移动通信仿真与软件无线电实验程序包

资 源 简 介

本项目是配套电子书《Simulation and Software Radio for Mobile Communications》开发的完整MATLAB程序库，旨在为移动通信系统的学习与研究提供直观的仿真分析工具。 代码涵盖了无线传输环境的物理建模，包括瑞利衰落（Rayleigh Fading）和莱斯衰落（Ricean Fading）信道的统计特性模拟。其核心功能实现了移动通信涉及的关键调制解调技术，如BPSK、QPSK、MSK及其在GMSK中的应用，并深入探讨了多址接入技术，包括时分多址（TDMA）、

详 情 说 明

移动通信仿真与软件无线电 MATLAB 实验包

项目介绍

本项目是一款专为移动通信学习与研究设计的完整 MATLAB 仿真程序。它配套电子书《Simulation and Software Radio for Mobile Communications》开发，通过数学建模与软件仿真，直观地展示了移动通信物理层（Physical Layer）的关键技术。该实验包涵盖了从信号源编码、信道建模到接收端均衡与合并的全过程，是工程技术人员和相关专业学生验证通信理论、评估系统性能的有力工具。

功能特性

• 无线信道模拟：实现了经典的瑞利衰落和莱斯衰落信道模型，能够模拟复杂的多径传播环境。
• 端到端调制仿真：包含 QPSK 调制的完整链路，支持蒙特卡罗（Monte Carlo）仿真以评估误码率性能。
• 先进多载波技术：提供正交频分复用（OFDM）的实现，涉及 IFFT 变换、循环前缀（CP）添加及功率谱密度分析。
• 扩频通信演示：实现了码分多址（CDMA）的基本逻辑，包括 PN 序列扩频与相关解扩过程。
• 纠错编码方案：内置卷积码编码与维特比（Viterbi）硬判决译码算法，展示信道编码对可靠性的提升。
• 抗衰落与均衡技术：包含最大比合并（MRC）分集接收算法以及基于最小均方（LMS）算法的自适应均衡器。
• 多维度结果可视化：提供星座图、眼图、误码率曲线、功率谱及信道统计特性曲线的综合对比。

使用方法

1. 确保计算机已安装 MATLAB 软件环境。
2. 将所有相关脚本文件放置在同一工作目录下。
3. 在 MATLAB 命令行窗口中运行入口主函数或直接点击运行 main.m。
4. 仿真运行结束后，系统将自动弹出多个图形窗口，展示信道特性、误码率对比、OFDM 波形及均衡器效果。
5. 控制台会实时输出卷积码编码前后的误码率对比结果，用于验证纠错性能。

系统要求

• 软件版本：建议使用 MATLAB R2018b 或更高版本。
• 必备工具箱：Communication Toolbox（用于卷积编码与维特比译码相关函数）。
• 硬件配置：主流个人电脑即可运行，内存建议 8GB 及以上以加快大规模蒙特卡罗仿真的速度。

核心实现逻辑说明

主程序按照移动通信系统的典型处理流程分为多个模块：

• 信道物理模型构建：程序通过生成正交的高斯随机变量模拟瑞利衰落的包络。对于莱斯衰落，则在多径分量的基础上引入了视距（LOS）常数分量，并根据指定的 K 因子计算直射波与散射波的功率比例。
• 性能评估体系：在蒙特卡罗仿真循环中，程序针对不同的信噪比（SNR）点，分别在加性高斯白噪声（AWGN）信道和瑞利衰落信道下进行比特传输，通过单采样点（Single-tap）均衡器补偿信道相位偏差，并利用位错误计数器精确计算 BER 曲线。
• OFDM 传输链路：实现了从 QPSK 符号映射到并行变换，再通过 IFFT 生成时域信号的过程。程序特别加入了循环前缀（CP）以应对多径引起的符号间干扰（ISI），并使用周期图法估计信号功率谱。
• CDMA 扩频逻辑：采用简化的 PN 序列对原始信息进行扩频，利用扩频码的正交自相关特性，在接收端通过相关器（积分清洗滤波器的数字形式）从强噪声中提取原始信号。
• 自适应均衡处理：为了对抗特定多径信道产生的频率选择性衰落和 ISI，程序实现了一个 11 抽头的 LMS 自适应滤波器。它通过实时监测输出误差不断调整抽头系数，使接收端波形逐渐收敛至原始信号。
• 分集接收机制：程序模拟了两根天线的接收过程，并应用最大比合并（MRC）技术。通过给各支路信号加权（权系数为对应信道增益的共轭），实现信噪比的最大化叠加，显著改善了受衰落影响的信号质量。

关键算法与实现细节分析

• 瑞利与莱斯分布生成：

瑞利变量通过 randn 生成的同相和正交分量组合而成。莱斯分布则根据 K 因子调整确定性分量的权重，体现了从非视距到视距环境的过渡。

• 基于 IFFT 的多载波调制：

OFDM 模块通过将 QPSK 符号重排为矩阵，利用 ifft 函数在频域子载波上调制信息。循环前缀的长度被设定为 16，以确保覆盖典型的多径时延扩展。

• 卷积码与维特比译码：

使用多项式 [7 5] 定义状态机（Trellis），通过 convenc 进行编码。译码部分采用维特比算法的硬判决模式，在 5% 的严重误码注入环境下验证系统的鲁棒性。

• LMS 自适应权重更新：

均衡器使用步长因子 $mu$ 控制收敛速度。更新公式遵循 $w(k+1) = w(k) + mu cdot e(k) cdot u^*(k)$，其中 $e(k)$ 为期望信号与实际输出的误差。

• MRC 逻辑实现：

合并算法通过显式计算复数信道的共轭增益，不仅实现了相位的对齐，还实现了功率的加权合并，能够有效提升多径环境下的信号星座图凝聚度。