ch1仿真的作用课件.ppt
引言引言一、复杂性示例一、复杂性示例二、仿真的多学科特点二、仿真的多学科特点三、模型三、模型四、确定性与随机性仿真四、确定性与随机性仿真五、仿真的作用五、仿真的作用六、仿真软件包六、仿真软件包2现代通信系统的复杂性现代通信系统的复杂性现代通信系统的复杂性现代通信系统的复杂性仿真的广泛使用。仿真的广泛使用。仿真的广泛使用。仿真的广泛使用。现代通信系统的结构复杂：现代通信系统的结构复杂：现代通信系统的结构复杂：现代通信系统的结构复杂：运行在功率和带宽受限条件下，还要支持高速数据传输。运行在功率和带宽受限条件下，还要支持高速数据传输。运行在功率和带宽受限条件下，还要支持高速数据传输。运行在功率和带宽受限条件下，还要支持高速数据传输。复杂的调制和脉冲成形技术复杂的调制和脉冲成形技术复杂的调制和脉冲成形技术复杂的调制和脉冲成形技术 差错控制和接收端的高级信号处理技术差错控制和接收端的高级信号处理技术差错控制和接收端的高级信号处理技术差错控制和接收端的高级信号处理技术 在高数据率情况下，在高数据率情况下，在高数据率情况下，在高数据率情况下，同步同步同步同步要求变得更加严格要求变得更加严格要求变得更加严格要求变得更加严格系统运行时所处的环境复杂：系统运行时所处的环境复杂：系统运行时所处的环境复杂：系统运行时所处的环境复杂：多数现代通信系统则是多数现代通信系统则是多数现代通信系统则是多数现代通信系统则是运行在更恶劣的环境中运行在更恶劣的环境中运行在更恶劣的环境中运行在更恶劣的环境中。很多系统经常用到很多系统经常用到很多系统经常用到很多系统经常用到非线性放大器非线性放大器非线性放大器非线性放大器。无线蜂窝系统往往无线蜂窝系统往往无线蜂窝系统往往无线蜂窝系统往往遭受严重的干扰遭受严重的干扰遭受严重的干扰遭受严重的干扰，还有多径和阴影，使，还有多径和阴影，使，还有多径和阴影，使，还有多径和阴影，使得接收端信号出现衰落。得接收端信号出现衰落。得接收端信号出现衰落。得接收端信号出现衰落。引言（一）引言（一）3系统复杂系统复杂系统复杂系统复杂+环境恶劣环境恶劣环境恶劣环境恶劣解析处理困难解析处理困难解析处理困难解析处理困难数字计算机在近数字计算机在近数字计算机在近数字计算机在近2020年以来已得到迅速发展：年以来已得到迅速发展：年以来已得到迅速发展：年以来已得到迅速发展：功能强大，价格便宜，适合桌面使用。功能强大，价格便宜，适合桌面使用。功能强大，价格便宜，适合桌面使用。功能强大，价格便宜，适合桌面使用。使用简单，很多计算机资源的成本无关紧要。使用简单，很多计算机资源的成本无关紧要。使用简单，很多计算机资源的成本无关紧要。使用简单，很多计算机资源的成本无关紧要。计算机辅助设计与分析方法可供任何人使用。计算机辅助设计与分析方法可供任何人使用。计算机辅助设计与分析方法可供任何人使用。计算机辅助设计与分析方法可供任何人使用。已经开发了功能强大的面向通信系统的软件包。已经开发了功能强大的面向通信系统的软件包。已经开发了功能强大的面向通信系统的软件包。已经开发了功能强大的面向通信系统的软件包。强大的计算能力导致了复杂的信号处理结构。强大的计算能力导致了复杂的信号处理结构。强大的计算能力导致了复杂的信号处理结构。强大的计算能力导致了复杂的信号处理结构。因此，计算工具的应运而生，而且实用的计算能力因此，计算工具的应运而生，而且实用的计算能力因此，计算工具的应运而生，而且实用的计算能力因此，计算工具的应运而生，而且实用的计算能力（微处理器形式）作为保障技术，才使现代通信系统（微处理器形式）作为保障技术，才使现代通信系统（微处理器形式）作为保障技术，才使现代通信系统（微处理器形式）作为保障技术，才使现代通信系统变成可能，也使强大的仿真引擎有实现的可能。变成可能，也使强大的仿真引擎有实现的可能。变成可能，也使强大的仿真引擎有实现的可能。变成可能，也使强大的仿真引擎有实现的可能。引言（二引言（二）4仿真理论随着计算机方法的发展得到了迅速发展。仿真理论随着计算机方法的发展得到了迅速发展。仿真理论随着计算机方法的发展得到了迅速发展。仿真理论随着计算机方法的发展得到了迅速发展。仿真的重要动机：深入理解系统特性有价值的工具。仿真的重要动机：深入理解系统特性有价值的工具。仿真的重要动机：深入理解系统特性有价值的工具。仿真的重要动机：深入理解系统特性有价值的工具。