MATLAB仿真在现代通信中的应用
MATLAB仿真在现代通信中的应用,特别是无线通信仿真详细具体，适合无线通信研发人员使用。内容简介本书以现代无线电通信中的关键技术:扩频、跳频、OFDM、3G系统、无线接入系统以及常见无线通信系统作为对象,以 MATLAB/ Simulink作为仿真工具,对上述系统进行了仿真实验还对数字信号通过各种调制方式,发送滤波器后的频谱特性,以及应用各种差错控制方式后的传输特性给出了系列仿真实例。并对上述仿真内容进行了简单的原理性介绍,对于建模和仿真编程中出现的主要问题与注意事项做了相应敏讲解。仝书源程序附有光盘本书可作为高等学校通信专业的教学、科硏参考书,也可供管理部门作为参考资料、图书在版编目C|P)数据MATLAB仿真在现代通信中的应用徐明远,邵玉斌编著一西安:西安电子科技大学出版社,20114ISBN978-7-56062554-6Ⅰ①M…Ⅱ①徐…②邵…Ⅲ①通信系统一系统仿真一软件包, MATLABⅣ①TN914中国版本图书馆CP数据核字(2011第027693号策划臧延新责任编辑杨宗周出版发行西安电子科技大学出版社(西安市太白南路2号)电话(029)8824288588201467邮编70071网址www.xduph.com电子邮箱 xdupfxb00@163com经销新华书店印刷单位陕西天意印务有限责任公版次2011年4月第1版20ll年4月第1次印刷开本787毫米×1092毫米116印张13625数315千字印数1~2000册定价30.00元(含光盘)ISBN978-7-5606-25546/N·0594XDUP2846001-1煮如有印装问题可调换*本社图书封面为激光防伪覆膜,谨防盗版。前言近十年来,无线电技术突飞猛进,无线电事业快速发展。扩频、跳频、OFDM技术3G系统、蓝牙、IEEE802.11a、数字电视、智能天线等技术的出现,让人目不暇接。无线电成了现代文明的重要组成部分。人们在享受现代文明带来的方便与效率时,想到了应该对这些新技术和新系统多一些了解,然而,深奧的理论、复杂的技术、昂贵的设备与仪器给学习带来了不少的困难。人们在寻找与快速进步的技术相适应的学习与研究方法时,MATLAB仿真在新技术的学习与新系统的研发中成了有力的工具。应用 MATLAB的编程方法和功能模块,可以搭建各种仿真系统,还可以应用丰富的时间域、频率域、相位域的仿真测量仪器。许多新一代通信系统的系统级的仿真程序出现在 MATLAB软件的演示实例中,这使得学习的效率大为提高,对技术与系统的理解已经从概念深入到电路方案和参数选取的层面。建立和谐的电磁环境,需要了解各种无线电通信系统的特性,其中包括时间域、频率域、相位域以及传输特性。特别是它们之间的定量关系可以从仿真实例运行的结果中得到。也可以说,每个仿真实例就是一个小实验平台,实验中可以对通信的相关原理,甚至通信系统进行研究,其中的分类结果也可以作为资料备查。本书应用 MATLAB仿真工具对常见的调制方式、发送滤波器、差错控制方式以及各种通信系统(包括新一代的通信系统)的相关特性进行研究。可以运行的大量仿真实例,一方面给出了仿真的结果;另一方面还给出了部分仪表测量的结果可供比对。仿真实例大部分是作者在教学与科研实践中自行编制的,小部分是 MATLAB软件中的演示仿真实例全书分以下五部分:第一部分基础知识,包括数字调制、发送滤波器、通信信号的测量与表达。第二部分常用无线电通信系统,包括公众移动通信系统、专用移动通信系统、卫星通信系统。第三部分新技术与3G,包括扩频、跳频、OFDM以及3G系统。第四部分无线接入系统与数字电视,包括蓝牙、802.1a与数字电视。第五部分天线与射频技术,包括天线阵列、射频传输线、滤波器。书中给出了简单的原理介绍、 MATLAB仿真的系统、程序(光盘)以及程序运行结果。对编程中的主要问题与注意事项作了讲解。着重讨论了各种系统及输出信号的频谱特性。对于系统的传输特性,以及影响系统传输特性的因素,譬如调制方式、差错控制方式也进行了较系统的讨论。为了保持本书简练的篇幅,没有在书中详细介绍所有仿真系统中各个模块的参数设置,也没有将雷同的系列仿真系统的程序在书中展示。购书所附的光盘提供了书中提到的全部软件。点击模块打开对话框可以仔细研究其中每个模块的参数设置。若需要还可以将其拷贝出来后按照读者的意愿,遵循 MATLAB的相关规则更改参数后进行学习研究。本书可作为高等学校通信专业的教学、科研参考书,也可供管理部门作为参考资料。本书编写中的不妥和疏漏之处,还望读者给予指出。作者的联系方式:xumil@163com,shaoyun99@sina.com徐明远邵玉斌2011年1月说明1.