4.2.3 Результаты моделирования 
...................................................... 117 
4.3 Сравнение RLS- и LMS-алгоритмов эквализации 
.......................... 122 
4.3.1 Подготовка исходных данных 
................................................. 122 
4.3.2 RLS-эквализация 
....................................................................... 122 
4.3.3 LMS-эквализация 
...................................................................... 124 
5 Системное проектирование ........................................................................ 127 
5.1 Кодирование источника 
.................................................................... 127 
5.1.1 Интервалы квантования ........................................................... 127 
5.1.2 Кодовые словари 
....................................................................... 127 
5.1.3 Определение индекса интервала по входным данным 
.......... 128 
5.1.4 Оптимизация параметров квантования .................................. 128 
5.1.5 Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция ............. 130 
5.1.6 Оптимизация параметров DPCM-модуляции ........................ 132 
5.1.7 Компандирование ..................................................................... 134 
5.1.8 Код Хаффмана .......................................................................... 136 
5.1.9 Арифметический код 
................................................................ 139 
4 

Содержание 
 
5.1.10 Квантование сигнала .............................................................. 140 
5.2 Обнаружение и исправление ошибок 
.............................................. 142 
5.2.1 Циклический избыточный код ................................................ 142 
5.2.2 Блочные коды 
............................................................................ 146 
5.2.3 Сверточные коды 
...................................................................... 161 
5.2.4 Линейные блочные коды ......................................................... 192 
5.2.5 Код Хэмминга ........................................................................... 203 
5.2.6 БЧХ-коды .................................................................................. 211 
5.2.7 Коды Рида – Соломона 
............................................................. 218 
5.2.8 Коды с малой плотностью проверок на четность .................. 230 
5.2.9 Поля Галуа................................................................................. 237 
5.2.10 Поля Галуа с нечетной характеристикой.............................. 277 
5.3 Перемежение ..................................................................................... 291 
5.3.1 Блочное перемежение .............................................................. 291 
5.3.2 Сверточное перемежение 
......................................................... 298 
5.4 Цифровая модуляция ........................................................................ 308 
5.4.1 Основы цифровой модуляции ................................................. 309 
5.4.2 Сигналы и задержки ................................................................. 314 
5.4.3 РМ-модуляция........................................................................... 323 
5.4.4 AM-модуляция 
.......................................................................... 325 
5.4.5 CPM-модуляция 
........................................................................ 330 
5.4.6 LLR-алгоритм ........................................................................... 333 
5.5 Аналоговая модуляция в полосе пропускания ............................... 335 
5.5.1 Общие сведения об аналоговой модуляции ........................... 335 
5.5.2 Представление сигналов для аналоговой модуляции 
............ 336 
5.5.3 Применение фильтров в демодуляторах ................................ 339 
5.6 Цепи фазовой автоподстройки частоты .......................................... 342 
5.6.1  Общие сведения о цепях фазовой автоподстройки  
частоты 
...................................................................................... 342 
5.6.2  Пример использования цепей фазовой автоподстройки 
частоты в системе связи с QPSK-модуляцией 
....................... 344 
5.7 Эквализация 
....................................................................................... 351 
5.7.1 Основные сведения об эквализации ....................................... 351 
5.7.2 Эквализация сигнала ................................................................ 352 
5.7.3 Структура эквалайзера ............................................................. 353 
5.7.4 Адаптивные алгоритмы 
............................................................ 359 
5.7.5 Применение адаптивных эквалайзеров .................................. 365 
5.7.6 MLSE-эквалайзеры ................................................................... 381 
Список литературы 
......................................................................................... 392 
5 

Список принятых сокращений 
 
 
 
 
 
 
Список принятых сокращений 
 ACLR – Adjacent Channel Leakage Ratio (коэффициент утечки мощности 
сигнала по соседнему каналу); 
 ACPR – Adjacent Channel Power Ratio (коэффициент ослабления мощности 
сигнала в соседнем канале); 
 
ACS – Array Coordinate System (антенная система координат, система координат антенной решетки); 
 
AGC – Automatic Gain Control (автоматическая регулировка усиления); 
 
AM – Amplitude Modulation (амплитудная модуляция); 
 
AOA – Angle Of Arrival (угол падения); 
 
AOD – Angle Of Departure (угол излучения); 
 
API – Application Programming Interface (интерфейс прикладного программирования); 
 