好的仿真好的仿真好的仿真好的仿真 实现的硬件系统：可作多点测量，也易作参数研实现的硬件系统：可作多点测量，也易作参数研实现的硬件系统：可作多点测量，也易作参数研实现的硬件系统：可作多点测量，也易作参数研究，可任意改动滤波器带宽和究，可任意改动滤波器带宽和究，可任意改动滤波器带宽和究，可任意改动滤波器带宽和SNRSNRSNRSNR等参数，能很快地观测到等参数，能很快地观测到等参数，能很快地观测到等参数，能很快地观测到这些改动对系统性能的影响。这些改动对系统性能的影响。这些改动对系统性能的影响。这些改动对系统性能的影响。很容易地产生时域波形、信号谱图、眼图、信号星座图等很容易地产生时域波形、信号谱图、眼图、信号星座图等很容易地产生时域波形、信号谱图、眼图、信号星座图等很容易地产生时域波形、信号谱图、眼图、信号星座图等图形显示。图形显示。图形显示。图形显示。可将仿真图形与硬件实现产生的等效显示作比较。可将仿真图形与硬件实现产生的等效显示作比较。可将仿真图形与硬件实现产生的等效显示作比较。可将仿真图形与硬件实现产生的等效显示作比较。将仿真将仿真将仿真将仿真结果和系统硬件产生的结果对比也是通信系统设计过程的重结果和系统硬件产生的结果对比也是通信系统设计过程的重结果和系统硬件产生的结果对比也是通信系统设计过程的重结果和系统硬件产生的结果对比也是通信系统设计过程的重要部分。要部分。要部分。要部分。仿真比实际系统硬件能更容易也更经济地对各种假设情况仿真比实际系统硬件能更容易也更经济地对各种假设情况仿真比实际系统硬件能更容易也更经济地对各种假设情况仿真比实际系统硬件能更容易也更经济地对各种假设情况进行研究。进行研究。进行研究。进行研究。仿真的主要作用仿真的主要作用仿真的主要作用仿真的主要作用不仅在于获得所要参数值，更在于对不仅在于获得所要参数值，更在于对不仅在于获得所要参数值，更在于对不仅在于获得所要参数值，更在于对仿真对象获得深入理解。仿真对象获得深入理解。仿真对象获得深入理解。仿真对象获得深入理解。引言（三）引言（三）第一节第一节 复杂性示例复杂性示例通信系统不同，其复杂程度也很不相同通信系统不同，其复杂程度也很不相同通信系统不同，其复杂程度也很不相同通信系统不同，其复杂程度也很不相同。下面考虑复杂程度依次增加的三个通信系统。可见：下面考虑复杂程度依次增加的三个通信系统。可见：对第一个系统完全没必要进行仿真。对第一个系统完全没必要进行仿真。对第二个系统，仿真也不是必需的，但可能是有对第二个系统，仿真也不是必需的，但可能是有用的。用的。对第三个系统作详细的性能研究，就必须进行仿对第三个系统作详细的性能研究，就必须进行仿真。真。易于解析处理的系统易于解析处理的系统易于解析处理的系统易于解析处理的系统 需繁琐解析处理的系统需繁琐解析处理的系统需繁琐解析处理的系统需繁琐解析处理的系统 难以解析处理的系统难以解析处理的系统难以解析处理的系统难以解析处理的系统6易于解析处理的系统（框图）易于解析处理的系统（框图）图图1-1 易于解析处理的通信系统易于解析处理的通信系统7上图是一个简单通信系上图是一个简单通信系统：统：发射机部分：发射机部分：数据源：数据源：数据源：数据源：符号序列符号序列dk 0,1，假设为假设为离散无记离散无记离散无记离散无记忆源忆源忆源忆源；调制器：调制器：调制器：调制器：源符号源符号波形，波形，其不同波形代表不同源其不同波形代表不同源符号。二进制系统波形符号。二进制系统波形集合：集合：s1(t),s2(t)。假设假设发射机发射机发射机发射机对调制器的对调制器的输出进行线性放大，使输出进行线性放大，使得调制器产生的信号能得调制器产生的信号能以期望的比特能量发射以期望的比特能量发射出去。出去。信道：信道：信道：信道：系统中系统中需要进行需要进行需要进行需要进行精确建模的最复杂的部精确建模的最复杂的部精确建模的最复杂的部精确建模的最复杂的部分分分分。这里假设为。这里假设为AWGN信道。信道。8n接收机：观察接收机输入端信号，产生对接收机：观察接收机输入端信号，产生对dk的估计，记作的估计，记作dk。接收机：接收机：包括一个包括一个匹配滤波器（或相关接收机）匹配滤波器（或相关接收机）匹配滤波器（或相关接收机）匹配滤波器（或相关接收机），它，它，它，它在在一个符号周期内对信号进行观察。一个符号周期内对信号进行观察。在符号周期末在符号周期末在符号周期末在符号周期末，对匹配，对匹配滤波器的输出滤波器的输出采样采样采样采样，产生一个观察统计量，产生一个观察统计量Vk。