零基础入门simulink仿真建模--通信领域的调制解调技术--基于Simulink的FHSS跳频调制仿真建模示例
目录
手把手教你学Simulink——基于Simulink的FHSS跳频调制仿真建模示例
一、背景介绍
二、所需工具和环境
三、步骤详解
步骤1：创建Simulink模型
步骤1.1：打开Simulink并新建模型
步骤2：设计基带信号生成模块
步骤2.1：添加随机比特生成模块
步骤3：设计跳频载波生成模块
步骤3.1：添加PN码生成模块
步骤3.2：将PN码映射为跳频载波
步骤4：设计跳频调制模块
步骤4.1：添加乘法器模块
步骤5：设计信道模块
步骤5.1：添加AWGN信道模块
步骤5.2：连接跳频调制模块到AWGN信道模块
步骤6：设计跳频解调模块
步骤6.1：添加乘法器模块
步骤7：设计低通滤波器模块
步骤7.1：添加低通滤波器模块
步骤8：设计误码率计算模块
步骤8.1：添加误码率计算模块
步骤9：运行仿真并分析结果
四、总结
手把手教你学Simulink——基于Simulink的FHSS跳频调制仿真建模示例
FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum） 属于广域内频率 hopping 广播技术的一种重要手段用于数据传输。此技术展现了其广泛的适用性，在无线网络、军事领域以及抗干扰环境中得到了广泛应用。利用 Simulink 平台构建相应的仿真模型并验证其性能表现良好。下面将提供一个详尽的操作指南帮助从零开始搭建 FHSS 跳频调制仿真模型。
一、背景介绍
基于跳频技术的通信系统中,FHSS的核心原理是通过伪随机序列（即PN码）来实现载波频率的跳跃式变换,从而实现了信号频谱的有效扩展。接收设备能够利用相同的PN码实现同步跳频操作,最终恢复出原始发送信号内容。与传统通信方式相比,FHSS表现出优异的技术特性,具体表现在较强的抗干扰能力、较高的隐蔽性能以及支持大规模多用户同时通信等特点
在本示例中，我们将实现以下功能：
- 基带信号生成：模拟发送端的信息源。
- 跳频载波生成：基于PN码生成跳频序列。
- 跳频调制：对基带信号施加跳频载波。
- 信道模拟：向信号中添加AWGN噪声。
- 跳频解调：利用相同的跳频模式对接收信号进行解调。
- 误码率分析：评估系统性能的关键指标。
二、所需工具和环境
为了完成FHSS跳频调制的仿真，你需要以下工具和环境：
- MATLAB/Simulink 主要用于建立模型与仿真系统。
- Communications Toolbox 包含一系列通信相关功能组件（包括码本生成器模块以及频率跳变模块等）。
- Signal Processing Toolbox 应用于信号处理与滤波技术领域。
- DSP System Toolbox 特化支持数字信号处理相关技术（例如滤波器的设计与实现）。
确保你已经安装了上述工具箱，并且拥有有效的许可证。
三、步骤详解
步骤1：创建Simulink模型
首先，打开 MATLAB 并启动 Simulink 创建一个新的空白模型。
步骤1.1：打开Simulink并新建模型
- 打开 MATLAB 应用程序。
- 在命令窗口中执行
$simulink命令后即可切换至 Simulink 启动界面。 - 单击“Blank Model”按钮生成一个新的空模型文件。
matlab
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% 创建新的Simulink模型
modelName = 'FHSS_Frequency_Hopping';
new_system(modelName);
open_system(modelName);步骤2：设计基带信号生成模块
我们需要一个基带信号生成模块来模拟发送端的信息源。
步骤2.1：添加随机比特生成模块
- 在源代码库中导入随机整数生成模块至模型工作区。
- 参数设置如下：
- 基数：2（对应BPSK调制方式；每个符号携带一个比特位）。
- 采样周期：0.01秒。
- 初始种子值：任意数值（例如12345）。
- 参数设置如下：
matlab
深色版本
% 添加随机比特生成模块
add_block('comm/Random Integer Generator', [modelName '/Random_Bit_Generator']);
set_param([modelName '/Random_Bit_Generator'], 'M', '2'); % 设置M-ary为2