用 MATLAB m文件编写的程序序号在本书中是这样表示的:比如程序35表示第3章的序号为5的程序。在 MATLAB软件中用CHX35表示。2. MATLAB/Simulink程序在本书及 MATLAB软件中都用SCHX3_10表示(第3章的序号为10的程序),该仿真系统框图在本书中用图3-10表示。3.本书的程序可运行在 MATLAB2008B版本目录第一部分基础知识第1章数字调制1.1非连续相位的角度调制31.1.1FSK信号的仿真1.1.2PSK信号的仿真1412连续相位的角度调制.1.3正交幅度调制29第2章发送滤波器,·,2.1概论322.2升余弦脉冲滤波器.332.3平方根升余弦滤波器4124高斯滤波器…46第3章通信信号的测量与表达3.1通信仿真中常用的信号测量模块3.1.1 Simulink基本模块中的 Sinks子库简介,,,,,,,,,,,,,,,,,513.12 Simulink通信工具箱中的 Comm sinks子库简介….52313 Simulink信号处理工具箱中的 Signal Processing Sinks子库简介533.2信号的测量…623.21窄带随机信号的产生和波形测量3.2.2各种信号的表示和测量633.3差错控制传输特性的测量与表达72331线性码……1733.32循环码.753.33里德-索洛蒙码773.34卷积码335汉明码3.3.6BCH码3.37循环冗余码8534信号统计参数的测量.…863.4.1统计模块库86342概率密度函数873.4.3瑞利衰落信道的仿真测试……344图像的灰度直方图3.5图像和视频信号的测量与表达3.5.1模块库…3.52图像的读出与显示933.53图像加噪与滤波…,.,,,·943.54图像的二维变换与反变换963.5.5图像有损压缩“““第二部分常用无线电通信系统第4章公众移动通信系统1014.1公众通信系统概述…….1014.1.1最早期的移动通信系统014.1.2第1代移动通信系统….4.1.3第2代移动通信系统1024.1.4第2.5代移动通信系统……,,,,,,,1044.1.5第3代移动通信系统1064.1.6第4代移动通信系统…1084.2GSM全球移动通信系统.,,非1094.3CDPD蜂窝数字分组数据网……11144NADC北美数字蜂窝网1134.5PDC个人数字蜂窝电话144.6 CDMA IS-95码分多址通信系统1174.7CT-2第2代无绳电话系统184.8数字增强型无绳通信标准12049PHS个人手持式电话系统12第5章专用移动通信系统12451集群通信系统…12452APCO数字集群通信系统1255.3 TETRA欧洲数字集群通信系统12754THTS地面航空电话系统…129第6章卫星通信系统1316.1铱星系统.1316.2美国ICO卫星通信系统13363甚小孔径终端卫星通信系统…135第三部分新技术与3G第7章新技术…1417.1扩频1417.2多元扩频7.3跳频…14674正交多载波调制OFDM.150第8章3G系统15281 WCDMA码分多址通信系统15282CDMA2000码分多址通信系统157第四部分无线接入系统与数字电视第9章无线接入系统…91蓝牙系统 BLUE TOOTH16592无线局域网 HiperLAN216993无线局域网802.11标准,.非,,,,,,,,,,,,,,,,甲174第10章数字电视系统10.1数字电视广播系统…17910.2卫星广播系统182第五部分天线与射频技术第11章天线187111天线方向图18711.2均匀直线阵的波束扫描…11111187113均匀圆形阵的波束扫描189114非均匀直线阵的波达方向估计19211.1 Capon法194114.2 Music法195第12章射频…19612.1波导19612.2传输线19812.3滤波器205参考文献207
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TracePro应用实例详解-