最后：将最后：将VkVk与阈值与阈值与阈值与阈值T T 作比较作比较作比较作比较，如，如Vk T，判决判决Vk为一个为一个数据符号；如数据符号；如Vk T,判决判决Vk为另一个数据符号。为另一个数据符号。9利用通信原理知识，容易求得通信利用通信原理知识，容易求得通信利用通信原理知识，容易求得通信利用通信原理知识，容易求得通信差错概率差错概率差错概率差错概率为：为：为：为：v注：见注：见“通信原理：数字通信频带传输通信原理：数字通信频带传输”Es表示一个符号周期内的平均能量，跟波形集合表示一个符号周期内的平均能量，跟波形集合S1(t),S2(t)相关联；相关联；N0为加性信道噪声的单边功率谱密度；为加性信道噪声的单边功率谱密度；参数参数k取决于波形取决于波形 S1(t),S2(t)的相关程度。的相关程度。10为什么该系统是易于解析处理的？为什么该系统是易于解析处理的？为什么该系统是易于解析处理的？为什么该系统是易于解析处理的？信道是信道是信道是信道是AWGNAWGN信道：信道：信道：信道：噪声是高斯噪声噪声是高斯噪声接收机是线性的接收机是线性的接收机是线性的接收机是线性的。匹配滤波器是线性系统，判决统计量。匹配滤波器是线性系统，判决统计量Vk作作为高斯随机变量。为高斯随机变量。模型简化：模型简化：数据源为无记忆、理想的符号同步数据源为无记忆、理想的符号同步数据源为无记忆、理想的符号同步数据源为无记忆、理想的符号同步因而可数学分析。因而可数学分析。仿真易于解析处理的系统是否也有作用呢？仿真易于解析处理的系统是否也有作用呢？仿真易于解析处理的系统是否也有作用呢？仿真易于解析处理的系统是否也有作用呢？它它可能是一个更复杂系统的基本构成模块可能是一个更复杂系统的基本构成模块可能是一个更复杂系统的基本构成模块可能是一个更复杂系统的基本构成模块。开发出仿真代码很容易得到验证开发出仿真代码很容易得到验证开发出仿真代码很容易得到验证开发出仿真代码很容易得到验证。可按照研究的需求，对数据源、调制器、信道或接收机进行可按照研究的需求，对数据源、调制器、信道或接收机进行修改。修改。还可以把其他子系统添加到仿真模型中去。还可以把其他子系统添加到仿真模型中去。因此答案是肯定的。因此答案是肯定的。11需繁琐解析处理的系统需繁琐解析处理的系统(分析分析)图图1-2需繁琐解析处理的系统需繁琐解析处理的系统12和前面系统唯一不同：加入了发射机的和前面系统唯一不同：加入了发射机的和前面系统唯一不同：加入了发射机的和前面系统唯一不同：加入了发射机的非线性大功率非线性大功率非线性大功率非线性大功率放大器（放大器（放大器（放大器（HPAHPA）和和和和滤波器滤波器滤波器滤波器。非线性放大器：非线性放大器：非线性放大器：非线性放大器：高的功率效率高的功率效率高的功率效率高的功率效率经常优先应用于功率受限经常优先应用于功率受限经常优先应用于功率受限经常优先应用于功率受限的场合，包括的场合，包括的场合，包括的场合，包括太空应用和蜂窝移动系统太空应用和蜂窝移动系统太空应用和蜂窝移动系统太空应用和蜂窝移动系统。非线性放大器会产生非线性放大器会产生非线性放大器会产生非线性放大器会产生谐波谐波谐波谐波与与与与交调失真交调失真交调失真交调失真频谱扩展频谱扩展频谱扩展频谱扩展放大器后的放大器后的放大器后的放大器后的滤波器滤波器滤波器滤波器是带通滤波器，中心频率等于期望载波是带通滤波器，中心频率等于期望载波是带通滤波器，中心频率等于期望载波是带通滤波器，中心频率等于期望载波频率。频率。频率。频率。作用是减少非线性带来的谐波与互调失真作用是减少非线性带来的谐波与互调失真作用是减少非线性带来的谐波与互调失真作用是减少非线性带来的谐波与互调失真。调制器与调制器与调制器与调制器与HPAHPA、滤波器滤波器滤波器滤波器数据信号时间扩散数据信号时间扩散数据信号时间扩散数据信号时间扩散，产生产生产生产生符符符符号间干扰（号间干扰（号间干扰（号间干扰（ISIISI）。ISIISI第第第第i i 个符号的差错概率个符号的差错概率个符号的差错概率个符号的差错概率跟它前面一个或多个符号有关跟它前面一个或多个符号有关跟它前面一个或多个符号有关跟它前面一个或多个符号有关在解调第在解调第在解调第在解调第i i 个符号时必须考虑多个前续符号，这取决于滤波个符号时必须考虑多个前续符号，这取决于滤波个符号时必须考虑多个前续符号，这取决于滤波个符号时必须考虑多个前续符号，这取决于滤波器输出信号的记忆性。