set_param([modelName '/Random_Bit_Generator'], 'SampleTime', '0.01'); % 设置采样时间为0.01秒
set_param([modelName '/Random_Bit_Generator'], 'Seed', '12345'); % 设置随机种子步骤3：设计跳频载波生成模块
我们将使用PN码生成模块生成跳频序列，并将其转换为跳频载波信号。
步骤3.1：添加PN码生成模块
在 Communications Toolbox > Sources 库中拖放该模块至模型编辑区。
配置相关参数时，请注意以下设置：
生成多项式设置为 [1 1 0 0 1]（可调整以改变 PN 码的长度）。
初始状态设置为 [0 0 0 1]（建议根据需求进行调整）。
采样时间设置为 0.01 秒（确保与系统同步）。
每帧输出数量设为一个样本（可根据需求调整）。
matlab
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% 添加PN码生成模块
add_block('comm/PN Sequence Generator', [modelName '/PN_Sequence_Generator']);
set_param([modelName '/PN_Sequence_Generator'], 'GeneratorPolynomial', '[1 1 0 0 1]'); % 设置生成多项式
set_param([modelName '/PN_Sequence_Generator'], 'InitialStates', '[0 0 0 1]'); % 设置初始状态
set_param([modelName '/PN_Sequence_Generator'], 'SampleTime', '0.01'); % 设置采样时间为0.01秒
set_param([modelName '/PN_Sequence_Generator'], 'SamplesPerFrame', '1'); % 设置每次输出一个样本步骤3.2：将PN码映射为跳频载波
- 引入Repmat模块或Look-Up Table模块，并将其用于将PN码映射至一组离散的载波频率。
- 采用Sine Wave模块以合成对应的正弦波信号。
matlab
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% 示例：使用Lookup Table映射PN码到载波频率
add_block('simulink/Lookup Tables/1-D Lookup Table', [modelName '/Frequency_Mapper']);
set_param([modelName '/Frequency_Mapper'], 'TableData', '[100, 200, 300, 400]'); % 设置载波频率表
set_param([modelName '/Frequency_Mapper'], 'BreakpointsData', '[0, 1, 2, 3]'); % 设置PN码对应索引步骤4：设计跳频调制模块
我们将使用乘法器模块实现跳频调制。
步骤4.1：添加乘法器模块
- 在
Math Operations库内进行Product模块的拖放操作至模型编辑区。 - 将基带信号与跳频载波模块连接至乘法器模块。
matlab
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% 添加乘法器模块
add_block('simulink/Math Operations/Product', [modelName '/FHSS_Modulator']);
% 连接基带信号到乘法器模块
add_line(modelName, [modelName '/Random_Bit_Generator'], [modelName '/FHSS_Modulator/In1'], 'autorouting', 'on');
% 连接跳频载波模块到乘法器模块
add_line(modelName, [modelName '/Frequency_Mapper'], [modelName '/FHSS_Modulator/In2'], 'autorouting', 'on');步骤5：设计信道模块
在实际通信系统中, 信号会受到噪声的干扰. 我们通过引入AWGN信道模块来模拟噪声干扰.
