仿真实验指导书(VC版)

仿真实验指导书

实验一 UWB （超宽带）信号仿真与调制仿真 （一）、实验目的

通过超宽带系统仿真，进一步了解PPM-UWB 信号模型的特性，更加牢固地掌握UWB 的调制解调技术。

（二）、实验工具

C++/VC

（三）、实验步骤

1、熟悉C++/VC 软件开发平台、UWB 信号产生原理及UWB 信号调制解调过程。

2、构成UWB 信号的w(t)一般是由被称作monocycle shape 的脉冲波形序列组成。monocycle shape 的脉冲波形的一个主要特点是冲击脉冲波形具有很陡的上升和下降沿，通常用在UWB 信号中的monocycle shape 脉冲波形有如下几种类型：Ganssian 脉冲、Gaussian First Derivative 脉冲、Scholtz’s 脉冲、Manchester 脉冲、RZ Manchester 脉冲、Sine 脉冲和Rectangle 脉冲等。由于UWB 信号的传输是利用基带信号直接进行的，因此，所采用的脉冲波形的特性将对UWB 系统的性能有着直接的影响。

3、这里采用Gaussian First Derivative Pulse 作为UWB 的脉冲信号，它的公式如下：

w(t)=))/)((2exp()(/22

au c c au T T t T t e T A ?×?×?××× （1） 其中：A 是幅值，T c 为时移，T au 是脉宽参数. 仿真波形如右图1所示。

--0-0-0-00000T m e (n s )

A m p u d e

图1 UWB 脉冲信号图

4、在脉冲信号仿真的基础上，进行UWB 调制仿真。在时域上利用脉冲位置调制的UWB 信号可以由公式(2)表示。

()()()()()()s k k

k k k tr

t f j c j N j S t w t jT c T d δ+∞

????=?∞

=

???×∑

(2)

利用C++/VC 软件完成上述信号调制仿真，仿真流程如下图2所示。

5、接着进行解调仿真. 假设当前的UWB 系统中有个活动用户，那么接收天线所接收的信号可用以下公式来描述：

u N ()1

()()()u

N k k r k k r t A S t n t τ==?∑+ (3)

其中：：第k 个用户传输的信号的衰减系数；k A k τ：传输延迟时间； ：燥声.

()n t PPM-UWB 接收模型中的信号检测是通过将接收信号与UWB 的模板信号进行卷积来实现的。UWB 的模板信号的表达式如下：

()r t ()bit v t ∑?+=???=

??=1)1(1)

1()

()()()(s s

N i iN j c j f bit T c jT t v t w t w t v τδ (4)

由上式可知，这一模板信号是信息比特‘0’和‘1’的脉冲波形差。信号检测过程是依

据如下的卷积判决公式来完成：

0)()("0"10

)1()1(1)1(0

11>????

=∑∫?=+++

dt T c jT t v t r d

s f

f

N j T j jT c j f ττ

τ (5)

当卷积结果大于0时，可判定发送信息比特是‘0’；反之，则是‘1’。 6、修改系统参数，观察参数对系统性能的影响，得出有用结论。

实验二 Ad-Hoc 自组织网络路由仿真 （一）、实验目的

利用NS-2仿真软件对自组网中比较经典的AODV 和DSDV 路由协议的性能进行仿真，并在不同条件下分析比较几个重要参数对这两个协议的影响，指出它们各自适用的场合，为实际工作中选择何种协议及合适的参数值提供一定的参考。

（二）、实验工具 NS-2。

（三）、实验步骤 1、详细了解自组网（Ad hoc ）这种无中心的分布式控制网络的两种路由协议：AODV 和DSDV 。熟悉NS-2网络仿真软件。下面作一简单介绍。 （1）AODV 路由协议算法

路由表信息：网络中每个节点维护路由缓存表，表的内容是到达源节点已知节点的路由。 路由发现过程：节点发信息时，先在路由表中查找路由，有则按照路由发送信息，没有就进行路由发现过程。节点广播路由请求包（RREQ ）给所有的邻节点，邻节点在接收到RREQ 后，先在自己的路由表中查找是否有到目的节点路由，如果有则将路由信息写入RREP 包（路由回复包）发给源节点；如果没有，再将RREQ 转发给所有的邻节点。以此类推，直到到达目的节点或是中间某个节点知道到达目的节点的路由。

路由维护过程：如果某发起路由请求的源节点移动了，它能够再次发起一个路由发现过程，以找到到达目的节点的新路由。如果沿着路由的某个节点移动了，在移动节点的“ 上游”邻节点A 注意到此节点的移动，A 节点会传播一个链路断开信息给A 节点的每一个有效的“上游”节点通知他们删除路由表中的对应无效路由。这些邻节点依次传播这个链路断开信息给“上游”节点，一直达到源节点。源节点会再次发起路由发现过程。 （2）DSDV 路由协议算法