器输出信号的记忆性。器输出信号的记忆性。器输出信号的记忆性。第第第第i i个符号的差错概率个符号的差错概率个符号的差错概率个符号的差错概率取决于前取决于前取决于前取决于前k k个符号，就需要计算个符号，就需要计算个符号，就需要计算个符号，就需要计算需繁琐解析处理的系统需繁琐解析处理的系统(分析分析)13二进制情况：等概取二进制情况：等概取二进制情况：等概取二进制情况：等概取0 0或或或或1 1，有，有，有，有2 2k k个个个个k k长的序列。长的序列。长的序列。长的序列。第第第第i i个个个个符号的差错概率符号的差错概率符号的差错概率符号的差错概率为为为为即，必须计算即，必须计算即，必须计算即，必须计算2 2k k个不同差错概率，并对这个不同差错概率，并对这个不同差错概率，并对这个不同差错概率，并对这2 2k k个结果作平均。个结果作平均。个结果作平均。个结果作平均。对对对对AWGNAWGN信道，这信道，这信道，这信道，这2 2k k个差错概率都是高斯个差错概率都是高斯个差错概率都是高斯个差错概率都是高斯Q Q函数，可直函数，可直函数，可直函数，可直接计算每一个接计算每一个接计算每一个接计算每一个Q Q函数值，其函数值，其函数值，其函数值，其计算过程很繁琐计算过程很繁琐计算过程很繁琐计算过程很繁琐仿真。仿真。仿真。仿真。该系统的该系统的该系统的该系统的一个重要特性一个重要特性一个重要特性一个重要特性：从噪声注入点到统计量：从噪声注入点到统计量：从噪声注入点到统计量：从噪声注入点到统计量V Vk k采采采采集点之间的系统是线性的。统计量集点之间的系统是线性的。统计量集点之间的系统是线性的。统计量集点之间的系统是线性的。统计量V Vk k经常具有以下形式经常具有以下形式经常具有以下形式经常具有以下形式需繁琐解析处理的系统需繁琐解析处理的系统(分析分析)式中，式中，Sk和和Ik分别为对应于信号和分别为对应于信号和ISI分量；分量；Nk为对应于信为对应于信道噪声分量。道噪声分量。14因为是高斯随机变量的线性变换，则由于信道噪声是高斯因为是高斯随机变量的线性变换，则由于信道噪声是高斯随机变量，随机变量，Nk也是高斯随机变量。也是高斯随机变量。V Vk k也是也是也是也是AWGNAWGN变量，方差和变量，方差和变量，方差和变量，方差和N Nk k的相同，但具有均值的相同，但具有均值的相同，但具有均值的相同，但具有均值S Sk k+I+Ik k，这两个量皆为确定性变量，所以这两个量皆为确定性变量，所以Vk的均值可以直接计算。的均值可以直接计算。由由信道噪声的功率谱密度信道噪声的功率谱密度信道噪声的功率谱密度信道噪声的功率谱密度和和从信道到从信道到从信道到从信道到V Vk k出现处的系统等效出现处的系统等效出现处的系统等效出现处的系统等效噪声带宽噪声带宽噪声带宽噪声带宽可以确定可以确定V Vk k的方差的方差的方差的方差，因而，可以得知从，因而，可以得知从Vk的概率密的概率密度函数很容易求出通信差错概率。度函数很容易求出通信差错概率。总之，总之，尽管系统中有非线性，但由于噪声并没有通过尽管系统中有非线性，但由于噪声并没有通过非线性部分，非线性部分，Vk的概率密度函数还是很容易确定的。的概率密度函数还是很容易确定的。噪声仅通过系统的线性部分：噪声仅通过系统的线性部分：噪声仅通过系统的线性部分：噪声仅通过系统的线性部分：V Vk k的均值可用的均值可用的均值可用的均值可用无噪声仿真无噪声仿真无噪声仿真无噪声仿真确定，同时可解析确定确定，同时可解析确定确定，同时可解析确定确定，同时可解析确定V Vk k的方差。的方差。的方差。的方差。V Vk k概率密度函数已知，概率密度函数已知，概率密度函数已知，概率密度函数已知，就容易确定差错概率。就容易确定差错概率。就容易确定差错概率。就容易确定差错概率。得到一个简单而快速的得到一个简单而快速的得到一个简单而快速的得到一个简单而快速的半解析仿真方法：半解析仿真方法：半解析仿真方法：半解析仿真方法：解析和仿真解析和仿真解析和仿真解析和仿真以一种便于快速仿真的方式结合在一起。半解析方法以一种便于快速仿真的方式结合在一起。半解析方法以一种便于快速仿真的方式结合在一起。半解析方法以一种便于快速仿真的方式结合在一起。半解析方法是一个重要的仿真工具。是一个重要的仿真工具。是一个重要的仿真工具。是一个重要的仿真工具。