APP – A Posteriori Probability (Method) (апостериорно-вероятностный 
(метод)); 
 ASIC – Application-Specific Integrated Circuit (интегральная схема специального назначения); 
 AWGN – Addictive White Gaussian Noise (аддитивный белый гауссовский 
шум); 
 
BCH – Bose – Chaudhuri – Hocquenghem (Code) (код Боуза – Чоудхури – 
Хоквингема); 
 
BER – Bit Error Rate (вероятность битовой ошибки); 
 BPSK – Binary Phase Shift Keying (двоичная (двухпозиционная) фазовая 
манипуляция); 
 
BS – Base Station (базовая станция); 
 CCDF – Complementary Cumulative Distribution Function (комплементарная 
кумулятивная функция распределения); 
6 

Список принятых сокращений 
 
 
CDL – Clustered Delay Line (кластерная линия задержки); 
 
CG – Concept Group (концепт-группа, вариант размещения абонентов в 
WIM-модели); 
 
CIR – Channel Impulse Response (импульсная характеристика канала  
связи); 
 CMA – Constant Modulus Algorithm (алгоритм оценки с постоянным модулем); 
 CPFSK – Continuous Phase Frequency Shift Keying (частотная манипуляция с 
непрерывной фазой); 
 
CPM – Continuous Phase Modulation (модуляция с непрерывной фазой);  
 
CPU – Central Processing Unit (центральный процессор); 
 
CRC – Cyclic Redundancy Check (Сode) (циклический избыточный код); 
 
DBPSK – Differential Binary Phase Shift Keying (относительная двоичная 
(двухпозиционная) фазовая манипуляция); 
 
DFE – Decision Feedback Equalization (Equalizer) (эквализация (эквалайзер) с решающей обратной связью); 
 
DLL – Dynamic Link Library (динамически подключаемая библиотека); 
 DPCM – Differential Pulse Code Modulation (дифференциальная импульснокодовая модуляция); 
 DPSK – Differential Phase Shift Keying (относительная фазовая манипуляция); 
 
DQPSK – Differential Quadrature Phase Shift Keying (относительная квадратурная (четырехпозиционная) фазовая манипуляция); 
 DSB-SC – Double-Sideband Suppressed-Carrier (Modulation) (двухполосная 
амплитудная модуляция с подавленной несущей); 
 
DSP – Digital Signal Processing (цифровая обработка сигнала); 
 EADF – Effective Aperture Density Function (функция эффективной плотности апертуры); 
 
ECS – Element Coordinate System (элементная система координат, система координат элемента (антенной решетки)); 
 
EGC – Equal Gain Combining (линейное сложение); 
 
ERT – Error Rate Test (Console) (консоль расчета вероятности ошибки); 
 
EVM – Error Vector Magnitude (модуль вектора ошибки); 
7 

Список принятых сокращений 
 
 
FEC – Forward Error Correction (прямое исправление ошибок); 
 
FFT – Fast Fourier Transform (быстрое преобразование Фурье); 
 
FIR – Finite Impulse Response (конечная импульсная характеристика); 
 
FM – Frequency Modulation (частотная модуляция); 
 FPGA – Field-Programmable Gate Array (программируемая пользователем 
вентильная матрица или в общем случае программируемая логическая интегральная схема); 
 
FSE – Fractionally Spaced Equalizer (дробно-интервальный корректор 
(эквалайзер)); 
 
FSK – Frequency Shift Keying (частотная манипуляция); 
 
GCS – Global Coordinate System (глобальная система координат); 
GMEDS 
– Generalized Method Of Exact Doppler Spreads (обобщенный метод 
точного доплеровского разброса по частоте); 
 GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying (гауссовская манипуляция с минимальным частотным сдвигом); 
 
GPU – Graphics Processing Unit (графический процессор); 
 
HDL – Hardware Description Language (язык описания аппаратуры); 
 
IFFT – Inverse FFT (обратное быстрое преобразование Фурье); 
 
IIP3 – 3rd Order Input Intercept Point (точка пересечения интермодуляции 
третьего порядка по входу); 
 
IIR – Infinite Impulse Response (бесконечная импульсная характеристика); 
 
LA – Local Area (локальная группа, вариант размещения абонентов в 
WIM-модели, при котором абоненты расположены рядом друг с 
другом, в соседних помещениях); 
 LDPC – Low-Density Parity Check (Code) (код с низкой плотностью проверок на четность); 
 LFSR – Linear Feedback Shift Register (линейный регистр сдвига с обратной связью); 
 
