Моделирование систем связи в MATLAB с помощью пакета расширения Communications Toolbox. Практическое руководство по применению в двух частях. Часть 2

Типикин Алексей Алексеевич 
 
 
 
 
Моделирование систем связи 
в MATLAB с помощью пакета  
расширения Communications Toolbox 
 
 
Практическое руководство по применению  
в двух частях 
 
 
 
 
Часть вторая  
 
 
 
 
 
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 вторая  — 
М.: СОЛОН-Пресс, 2022. — 384 с.: ил.  
 
ISBN 978-5-91359-504-1 
 
Если в первой части практического руководства по моделированию систем связи в MATLAB приведены базовые сведения о работе с пакетом расширения Communications Toolbox и общие подходы к построению элементов системы связи, то вторая часть книги 
посвящена ряду специальных вопросов. Рассмотрены наиболее эффективные помехоустойчивые канальные коды, применяемые в современных беспроводных системах. Проведен анализ актуальных 
цифровых и аналоговых видов модуляции. Особое внимание уделено оценке эффективности функционирования систем связи по таким 
традиционным показателям как вероятность битовой и символьной 
ошибки. В книге представлены способы оценки по известным аналитическим выражениям и с помощью построения имитационных 
моделей, а также варианты автоматизации оценивания систем связи 
в диапазоне значений отношения сигнал/помеха. Изучение данных 
материалов безусловно расширит компетенции учащихся, инженеров и научных работников в сфере телекоммуникационных систем. 
 
 
По вопросам приобретения обращаться: 
ООО «СОЛОН-Пресс» 
Тел: (495) 617-39-64, (495) 617-39-65 
E-mail: kniga@solon-press.ru, www.solon-press.ru 
 
ISBN 978-5-91359-504-1 
© СОЛОН-Пресс, 2022  
 
© Типикин А. А., 2022 
 

Содержание 
 
Содержание 
Список принятых сокращений .......................................................................... 7 
Некоторые эквиваленты терминов 
.................................................................. 14 
Предисловие автора 
.......................................................................................... 16 
6 Различные виды модуляции. Примеры 
........................................................ 18 
6.1 OFDM-модуляция ............................................................................... 18 
6.1.1 Основные сведения об OFDM-модуляции ............................... 18 
6.1.2 Системные объекты и их свойства 
............................................ 22 
6.1.3 Примеры ...................................................................................... 35 
6.2 8-PSK-модуляция с кодированием Грея ........................................... 44 
6.2.1 Пример в MATLAB .................................................................... 44 
6.2.2 Пример в Simulink ...................................................................... 52 
6.3 Конфигурация параметра Eb/N0 для каналов связи с АБГШ и 
кодированием ...................................................................................... 55 
6.4 Фазовое дерево CPM-модуляции 
....................................................... 58 
6.4.1 Структура примера ..................................................................... 58 
6.4.2 Отображение результатов моделирования 
............................... 59 
6.4.3 Дальнейшее исследование ......................................................... 59 
6.5 Сравнение QPSK- и MSK-сигналов 
................................................... 62 
6.5.1 Структура примера ..................................................................... 62 
6.5.2 Отображение результатов .......................................................... 63 
6.6 Сравнение GMSK- и MSK-сигналов ................................................. 65 
6.6.1 Пример в Simulink ...................................................................... 65 
6.6.2 Пример в MATLAB .................................................................... 68 
6.7 GMSK-демодуляция с мягким решением ......................................... 71 
6.7.1 Структура примера ..................................................................... 71 
6.7.2 Последовательный GMSK-приемник ....................................... 72 
6.7.3 Результаты моделирования 
........................................................ 74 
6.8 16-PSK-модуляция 
с 
пользовательским 
кодированием 
символов в двоичное представление 
................................................. 76 
3 

Содержание 
 
6.9 QAM-модуляция в канале связи с АБГШ ......................................... 79 
6.10 FM-модуляция и демодуляция синусоидального сигнала 
............. 81 
6.11 Модуляция и демодуляция потокового аудиосигнала 
................... 84 
6.12 MSK-модуляция ................................................................................ 87 
6.12.1 Синхронизация MSK-сигнала. Пример в MATLAB 
.............. 87 
6.12.2 Синхронизация MSK-сигнала. Пример в Simulink 
................ 94 
7 Блочное кодирование. Примеры .................................................................. 98 
7.1 Код Рида – Соломона со стираниями. Пример в MATLAB ............ 98 
7.2 Код Рида – Соломона со стираниями и перфорацией. Пример в 
MATLAB 
............................................................................................ 106 
7.3 Код Рида – Соломона со стираниями, перфорацией и 
укорочением. Пример в MATLAB 
................................................... 108 
7.4 Код Рида – Соломона со стираниями, перфорацией и 
укорочением. Пример в Simulink 
..................................................... 112 
7.5 LDPC-кодирование в канале связи с АБГШ 
................................... 119 
7.6 Символьное представление полиномов .......................................... 121 
7.7 Оценка BER системы с кодированием Рида – Соломона и 8PSK-модуляцией в канале связи с АБГШ ....................................... 122 
7.8 Прием и передача укороченного кода Рида – Соломона 
............... 125 
8 Поля Галуа. Примеры 
.................................................................................. 130 
8.1 Основы работы с полями Галуа ....................................................... 130 
8.2 Система шифрования Эль-Гамаля с открытым ключом 
................ 135 
9 Сверточное кодирование. Примеры 
........................................................... 138 
9.1 Сверточный код с перфорацией. Пример в MATLAB 
................... 138 
9.2 Итеративное декодирование каскада сверточных кодов 
............... 143 
9.3 Сверточный код с перфорацией. Пример в Simulink ..................... 147 
9.4 Передача данных, закодированных сверточным кодом 2/3, по 
каналу связи с АБГШ 
........................................................................ 153 
9.5 Оценка BER при декодировании Витерби с мягким и жестким 
решением ........................................................................................... 156 
9.6 Создание и проверка пользовательских треллис-структур ........... 160 
9.6.1 Создание пользовательской треллис-структуры ................... 160 
4 