需繁琐解析处理的系统需繁琐解析处理的系统(分析分析)15难以解析处理的系统难以解析处理的系统（框图）（框图）图图1-3难难以解析处以解析处理的通信理的通信系统系统16是一个难以解析处理的是一个难以解析处理的是一个难以解析处理的是一个难以解析处理的两跳卫星通信系统两跳卫星通信系统两跳卫星通信系统两跳卫星通信系统。将。将。将。将卫星转卫星转卫星转卫星转发器发器发器发器建模为建模为建模为建模为非线性大功率放大器（非线性大功率放大器（非线性大功率放大器（非线性大功率放大器（HPAHPA），并用并用并用并用滤波器滤波器滤波器滤波器滤掉非线性造成的带外谐波失真滤掉非线性造成的带外谐波失真滤掉非线性造成的带外谐波失真滤掉非线性造成的带外谐波失真。此处加入了卫星信道模型，它由此处加入了卫星信道模型，它由此处加入了卫星信道模型，它由此处加入了卫星信道模型，它由两个噪声源两个噪声源两个噪声源两个噪声源组成。其组成。其组成。其组成。其中中中中一个噪声源代表上行链路一个噪声源代表上行链路一个噪声源代表上行链路一个噪声源代表上行链路（发射机到卫星）（发射机到卫星）（发射机到卫星）（发射机到卫星）噪声噪声噪声噪声，而而而而另一个表示下行链路另一个表示下行链路另一个表示下行链路另一个表示下行链路（卫星到接收机）（卫星到接收机）（卫星到接收机）（卫星到接收机）噪声噪声噪声噪声。问题问题问题问题:接收机的噪声由两部分组成，下行链路噪声和接收机的噪声由两部分组成，下行链路噪声和接收机的噪声由两部分组成，下行链路噪声和接收机的噪声由两部分组成，下行链路噪声和通过非线性大功率放大器的上行链路噪声通过非线性大功率放大器的上行链路噪声通过非线性大功率放大器的上行链路噪声通过非线性大功率放大器的上行链路噪声，即使假设，即使假设，即使假设，即使假设上行链路和下行链路噪声都是高斯过程，接收端的噪上行链路和下行链路噪声都是高斯过程，接收端的噪上行链路和下行链路噪声都是高斯过程，接收端的噪上行链路和下行链路噪声都是高斯过程，接收端的噪声还是很难确定。声还是很难确定。声还是很难确定。声还是很难确定。难以解析处理的系统难以解析处理的系统（分析）（分析）17下行链路噪声下行链路噪声下行链路噪声下行链路噪声容易容易容易容易建模，因为它只通过系统的线性部建模，因为它只通过系统的线性部建模，因为它只通过系统的线性部建模，因为它只通过系统的线性部分，而对上行链路噪声建模比较分，而对上行链路噪声建模比较分，而对上行链路噪声建模比较分，而对上行链路噪声建模比较困难困难困难困难，因为它通过了系，因为它通过了系，因为它通过了系，因为它通过了系统的非线性部分。即使上行链路是高斯的，判决统计量统的非线性部分。即使上行链路是高斯的，判决统计量统的非线性部分。即使上行链路是高斯的，判决统计量统的非线性部分。即使上行链路是高斯的，判决统计量V Vk k的概率密度函数还是很难确定。没有判决统计量的概的概率密度函数还是很难确定。没有判决统计量的概的概率密度函数还是很难确定。没有判决统计量的概的概率密度函数还是很难确定。没有判决统计量的概率密度函数的精确知识，通信差错概率就无法求出。率密度函数的精确知识，通信差错概率就无法求出。率密度函数的精确知识，通信差错概率就无法求出。率密度函数的精确知识，通信差错概率就无法求出。对这一类系统，对这一类系统，对这一类系统，对这一类系统，仿真仿真仿真仿真是一个必备的基本工具。是一个必备的基本工具。是一个必备的基本工具。是一个必备的基本工具。本节表明本节表明：增加复杂度是如何使仿真变得必要的增加复杂度是如何使仿真变得必要的现阶段受关注的许多系统都属于无法解析求解这一类。现阶段受关注的许多系统都属于无法解析求解这一类。现阶段受关注的许多系统都属于无法解析求解这一类。现阶段受关注的许多系统都属于无法解析求解这一类。比如，强干扰和多径环境下运行的无线蜂窝链路往往要比如，强干扰和多径环境下运行的无线蜂窝链路往往要比如，强干扰和多径环境下运行的无线蜂窝链路往往要比如，强干扰和多径环境下运行的无线蜂窝链路往往要通过仿真来详细分析。通过仿真来详细分析。通过仿真来详细分析。通过仿真来详细分析。难以解析处理的系统难以解析处理的系统（分析）（分析）18第二节第二节 仿真的多学科特点仿真的多学科特点在在在在2020世纪世纪世纪世纪7070年代以前，仿真问题是特事特办，对于仿年代以前，仿真问题是特事特办，对于仿年代以前，仿真问题是特事特办，对于仿年代以前，仿真问题是特事特办，对于仿真方法和出现在仿真程序中的真方法和出现在仿真程序中的真方法和出现在仿真程序中的真方法和出现在仿真程序中的误差源误差源误差源误差源，理解的人不多。