LLR – Log-Likelihood Ratio (логарифмическое отношение правдоподобия); 
 
LMS – Least Mean Squares (алгоритм минимальной среднеквадратической 
ошибки, метод наименьших квадратов); 
 
LOS – Line Of Sight (прямая видимость); 
8 

Список принятых сокращений 
 
 
MA – Metropolitan Area (городская группа, вариант размещения абонентов в WIM-модели, при котором абоненты расположены в районе 
средней площади с городской застройкой); 
 
MER – Modulation Error Ratio (коэффициент ошибки модуляции); 
 MIMO – Multiple-Input Multiple-Output (множественный вход, множественный выход); 
 MLSE – Maximum-Likelihood Sequence Estimation (оценка по методу максимального правдоподобия); 
 
MRC – Maximal Ratio Combining (оптимальное сложение); 
 
MS – Mobile Station (мобильная станция); 
 
MSE – Mean Square Error (среднеквадратическое отклонение, ошибка); 
 
MSK – Minimum Shift Keying (манипуляция с минимальным частотным 
сдвигом); 
 NLOS – Non Line Of Sight (непрямая видимость); 
 
NRZ – Non-Return To Zero (без возврата к нулю); 
 OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing (ортогональное частотное разделение каналов); 
 OLOS – Obstructed Line Of Sight (канал прямой видимости с препятствиями); 
 OPSK – Offset Phase Shift Keying (фазовая манипуляция со сдвигом); 
 
OSI – Open System Interconnection (эталонная модель взаимодействия 
открытых систем); 
 
OSTBC – Orthogonal Space-Time Block Code (Сoding) (ортогональный пространственно-временной блочный код (кодирование)); 
 OVSF – Orthogonal Variable Spreading Factor (Code) (код с переменной 
длиной, определяемой коэффициентом расширения спектра); 
 
PAM – Pulse Amplitude Modulation (амплитудно-импульсная модуляция); 
 
PDP – Power-Delay Profile (профиль мощности сигнала по временным 
задержкам); 
 
PLL – Phase-Locked Loop (цепь ФАПЧ); 
 
PM – Phase Modulation (фазовая модуляция); 
 
PN – Pseudonoise (псевдошум); 
 
PSD – Power Spectrum Density (спектральная плотность мощности); 
9 

Список принятых сокращений 
 
 
PSK – Phase Shift Keying (фазовая манипуляция); 
 QAM – Quadrature Amplitude Modulation (квадратурная амплитудная модуляция); 
 QPSK – Quadrature 
Phase 
Shift 
Keying 
(четырехпозиционная 
(квадратурная) фазовая манипуляция); 
 RBW – Resolution Bandwidth (разрешение полосы сигнала); 
 
RC – Rised-Cosine (импульсная характеристика типа «приподнятый косинус»); 
 
RLS – Recursive Least Squares (рекурсивный метод наименьших квадратов); 
 
RMS – Root Mean Square (среднеквадратическое значение); 
 
RRC – Root-Rised-Cosine (импульсная характеристика типа «корень из 
приподнятого косинуса»); 
 
RS – Reed – Solomon (Code) (код Рида – Соломона); 
 
RTL – Run-Time Library (библиотека этапа исполнения); 
 SCCC – Serially Concatenated Convolutional Code (последовательно каскадированный сверточный код); 
 
SCM – Spatial Channel Model (пространственная модель канала радиосвязи); 
 
SER – Symbol Error Rate (вероятность символьной ошибки); 
 
SISO – Single-Input Single-Output (единственный вход, единственный  
выход); 
 
SNR – Signal-To-Noise Ratio (отношение сигнал/помеха); 
 
SSB – Single Sideband (Amplitude Modulation) (однополосная амплитудная модуляция); 
 
SSE – Symbol-Spaced Equalizer (символьный корректор (эквалайзер)); 
SSB-SC – Single Sideband Suppressed Carrier (Modulation) (однополосная амплитудная модуляция с подавленной несущей); 
 
TCM – Trellis Coded Modulation (треллис-модуляция, кодированная модуляция); 
 
UCA – Uniform Circular Array (эквидистантная кольцевая антенная решетка); 
 
ULA – Uniform 
Linear 
Array 
(эквидистантная 
линейная 
антенная 
решетка); 
10