Содержание 
 
9.6.2 Сверточный кодер с обратной связью и некодируемыми 
битами ....................................................................................... 169 
10 Моделирование каналов связи, помехи и искажения в каналах 
радиосвязи 
.................................................................................................. 171 
10.1 Каналы связи с аддитивным белым гауссовским шумом 
............ 171 
10.1.1 Уровень помехи в канале связи с АБГШ ............................. 171 
10.2 Каналы радиосвязи с замираниями ............................................... 173 
10.2.1 Общие сведения о каналах радиосвязи с замираниями ...... 173 
10.2.2 Моделирование многолучевых замираний в каналах 
радиосвязи 
............................................................................... 177 
10.2.3 Создание имитатора канала радиосвязи с замираниями .... 181 
10.2.4 Настройка системных объектов – имитаторов каналов 
радиосвязи 
............................................................................... 195 
10.2.5 Использование 
имитатора 
канала 
радиосвязи 
с замираниями ........................................................................ 197 
10.2.6 Модель канала радиосвязи WINNER II 
................................ 208 
10.2.7 Использование модели WINNER II ...................................... 222 
10.3 Помехи и искажения в канале радиосвязи 
.................................... 237 
10.3.1 Виды помех и искажений в канале радиосвязи, их 
визуализация 
........................................................................... 237 
10.3.2 Примеры 
.................................................................................. 252 
11 Оценка качества и измерение характеристик каналов связи ................. 260 
11.1 Оценка вероятности ошибки (BER, SER) ..................................... 260 
11.1.1 Теоретические результаты 
..................................................... 260 
11.1.2 Оценка эффективности передачи данных по каналу связи 
с помощью имитационного моделирования ........................ 281 
11.1.3 Оценка эффективности передачи данных по каналу связи 
с помощью полуаналитического способа ............................ 285 
11.1.4 Оценка эффективности передачи данных по каналу связи 
по расчетным формулам (теоретический способ) ............... 289 
11.2 Графическое отображение вероятности ошибки 
.......................... 294 
11.3 Приложение BERTool ..................................................................... 299 
11.3.1 Общие сведения о приложении BERTool ............................ 299 
5 

Содержание 
 
11.3.2 Вычисление теоретических значений BER 
.......................... 303 
11.3.3 Полуаналитический способ вычисления BER ..................... 310 
11.3.4 Вычисление 
BER 
с 
помощью 
имитационного 
моделирования в MATLAB ................................................... 315 
11.3.5 Вычисление 
BER 
с 
помощью 
имитационного 
моделирования в Simulink ..................................................... 328 
11.3.6 Управление данными в BERTool .......................................... 339 
11.4 Модуль вектора ошибки 
................................................................. 343 
11.5 Коэффициент ошибки модуляции 
................................................. 349 
11.6 Коэффициент ослабления мощности сигнала в соседнем 
канале ............................................................................................... 350 
11.7 Комплементарная интегральная (кумулятивная) функция 
распределения ................................................................................. 357 
12 Фильтрация ................................................................................................ 361 
12.1 Общие сведения о функциях фильтрации в пакете расширения 
Communications Toolbox 
................................................................. 361 
12.2 Групповая задержка 
........................................................................ 363 
12.3 Формирование импульсов фильтром с косинусоидальным 
сглаживанием. Пример в MATLAB .............................................. 365 
12.4 Проектирование 
фильтров 
с 
косинусоидальным 
сглаживанием с помощью функций MATLAB ............................ 369 
12.5 Фильтрация с косинусоидальным сглаживанием. Пример 
в Simulink 
......................................................................................... 370 
12.6 Проектирование 
фильтров 
с 
косинусоидальным 
сглаживанием. Пример в Simulink ................................................ 373 
12.7 Уменьшение 
межсимвольных 
искажений 
с 
помощью 
косинусоидальной фильтрации. Пример в MATLAB 
.................. 374 
12.8 Определение задержки отфильтрованного и закодированного 
сигналов. Пример в MATLAB ....................................................... 378 
Список литературы 
......................................................................................... 381 
 
 
 
6 

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)); 
 ASCII – American Standard Code For Information Interchange (американский 
стандарт кодирования символов) 
 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); 
7 

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); 
8 

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); 
9 

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); 
10