，理解的人不多。，理解的人不多。，理解的人不多。在近在近在近在近2020多年里，学者们构建了一个多年里，学者们构建了一个多年里，学者们构建了一个多年里，学者们构建了一个知识体系知识体系知识体系知识体系，对仿真，对仿真，对仿真，对仿真开发进行方法指导，并提供理论框架来解决仿真程序开开发进行方法指导，并提供理论框架来解决仿真程序开开发进行方法指导，并提供理论框架来解决仿真程序开开发进行方法指导，并提供理论框架来解决仿真程序开发中出现的许多问题。发中出现的许多问题。发中出现的许多问题。发中出现的许多问题。该知识体系该知识体系该知识体系该知识体系目的目的目的目的是使得采用仿真作为分析工具的人可是使得采用仿真作为分析工具的人可是使得采用仿真作为分析工具的人可是使得采用仿真作为分析工具的人可以开发可靠而又有合理运行时间的仿真。以开发可靠而又有合理运行时间的仿真。以开发可靠而又有合理运行时间的仿真。以开发可靠而又有合理运行时间的仿真。构建这个知识体系要求融合不同领域知识，图构建这个知识体系要求融合不同领域知识，图构建这个知识体系要求融合不同领域知识，图构建这个知识体系要求融合不同领域知识，图1-41-4给出给出给出给出了影响仿真研究的了影响仿真研究的了影响仿真研究的了影响仿真研究的九大重要学科领域九大重要学科领域九大重要学科领域九大重要学科领域。19图图1-4 影响研究通信系统仿真的领域影响研究通信系统仿真的领域仿真的多学科特点仿真的多学科特点20（1）线性系统理论：线性系统理论：线性系统理论：线性系统理论：提供了确定线性系统输入输出关系的方法。提供了确定线性系统输入输出关系的方法。可在时域（冲激响应）和频域（传递函数）表示系统模型可在时域（冲激响应）和频域（传递函数）表示系统模型（2）通信原理：通信原理：通信原理：通信原理：在开发仿真系统之前，在开发仿真系统之前，必须理解必须理解必须理解必须理解系统结构、调制器和均衡系统结构、调制器和均衡器等不同子系统的运行特性，以及信道模型的详细情况。器等不同子系统的运行特性，以及信道模型的详细情况。尽管仿真可以用来确定合适的系统参数值，但在仿真开发尽管仿真可以用来确定合适的系统参数值，但在仿真开发之前通常就必须之前通常就必须了解参数值的实际范围了解参数值的实际范围了解参数值的实际范围了解参数值的实际范围。（3）数字信号处理（数字信号处理（数字信号处理（数字信号处理（DSPDSP）：）：）：）：常用来开发构成通信系统仿真模型的算法。常用来开发构成通信系统仿真模型的算法。仿真模型通常由几个仿真模型通常由几个连续时间系统元器件（如滤波器）的连续时间系统元器件（如滤波器）的连续时间系统元器件（如滤波器）的连续时间系统元器件（如滤波器）的离散时间近似离散时间近似离散时间近似离散时间近似组成，要理解、评估该近似特性，组成，要理解、评估该近似特性，DSP知识是知识是必需的。必需的。仿真模型每一个功能模块都是一个仿真模型每一个功能模块都是一个DSP运算。运算。DSP提供了提供了仿真实现方法。仿真实现方法。仿真的多学科特点仿真的多学科特点21（4）数值分析数值分析数值分析数值分析:和和DSP密切相关，但因为该学科历史更久远。密切相关，但因为该学科历史更久远。许多经典方法（数值积分、多项式内插以及曲线拟合）都许多经典方法（数值积分、多项式内插以及曲线拟合）都源于数值分析。源于数值分析。（5）概率概率概率概率:v是仿真研究的基础。通信系统的性能指标是仿真研究的基础。通信系统的性能指标:概率。概率。数字通信系统中的数字通信系统中的比特差错概率比特差错概率比特差错概率比特差错概率或或符号差错概率符号差错概率符号差错概率符号差错概率同步系统中同步系统中相位误差超过给定水平的概率相位误差超过给定水平的概率相位误差超过给定水平的概率相位误差超过给定水平的概率。概率论讨论了概率论讨论了随机变量随机变量随机变量随机变量和和概率密度函数概率密度函数概率密度函数概率密度函数等概念。等概念。如果已知内在的如果已知内在的概率密度函数概率密度函数概率密度函数概率密度函数，就可计算出上述各量。，就可计算出上述各量。许多仿真（随机性仿真）的结果是随机变量，而这个许多仿真（随机性仿真）的结果是随机变量，而这个随机随机随机随机变量的方差变量的方差变量的方差变量的方差往往是仿真的有用性和统计准确性的一个度量。