DSDV 是一种无环路距离向量路由协议，它是传统的Bellman - Ford 路由协议的改进。 路由表的信息：到网络内部所有可能的目的节点的路由（具体需要的跳数），路由表的每一项都被目的节点赋予一个序号，以区分新旧路由。

路由表的更新方式：路由表周期进行更新，通过“ 全播”（full dump ）的方式，把完整的路由信息传送出去。两次“全播”之间，如果有更新信息则用小的“增长”数据包（incremental update packet ）传送。

路由广播的内容：包括目的节点地址、下一跳地址、到目的节点的跳数、请求信息的编号、新的路由广播发送序号。新路由的序号比旧路由的序号大，如果路由序号相同，则选择跳数更少的路由。路由更新信息要延迟发送，以防止发送以后不久得到更好的路由。 2、在此基础上，利用NS-2软件进行仿真，其步骤为：

① 创建网络；

② 建立节点间的连接；

③创建流量；

④创建事件调度器，即规定节点何时采取什么动作（包括发数据包、移动等）；

⑤跟踪仿真过程，提取重要数据作为仿真结果输出到trace 文件中保存，仿真结果是进行参数分析的基础。

3、对于无线网络的仿真，创建网络之前需要配置节点参数。以下就介绍性能指标与仿真参数的选择方法。依照RFC 2501 对自组网路由的评价标准，选取如下四个衡量指标进行性能评估：

①分组平均递交率：即目的节点接收到的数据包个数与源发送的数据包个数之比，反映了网络传输的可靠性，递交率越高可靠性越大。

deliverate =目的节点接收到的数据包个数/源发送的数据包个数

②端到端的平均时延：包括路由查找时延、数据包在接口队列中的等待时延，传输时延及MAC 层的重传时延，反映了路由有效性，尤其对话音包来说，时延太大会严重影响通信质量。

end - to - end - delay= Σ（接收到数据包的时间- 发送数据包的时间）/发送的数据包个数

③平均跳数：即仿真过程中，数据包从源节点到目的节点所经过的平均跳数，反映了网络拓扑结构、节点通信范围及路由效率。

meanhop =转发的数据包与发送的数据包的个数和/发送的数据包个数

④归一化的路由协议开销：即为传递数据包，平均每个数据包所需要的路由包的个数。它反映了网络的拥塞程度和节点电源的效率，开销大的协议拥塞的概率就大，且会延迟接口队列中数据包的发送。

load =发送和转发的路由包个数/接收到的数据包个数

4、仿真时节点配置的参数如下：仿真环境35个移动节点，其运动的拓扑范围为1500m*300m，节点移动速度选择2m/ s，业务源连接数为15 个，业务源发包率为1 packet / s，数据包长为64bytes 。基于该基本条件，分别改变某个参数（保证在某个参数改变时，其他参数保持不变），来分析比较各项参数对AODV 与DSDV 协议性能的影响。

5、通过仿真比较两种路由协议的性能，并得出结论，理解为什么AODV适合于中小规模，业务源发包率较低的场合，DSDV 适合于网络规模小且节点移动速度较低的场合。

实验三伪随机序列仿真

（一）、实验目的

伪随机序列在扩频通信、流密码、信道编码等领域有着十分广泛的应用。通过对伪随机m序列的编码和译码算法进行的MatLab语言仿真，验证伪随机序列码的编码和译码算法，熟悉伪随机序列的实现方法。

（二）、实验工具

Matlab。

（三）、实验步骤

1、掌握伪随机m序列的编码：在时钟脉冲的控制下，根据给定的生成多项式(本原多项式)和移存器的初始条件，逐步依次生成伪随机m序列的循环代码。编码器如下图3所示。

图3 移位寄存器编码器

2、线性移位寄存器的综合/伪随机m序列码的译码算法：即在给定任意伪随机m序列条件下，求线性移存器的生成多项式。实现的方法有好几种，结合MatLab程序语言的特点及可操作性，这里介绍梅西迭代算法。这种算法实质上是E. R. Berlekamp所建议的BCH码的译码中，从校子求找错位多项式的迭代算法。以下就是该算法的流程图。

图4 迭代算法流程图

实验四 OFDM系统性能仿真

（一）、实验目的

采用MATLAB 软件对基带通信系统中的信源模块、数据映射编码模块、OFDM 调制模块、信道模块、OFDM 解调模块、数据逆映射译码模块进行了编程仿真；并对各模块级联构成的系统进行性能仿真研究。通过仿真研究循环前缀对消除系统符号间干扰ISI 的作用并对多载波与单载波系统性能进行对比分析得出有用的结论。