TracePro应用实例详解-压缩版（内容不变）目录绪论光学设计基础知识1第一章导光管设计实例6第二章背光源设计实例12第三章LED设计实例-..1.18第四章手电筒设计实例由南南由南虚由由面鱼出面量自音s面自自鱼自自西由自由由由由由面由垂型由面由昏音面垂香量看证自音西垂45第五章积分球设计实例,54第六章LED设计实例二…第七章分光棱镜模拟实例……---77第八章LED汽车前照灯设计实例影中中中着,着看e,第九章简易荧光灯模型设计实例……100第十章投影仪设计实例…11111114第十一章红外光气体检测系统设计实例140第十二章荧光粉模拟实例150第十三章LED色温模拟实例…--1160第十四章消除杂散光模拟实例……167第十五章二级复合抛物面聚光器设计实例177第十六章矩形路灯聚光器的优化设计198第十七章一种LED植物生长灯的设计与制作…207第十八章简易筒灯的模拟与设计216绪论光学设计基础知识在开始本书前,我们需要了解一些基础的光学知识。一、光度学基本概念光通量:单位时间内光辐射能量的大小。它表示光源的发光能力。光通量单位:流明(lm),指lcd的均匀点光源在lsr内的光通量。发光强度(光强);光通量的角(空间的)密度,即在一定方向上的单位立体角内所发出的光通量。常用于说明光源和灯具发出的光通量在空间各方向或选定方向上的分布密度。发光强度的单位:坎德拉cd,lcd=1mSr,是国际单位制的基本单位。立体角:是任意一封闭的圆锥面内所包含的空间。单位是球面度(Sr),即以锥顶为球心,以r为半径作一圆球,如果锥面在圆球上截得的面积A为r的平方,则该立体角为一个单位立体角,而一个球体包含4π球面度。1979年10月第10届国际计量大会透过的坎德拉定义为:一个光源发出频率为540.0E1Hz的单色辐射(对应于空气中波长为550nm的单色辐射),若在一定方向上的辐射强度为1/683Wsr,则光源在该方向上的发光强度为1cd照度:单位面积(被照射面)上入射的光通量。照度单位;勒克斯(1x)注:1kx的照度是比较小的,在此照度下仅能大致辨认周围物体。晴朗的盈月夜晚,地面照度大约为0.2x;白天采光良好的室内照度为100-500x;晴天室外太阳散射光下,地面的照度约为10001x;中午太阳光照射下,地面的照度可达100001x光出射度:单位面积(发光面)上发射的光通量。其单位:辐射勒克斯(rlx)。亮度(台湾又称辉度):在一个广光源上取一个单元面积dA,从与表面法线成角的方向上去观察,在这个方向上的光强与所可见的光源面积之比,定义为光源在该方向的亮度。单位:尼特(坎德拉每平方米,cdm2)。注:太阳的亮度为1.6*10E9以上,碳极弧光灯(1.8-12)*10E8,钨丝灯(2.0-20)*10E6,蜡烛(0.5-1.0)*10OE4,蓝天0.8*10E4暗适应:由光亮处进入到黑暗处,开始一切都看不见,经过一段时间才能看见物体轮廊。所需时间较长,一般几分钟以上。明适应:有暗处进入到亮处时,开始也不能辨别物体,几秒到几十秒后才能看清物体。在有明暗变化的视场内,应考虑照明的过渡。后像:在高亮度的闪光之后,往往会感到有一连串的影像,以不规则的强度和不断降低的频率正负交替出现,即后像。强烈的后像对视力工作有很大害处。应避免。眩光:视场中有极高的亮度或强烈的亮度对比时,会造成视觉下降和眼睛的不舒适,这种现象称为眩光。前者为失能眩光,后者为不舒适眩光。不舒适眩光取决于视场内的尺寸亮度数量位置以及背景亮度等原素。注:一个明亮光源发出的光线,被一个有光泽或半光泽的表面射入观察者眼睛,可能产生轻度分散注意力甚至不舒适的感觉。当这种反射发生在作业面上时,称为“光幕反射”,如发生在作业面以外时,称为“反射眩光”。颜色:眼睛能够辨别背景上的被观察对象(细节),必须满足以下两个条件之对象与背景有不同的颜色(颜色对比),或者对象与背景在亮度上有一定的差别(亮度对比)。可见度(能见度,视度):表示被识别对象看清楚的程度。反射,折射,透射,吸收:1.据能量守衡定律,材料的反射系数+透射系数+吸收系数=1铝(普通)的反射系数为60-73%,吸收系数为2740%。铝(电解抛光)的反射系数为75-84%(光泽),62-70%(无光)。铬反射系数为65%,吸收系数为35%2.光的反射分类:定向反射( Specular reflection),散反射( Spread Reflection),漫反射( )effuse Reflection),混合反射( Compound Reflection)3.折射:水的临界折射角为48.5°,玻璃的临界折射角为30°到40°。玻璃的折射率为1.5左右。4.光的透射分类:定向透射,散透射( Spread Transmission),漫透射( DiffuseTransmission),混合透射( Mixed Transmission)5.光在玻璃表面垂直入射时,入射光在入射面被反射4%,在透过面被反射3-4%,被吸收2-8%,透过率为80-90%6.材料的表面的光反射和光透射具有光谱选择性。二、LED光学设计基础知识为了使LED芯片发出的光能够更好地输出,得到最大程度的利用,并且在照明区域内满足设计要求,需要对LED进行光学系统的设计。