往往是仿真的有用性和统计准确性的一个度量。仿真的多学科特点仿真的多学科特点22（6）随机过程理论：随机过程理论：随机过程理论：随机过程理论：提供描述随机过程的工具：时域为自相关函数，频域为功提供描述随机过程的工具：时域为自相关函数，频域为功率谱密度函数。率谱密度函数。很多仿真要处理的信号和噪声波形是随机过程样本函数，很多仿真要处理的信号和噪声波形是随机过程样本函数，尤其在建模信道时。尤其在建模信道时。（7）数论：数论：数论：数论：数论概念为我们提供了用于开发随机数发生器的工具。数论概念为我们提供了用于开发随机数发生器的工具。随机数发生器是波形发生器的基本模块，广泛应用于：序随机数发生器是波形发生器的基本模块，广泛应用于：序列、波形、衰落和随机干扰等许多场合。列、波形、衰落和随机干扰等许多场合。仿真的多学科特点仿真的多学科特点（8）计算机科学：计算机科学：计算机科学：计算机科学：信号采样值字长和字格式会影响仿真精度，在浮点处理器信号采样值字长和字格式会影响仿真精度，在浮点处理器中并不太重要。中并不太重要。在开发商业仿真器时，选择哪种语言非常关键。在开发商业仿真器时，选择哪种语言非常关键。可用内存的大小和内存的组织形式会影响数据与指令从仿可用内存的大小和内存的组织形式会影响数据与指令从仿真的一部分到另一部分的传递方式。真的一部分到另一部分的传递方式。图形要求和能力决定如何显示波形，影响代码可移植性。图形要求和能力决定如何显示波形，影响代码可移植性。23（9）检测与估计理论：检测与估计理论：检测与估计理论：检测与估计理论：允许我们对特定仿真结果的有效性进行评估。允许我们对特定仿真结果的有效性进行评估。随机性仿真的结果是随机变量。它构成了期望数量的一个估随机性仿真的结果是随机变量。它构成了期望数量的一个估计器。每次执行仿真会得出该随机变量的一个实现值。一般计器。每次执行仿真会得出该随机变量的一个实现值。一般来说，重复仿真得出的数值每次都会不同。如果仿真产生的来说，重复仿真得出的数值每次都会不同。如果仿真产生的估计器是无偏的（估计器是无偏的（unbiased）或一致的（或一致的（consistent），），这种仿这种仿真就很有用。真就很有用。无偏估计器无偏估计器无偏估计器无偏估计器是指估计均值等于被测数量的那种估计器。是指估计均值等于被测数量的那种估计器。一致估计一致估计一致估计一致估计是指估计方差随仿真时间增加而减小的估计。是指估计方差随仿真时间增加而减小的估计。此外一般还可用于评估仿真结果的可靠性。此外一般还可用于评估仿真结果的可靠性。仿真的知识体系仿真的知识体系仿真的知识体系仿真的知识体系是一个自成体系的研究领域。吸取了是一个自成体系的研究领域。吸取了是一个自成体系的研究领域。吸取了是一个自成体系的研究领域。吸取了来自许多其他领域的成果，就像电子信息学科吸取了物来自许多其他领域的成果，就像电子信息学科吸取了物来自许多其他领域的成果，就像电子信息学科吸取了物来自许多其他领域的成果，就像电子信息学科吸取了物理学、数学和化学等学科的成果一样。理学、数学和化学等学科的成果一样。理学、数学和化学等学科的成果一样。理学、数学和化学等学科的成果一样。希望同学们在开始学习仿真的时候，已经掌握了希望同学们在开始学习仿真的时候，已经掌握了希望同学们在开始学习仿真的时候，已经掌握了希望同学们在开始学习仿真的时候，已经掌握了线性线性线性线性系统理论系统理论系统理论系统理论、通信通信通信通信和和和和概率论概率论概率论概率论方面的知识。方面的知识。方面的知识。方面的知识。仿真的多学科特点仿真的多学科特点24第三节第三节 模型模型 通信系统仿真开发的第一步通信系统仿真开发的第一步:对所关心的系统对所关心的系统建立仿真模型建立仿真模型。模型模型模型模型描述了物理系统或器件的输入输出关系，模型可表示描述了物理系统或器件的输入输出关系，模型可表示描述了物理系统或器件的输入输出关系，模型可表示描述了物理系统或器件的输入输出关系，模型可表示成数学形式。成数学形式。成数学形式。成数学形式。建模的艺术性建模的艺术性建模的艺术性建模的艺术性在于建立在于建立在于建立在于建立特性模型特性模型特性模型特性模型（刻画了（刻画了（刻画了（刻画了特定条件特定条件特定条件特定条件下设备下设备下设备下设备的输入输出特性）。的输入输出特性）。的输入输出特性）。的输入输出特性）。