步骤5.1：添加AWGN信道模块
- 从库中拖拽模块至工作区
- 配置参数如下：
- 信噪比模式（Ratio）
- 信噪比值初始化为10 dB，并支持后续调节以观察误码率的变化情况
- 输入信号功率设定为1瓦特
- 配置参数如下：
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% 添加AWGN信道模块
add_block('comm/AWGN Channel', [modelName '/AWGN_Channel']);
set_param([modelName '/AWGN_Channel'], 'Mode', 'Signal to noise ratio (SNR)'); % 设置模式为信噪比
set_param([modelName '/AWGN_Channel'], 'SNR', '10'); % 设置信噪比为10dB
set_param([modelName '/AWGN_Channel'], 'SignalPower', '1'); % 设置信号功率为1瓦步骤5.2：连接跳频调制模块到AWGN信道模块
将跳频调制模块的输出连接到AWGN信道模块的输入端口。
matlab
深色版本
% 连接跳频调制模块到AWGN信道模块
add_line(modelName, [modelName '/FHSS_Modulator'], [modelName '/AWGN_Channel'], 'autorouting', 'on');步骤6：设计跳频解调模块
在接收端，我们需要使用相同的跳频模式对接收信号进行解调。
步骤6.1：添加乘法器模块
- 在
Math Operations资源库中拖放另一个Multiplication模块至模型编辑区。- 将AWGN信道输出与跳频信号经过乘法运算后再传递给乘法器模块。
matlab
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% 添加解调乘法器模块
add_block('simulink/Math Operations/Product', [modelName '/FHSS_Demodulator']);
% 连接AWGN信道模块到解调乘法器模块
add_line(modelName, [modelName '/AWGN_Channel'], [modelName '/FHSS_Demodulator/In1'], 'autorouting', 'on');
% 连接跳频载波模块到解调乘法器模块
add_line(modelName, [modelName '/Frequency_Mapper'], [modelName '/FHSS_Demodulator/In2'], 'autorouting', 'on');步骤7：设计低通滤波器模块
为了去除高频分量并恢复原始基带信号，我们需要添加低通滤波器模块。
步骤7.1：添加低通滤波器模块
- 在 DSP System Toolbox 的 Filtering 子库下，拖放 Lowpass Filter 组件至模型编辑区。
- 设置如下参数：
- 滤波器类型：低通滤波器
- 截止频率(Hz)：10
- 采样时间：0.01秒
- 设置如下参数：
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深色版本
% 添加低通滤波器模块
add_block('dsp/Lowpass Filter', [modelName '/Lowpass_Filter']);
set_param([modelName '/Lowpass_Filter'], 'FilterType', 'Lowpass'); % 设置滤波器类型为低通
set_param([modelName '/Lowpass_Filter'], 'CutoffFrequency', '10'); % 设置截止频率为10Hz
set_param([modelName '/Lowpass_Filter'], 'SampleTime', '0.01'); % 设置采样时间为0.01秒步骤8：设计误码率计算模块
为了评估系统的性能，我们需要计算误码率（BER）。
步骤8.1：添加误码率计算模块
- 从 Communications Toolbox 的 Comm Sinks 库导航至 Error Rate Calculation 模块，并将其拖放至模型编辑区。
- 配置参数设置如下：
- 输出数据源：选择端口通道。
- 接收延迟：设为零值（无延迟）。
- 配置参数设置如下：
matlab
深色版本
% 添加误码率计算模块
add_block('comm/Error Rate Calculation', [modelName '/Error_Rate_Calculator']);
set_param([modelName '/Error_Rate_Calculator'], 'OutputData', 'Port'); % 设置输出到端口
set_param([modelName '/Error_Rate_Calculator'], 'ReceiveDelay', '0'); % 设置接收延迟为0步骤9：运行仿真并分析结果
完成后，请单击工具栏中的「Run」按钮以启动仿真过程。观察误码率（BER）随信噪比（SNR）的变化情况，并记录实验结果。
四、总结
按照本指南所述内容，在Simulink平台上详细讲解了如何建立一个完整的FHSS跳频调制仿真模型，并对该模型进行了仿真实验和性能指标评估。具体涵盖了模型搭建步骤、仿真过程以及相应的性能分析方法。
- 背景介绍 ：了解FHSS跳频调制的基本原理及其在各个领域的应用情况。
- 所需工具和环境 ：明确进行FHSS仿真所需的必要工具及运行环境。
- 步骤详解 ：详细阐述从零开始构建完整的FHSS跳频调制系统的过程，并具体说明基带信号生成模块的设计与实现方法。
- 性能评估 ：深入分析并评估该系统在不同信噪比条件下的误码率性能，并绘制相应的BER-SNR曲线图。