其中,在封装过程中的设计被称为一次光学设计;而在LED之外进行的光学设计被称为二次光学设计①一次光学设计LED芯片只是一块很小的固体,它的两个电极要在显微镜下才能看见,加入电流后它才会发光。在制作工艺上,除了要对LED芯片的两个电极进行焊接,从而引出正、负电极之外,同时还要对LED芯片和两个电极进行保护。因此,这就需要对LED芯片进行封装。在封装的过程中,为了能够最高效率地输出可见光的功能,需要进行光学设计,合适选择封装材料的形状、结构和材料,这种设计在业内被称为一次配光设计次配光设计主要是决定发光器件的出光度、光通量大小、光强大小、光强分布等。而影响封装出光效率的高低、效果的好坏,主要是由芯片、支架和模粒三要素来决定的。②二次光学设计在使用LED发光器件时,整个系统的出光效果、光强、色温的分布状况也必须进行设计,把器件发出的光线集中到期望的照明区域内,从而让整个LED照明系统能够满足设计的需要,这被称为二次光学设计。二次光学设计必须在LED发光器件次配光设计的基础上进行。一次配光设计是保证每个LED发光器件的出光质量,考虑将LED芯片中发出的光能尽量多地取出。而二次配光设计是考虑怎样把LED器件发出的光线集中到期望的照明区域上,从而让整个系统发出的光能满足设计需要。从某种意义上来说,只有封装设计即一次配光设计)合理,才能保证系统的二次配光设计顺利实现,从而提高照明和显示的效果。基于LED的二次配光设计,对最终的照明器件和产品的性能起着至关重要的作用。第一,部分光线未能达到有效的照明范围从而导致能量的损失,需要使用大数值孔径的光学系统对光线进行汇聚,进一步提高光能利用率;第二,封装之后,像面照度分布均匀性达不到改计要求,难以在每一点的照度值都大于要求的最低照度值,这都需要对LED进行二次配光设计。日前市场上常用的光学设计和分析程序主要有美国焦点软件公司开发的ZEMAX、 Optical Research Associates的 CODE V和 Light Tools、 Breault ResearchOrganization的ASAP以及 Lambda research的 TracePro等。ZEMAX是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件,可做光学组件设计与照明系统的照度分析,也可建立反射、折射、绕射等光学模型,并结合优化,公差等分析功能,是套可以运算 Sequential及Non- Sequential的软件。 ZEMAX不仅功能强大,而且具备直观性、软件灵活、优化快速、容易操作使用等优点,与其他软件不同的是 ZEMAX的CAD转档程序都是双向的,如IGES、STEP、SAT等格式都可转入及转出。当前有三种不同的版本: ZEMAX-SE(标准版); ZEMAX-XE(展版)ZEMAX-EE传专业版)。 ZEMAX在成像光学,特别是透镜设计方面应用十分广泛。CODE V是应用非常广泛的光学设计和分析软件,是世界上分析功能最全、优化功能最强的光学软件,为各国政府及军方研究部门、著名大学和各大光学公司广泛采用,并广泛适用于照相设备、摄影机和医疗器具等,功能强大使用简单灵活。其功能主要包括变焦结构优化和分析、环境热量分析、MIF和RMS波阵面基础公差分析、用户自定义优化、干涉和光学校正准直、非连续建模、矢量衍射计算及偏振、全球综合优化光学设计方法等。ASAP是 Breault Research Organization研制的一套不受限制的、非序列光线追迹软件。它具有对物理光学、成像系统和照明系统进行建模分析的强大功能,它的图形工具允许用户进行截图分析,或者对几何模型、光线追迹、分析结果进行三维演示。ASAP还可以分析散射、衍射、反射、折射、吸收、偏振、非序列光线追迹和高斯光束传播。Light Tools.是 Optical Research Associate制的一套全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系,它提供最现代化的手段直接描述光学系统中的光源、透镜、反射角、分束器、衍射光学元件、棱镜、机槭结构以及光路。由 Light Tools把光学和机械元件集合在统一的体系下处理,并配置“放置”光源、发射光线的非序列追迹强大功能,使它在系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计、杂光分析、照明系统设计分析、单位各部门间学术交流和数据交換、课题论证或产品推广等各环节中发挥重要的作用。