（二）、实验工具

Matlab。

（三）、实验步骤

1、熟悉OFDM正交频分复用技术的原理以及熟悉Matlab的使用。

2、根据OFDM 调制技术原理，设计基于OFDM 技术的基带通信系统实现框图如图4所示。

图5 采用OFDM 技术的通信系统构成框图

3、发送模块仿真具体步骤如下：

①信源产生的比特流数据，经QPSK 调制后，映射为频域信号，再经串并转换，分配到N=1705 条子载波上。由于FFT 点数为4096，故对数据加入4096-1705=2391 个零，已达到过采样的目的。

②频域数据经过IFFT 变换，输出为时域信号。

③将每个OFDM 符号的后面部分复制，加到其前，从而构成具有循环前缀的OFDM 信号。

④经并串转换、D/A、发送滤波器进一步的处理，调制到发送载波上。

⑤发送数据经过无线信道，引入了加性高斯噪声，仿真信噪比设为SNR=10dB。

4、接收模块仿真步骤与发送模块过程相反。

5、通过OFDM系统仿真，比较多载波调制和单载波调制的性能特点。

实验五蓝牙跳频及收发系统的仿真

（一）、实验目的

蓝牙跳频的仿真对跳频算法的研究和应用具有深远意义。本仿真使用SystemView作为

仿真平台，通过接口调用Matlab的后缀名M的文件，实现跳频算法。并构建简单的蓝牙收/发系统。

（二）、实验工具

SystemView、Matlab。

（三）、实验步骤

1、基于蓝牙选频内核的跳频序列

蓝牙跳频序列的实现使用M函数编写，由于SystemView供调用Matlab的接口，可以很方便的在SystemView中调用M函数。

图6 蓝牙选频内核的实现

上图显示了全部内核算法，图标11调用m函数main，实现系统时钟的计算和时钟以一维矩阵的形式输出，每次时钟输入的值变化，函数就记一次数。他的输入信号为图标9输出的CLK信号，输出为时钟clk6~2（均为二进制数0，1），对应时钟的第2，3，4，5，6位，作为控制量X输入图标0(firstadd)。其他各图标分别为选频内核中的首次相加firstadd、异或Xor、蝶形换位perm、二次相加secondadd和寄存器映射select。最后的输出结果应如下图所示：

2、基于M(m)序列构造跳频序列

由于在SystemView中存有数模转换的工具，于是仿真实现十分简单。M序列发生器如下图7所示。

图7 M序列发生器

3、把跳频仿真部分应用到简单的蓝牙收发系统，观察数据发送和接受的情况。该系统分成发射机和接收机两个部分：

①发射机

发射机的框图如下图所示，基带发送一个0、1的二进制序列。通过高斯滤波器，再加入跳频和载频信号。经过两级的信号放大电路，把开关切换到发送状态，再通过一个带通滤波器后，收发天线把信号发送出去：

图8 发射机系统组成

这里的收发状态切换是根据奇偶时隙来判断的，对主单元来说，它在偶时隙发送数据，奇时隙接收数据；从单元则在奇时隙发送数据，偶时隙接收数据。

②接收机

接收机的系统构造和发送机相反，最后输出的信号有两个，一个是还原的二进制序列，第二个是接收二进制序列的时钟定时信号。

图9 接收机系统组成

利用上述收发机的构建原理，使用SystemView软件实现了简单的蓝牙收发系统。由于蓝牙的调制频率在2.4GHz，而SystemView软件不能达到这么高的调制频率，所以，在不影响仿真结果的基础上，我们把频率调整到10000Hz；同时，默认主单元为左边的发射机，从单元为右边的接收机；系统运行时间为500e-3s，仿真方案如下图所示：

图10 蓝牙收发系统

图表序号图标名称参数设置

12、24 子系统跳频序列

19 方波序列发生器Rate=100Hz,Amplitude=0.5

Offset=0.5

21、39 增益放大器Gain=3

15、17 FH调制解调器Amp=1v,Mod Gain=500Hz/v

Frequency=10000Hz 16、43、45 乘法器无

44 正弦波发生器Frequency=10000Hz

18 带通滤波器Low Cuttoff=9.5e+3,

Hi Cuttoff=10.5e+3

23 平方器Exponent =2

22 低通滤波器Low Cuttoff=200Hz

40 块状函数Min Input=60.e-3 ,

Max Input=1,OutputGain=1 20、41 观察窗无