特性模型特性模型特性模型特性模型要足够详细，以保持要建模的系统的基本特征，要足够详细，以保持要建模的系统的基本特征，要足够详细，以保持要建模的系统的基本特征，要足够详细，以保持要建模的系统的基本特征，同时又不能过于复杂，所需要的计算机资源开销适度。同时又不能过于复杂，所需要的计算机资源开销适度。同时又不能过于复杂，所需要的计算机资源开销适度。同时又不能过于复杂，所需要的计算机资源开销适度。要在要在精度、复杂度和计算量要求等方面作折衷精度、复杂度和计算量要求等方面作折衷。25三个层次：三个层次：物理模型物理模型、解析模型解析模型和和仿真模型仿真模型物理元器件物理元器件物理元器件物理元器件：单个电路元件，如电阻；子系统，如：单个电路元件，如电阻；子系统，如PLL单单芯片；或完整的通信系统。芯片；或完整的通信系统。解析模型解析模型解析模型解析模型和和仿真模型仿真模型仿真模型仿真模型二者都是物理元器件或系统的抽象。二者都是物理元器件或系统的抽象。1）建立）建立物理模型物理模型：确定模型要描述的物理元器件确定模型要描述的物理元器件特征和工作特性。特征和工作特性。要求作工程判断，还要求有要求作工程判断，还要求有全面透彻的了解全面透彻的了解全面透彻的了解全面透彻的了解。模型精度模型精度模型精度模型精度会限制其数学分析或计算机仿真精度会限制其数学分析或计算机仿真精度一旦一旦相关折衷相关折衷相关折衷相关折衷问题得到了解决，一个描述了物理元器件基问题得到了解决，一个描述了物理元器件基本特征的本特征的解析模型解析模型解析模型解析模型就就建立建立建立建立起来了。起来了。模模 型型262）解析模型以方程或方程组的形式给出）解析模型以方程或方程组的形式给出，描述，描述物理元器件的输入输出关系。物理元器件的输入输出关系。方程方程方程方程只是对要建模器件作部分描述，因其仅对某些方面建立只是对要建模器件作部分描述，因其仅对某些方面建立只是对要建模器件作部分描述，因其仅对某些方面建立只是对要建模器件作部分描述，因其仅对某些方面建立了模型。了模型。了模型。了模型。描述器件的方程描述器件的方程描述器件的方程描述器件的方程一般也只有在有限的电压、电流和频率范围一般也只有在有限的电压、电流和频率范围一般也只有在有限的电压、电流和频率范围一般也只有在有限的电压、电流和频率范围内是准确的内是准确的内是准确的内是准确的3）仿真模型通常是一组算法）仿真模型通常是一组算法，是用数值方法来，是用数值方法来求解定义解析模型的方程。求解定义解析模型的方程。开发这些算法的工具：开发这些算法的工具：开发这些算法的工具：开发这些算法的工具：数值分析、数字信号处理数值分析、数字信号处理数值分析、数字信号处理数值分析、数字信号处理。模模 型型27图图1-5元器件与模型元器件与模型28从图中可见，从图中可见，物理元器件物理元器件=解析模型解析模型=仿真模仿真模型型，抽象程度抽象程度依次增加依次增加抽象程度增加来源于抽象程度增加来源于抽象程度增加来源于抽象程度增加来源于，在该过程中所作的，在该过程中所作的假设和近似假设和近似，每，每作一次假设和近似，就远离物理元器件及其工作特性一步。作一次假设和近似，就远离物理元器件及其工作特性一步。在该过程中各步出现的抽象程度，在该过程中各步出现的抽象程度，应归因于解应归因于解析模型采用的表达形式析模型采用的表达形式。以以锁相环锁相环锁相环锁相环为例，锁相环的解析模型可以有多种形式，每种为例，锁相环的解析模型可以有多种形式，每种对应一个不同的抽象程度。对应一个不同的抽象程度。低抽象程度的解析模型低抽象程度的解析模型低抽象程度的解析模型低抽象程度的解析模型可以由可以由一组线性方程一组线性方程构成，其每一构成，其每一个方程对应一个功能运算（鉴相器、环路滤波器和压控振荡个方程对应一个功能运算（鉴相器、环路滤波器和压控振荡器）器）。此外，利用这组方程开发出的仿真，还可允许对锁此外，利用这组方程开发出的仿真，还可允许对锁相环中所关心的单个信号进行观察，并和硬件器件中对应的相环中所关心的单个信号进行观察，并和硬件器件中对应的信号进行比较。信号进行比较。模模 型型29更高抽象的模型更高抽象的模型更高抽象的模型更高抽象的模型是用一个是用一个非线性（或时变）微分方程非线性（或时变）微分方程来来描描述锁相环的输入输出关系。在该模型中，无法再分开识别出述锁相环的输入输出关系。在该模型中，无法再分开识别出锁相环中各信号处理运算及其对应波形。锁相环中各信号处理运算及其对应波形。仅考虑具有低抽象程度解析模