TracePro是美国 Lambda Research公司开发的一款基于蒙特卡罗法( Mante Carlo)的非序列光线追迹(Non- Sequential Ray Tracing)软件,它是一套以符合工业标准的ACIS固体建模引擎为核心所发展出来的光学机构仿真软件,是一套结合了真实固体建模、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上手的使用界面的仿真软件,它可将真实立体模型与光学分析紧密结合起来。目前,国际上在照明系统分析、传统光学分析、辐射度以及光度分析,在镜头杂散光分析、背光板、LED设计及应用、照明灯具、车灯、投影显示器等众多领域中已经大量采用该软件进行计算机辅助设计。本书主要采用该软件进行模拟设计(读者需对 TracePro软件的使用有一定了解,可以参考《 TracePro7.0中文使用手册》)。TracePro用于照明设计的一般流程如图1所示。建立模型□>建立模型建立光源优化属性结果不符合定义属性光线追迹结果分析图1模拟设计流程图三、几个知名品牌的LED模型下载地址下面是各个种类的LED模型下载地址,模型包括用在 Trace Pro里面的,也有Light Tools,,也有 ZEMAX的,下载下来直接在相应的软件上调用就可以了,十分方便。1.mh:http://www.philipslumileds.com/resources/design/listing.cfm?catoptical然后打开 Optical Design Resources点击LE链接2.lim(Cree):http:/www.cree.com/products/ledlamps.asp.然后打开 LED Components页面点击LED3.欧司朗http://www.osram-os.com/ray-filcs然后点击LED下载。第一章导光管设计实例在 TracePro中进行导光管设计,将使用到面平扫功能。主要步骤如下:打开 Trace Pro软件2.在下拉工具菜单 Insert选择实体模型 Insert/Primitive solids命令3.在基本实体模型设置对话框中,选择 Cylinder/Cone设置栏4.选中 Cylinder,在Bae下的 Major栏输入底面半径为2,在1op下的 Length输入30。如图1.1所示。■ nsert Pr盈itSolidsBlock Cylinder/Cone Torus I Sphere Thin Sheet IName: Obiect 1C Cylind. C Cone厂 EllipticalBTMajMajMinor aLength 30Base Posi tionBase rotationx:0Y:0Y:o2:in Degreesset,□li图1.15.点击 Insert插入,再点击缩放工具图标二如图1.2所示。ladel: [UntitledSurface 1tity 4Cyl/C图下一步将使用 Revolve对上面建立的导光管右端面进行旋转延伸操作:1.选中导光管右端面,即 Object 1下的 Surface22.执行下拉菜单 Edit/Surface/ Revolve命令。在 Revolve surface Selection对话框设置旋转角度为90度,半径为25mm。4.在位置坐标栏输入(0-2530);(100)。具体见图1.3所示。5.点击 Revolve surface插入旋转延伸。如图14所示。Revolve Surface Selection DXAngle 90planar suIfaces on副yDraft angle oin DegreesRadius250Positicn on axis of revolution Axis cf RevolutionPosition X 0Axis X 1Positon丫AxisY 0Position Z30Axis20Get Position fiom last mouse clickCalculate a Position using selected surfaceRevolve Surface图1.3Fuel: [Untitled1]回xobject I中 ur tace 0中 Surtace2Entity 4Model Source Radi anee图1最后将进行Swep面平扫,完成导光管的实体模型:1.选中端面 Surface3,执行下拉菜单 Edit/Surface/Sweep命令。2.在 Sweep Surface Selection对话框中,输入 Distance为l5mm,Draf为-2度。
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