通信系统的计算机模拟第九讲精.ppt
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1、通信系通信系统的的计算机模算机模拟第九第九讲1第1页,本讲稿共45页随机信号的产生与处理随机信号的产生与处理 l信道噪声、干扰和衰落等随机信道噪声、干扰和衰落等随机l波形级精确地仿真这些系统,随机影响建立准确的模型波形级精确地仿真这些系统,随机影响建立准确的模型l其基本构建模块是随机数发生器。如何产生采样后的随机波形(信号、干扰其基本构建模块是随机数发生器。如何产生采样后的随机波形(信号、干扰和噪声等),以用于仿真。在仿真环境下,所有的随机过程必须用随机变量和噪声等),以用于仿真。在仿真环境下,所有的随机过程必须用随机变量序列来表示。序列来表示。l随机数发生器产生的是随机数发生器产生的是“伪随
2、机序列伪随机序列”,因为尽管它们是确定的,但,因为尽管它们是确定的,但在具体应用中会呈现随机性。在具体应用中会呈现随机性。l精度随应用不同:产生一个波形来表示锁相环鉴相器输入端的噪声,对一个精度随应用不同:产生一个波形来表示锁相环鉴相器输入端的噪声,对一个输入输入SNR为为50dB的系统建立噪声波形模型所要求的精度要比输入端的系统建立噪声波形模型所要求的精度要比输入端SNR为为8dB的系统高得多。的系统高得多。2第2页,本讲稿共45页问题问题l在(在(0,1)上产生均匀分布且不相关的随机数)上产生均匀分布且不相关的随机数l将不相关且均匀分布的随机数映射成不相关的,具有任将不相关且均匀分布的随机
3、数映射成不相关的,具有任意(需要的)概率密度函数(意(需要的)概率密度函数(pdf)的随机)的随机l产生不相关的、具有高斯型产生不相关的、具有高斯型pdf的随机数的随机数l产生相关的、具有高斯型产生相关的、具有高斯型pdf的随机数的随机数l产生相关的、具有任意(需要的)产生相关的、具有任意(需要的)pdf的随机数的随机数l伪噪声(伪噪声(PN)序列的产生以及几种应用于随机数序列的)序列的产生以及几种应用于随机数序列的计算方法。计算方法。3第3页,本讲稿共45页平稳与遍历性过程平稳与遍历性过程l信号、噪声和干扰而产生的样本函数通常假设为各态历经信号、噪声和干扰而产生的样本函数通常假设为各态历经的
4、。的。l原因:依次处理系统中波形的时域样本,系统中的每个点上只有原因:依次处理系统中波形的时域样本,系统中的每个点上只有一个波形(样本函数)。一个波形(样本函数)。l假设仿真所处理的波形是其内在统计模型定义的总体假设仿真所处理的波形是其内在统计模型定义的总体(Emsemble)中的一个典型成员,这时各种统量如各阶矩、)中的一个典型成员,这时各种统量如各阶矩、信噪比和误比特率,就可以当作时间平均来计算。仿真计信噪比和误比特率,就可以当作时间平均来计算。仿真计算得到的时间平均等于总体均值。隐含的假设条件是对应算得到的时间平均等于总体均值。隐含的假设条件是对应的随机过程为遍历性的。的随机过程为遍历性
5、的。4第4页,本讲稿共45页l例例7-1 假设随机过程的样本函数表达式为假设随机过程的样本函数表达式为 是对应随机试验的样本空间中的一个输出,每一个映射为一个相是对应随机试验的样本空间中的一个输出,每一个映射为一个相位。位。再假定对应的随机试验就是从均匀随机数发生器输出端抽取一个数,抽取得到再假定对应的随机试验就是从均匀随机数发生器输出端抽取一个数,抽取得到的结果的结果 ,这里,这里ui 在(在(0,1)区间上均匀分布。然后映射成相位)区间上均匀分布。然后映射成相位 。当幅度。当幅度A和频率和频率f固定,固定,的值便决定了波形。的值便决定了波形。K-5第5页,本讲稿共45页lf=1;%freq
6、uency of sinusoidlfs=100;%sampling frequencylt=(0:200)/fs;%time vectorlfor i=1:20l x(:,i)=cos(2*pi*f*t+rand(1)*2*pi);l y(:,i)=cos(2*pi*f*t+rand(1)*pi/2);l z(:,i)=(1+rand(1)*cos(2*pi*f*t);lendlsubplot(3,1,1);plot(t,x,k);ylabel(x(t)lsubplot(3,1,2);plot(t,y,k);ylabel(y(t)lsubplot(3,1,3);plot(t,z,k);yla
7、bel(z(t)6第6页,本讲稿共45页7第7页,本讲稿共45页l由由x(t)、y(t)和和z(t)组成的所有样本函数的时间平均都等于零。组成的所有样本函数的时间平均都等于零。l大量满足大量满足0ti2的,计算出来的的总体均值近似的,计算出来的的总体均值近似0;lY(t)0.875 1.875 0.375 1.375 0.125 0.625 1.125 1.625 -周期平稳周期平稳lZ(t)8第8页,本讲稿共45页l例例7-2 在后面的工作中,我们经常要用到数字调在后面的工作中,我们经常要用到数字调制器的模型。这些调制器的基本构建模块是函数制器的模型。这些调制器的基本构建模块是函数rando
8、m-binary,它产生电平值为,它产生电平值为+1或或-1的二进制的二进制波形,产生的比特数以及每比特的采样数是该函波形,产生的比特数以及每比特的采样数是该函数的参数。数的参数。9第9页,本讲稿共45页lfunction x,bits=random_binary(nbits,nsamples)l%This function genrates a random binary waveform of length nbitsl%sampled at a rate of nsamples/bit.lx=zeros(1,nbits*nsamples);lbits=round(rand(1,nbits
9、);lfor m=1:nbitsl for n=1:nsamplesl index=(m-1)*nsamples+n;l x(1,index)=(-1)bits(m);l endlend10第10页,本讲稿共45页函数函数random-binary的应用的应用l函数函数random-binary可以仿真多个数字调制器,可以仿真多个数字调制器,例如,可用如下例如,可用如下MATLAB语句仿真一个语句仿真一个QPSK调调制器:制器:lx=random_binary(nbits,nsamples)+i*random_binary(nbits,nsaples);11第11页,本讲稿共45页产生一个长产
10、生一个长10比特的比特的QPSK信号,采样频信号,采样频率为每比特率为每比特8个采样点个采样点 lnbits=10;nsamples=8;lx=random_binary(nbits,nsamples)+i*random_binary(nbits,nsamples);lxd=real(x);xq=imag(x);lsubplot(2,1,1)lstem(xd,.);grid;axis(0 80-1.5 1.5);lxlabel(Sample Index);ylabel(xd)lsubplot(2,1,2)lstem(xq,.);grid;axis(0 80-1.5 1.5);lxlabel(S
11、ample Index);ylabel(xq)12第12页,本讲稿共45页13第13页,本讲稿共45页均匀随机数发生器均匀随机数发生器l具有均匀概率密度函数的随机变量很容易转换成具有均匀概率密度函数的随机变量很容易转换成具有其他所需具有其他所需pdf的随机变量,因此,要产生一的随机变量,因此,要产生一个具有特定个具有特定pdf的随机变量,首先产生一个在(的随机变量,首先产生一个在(0,1)区间均匀分布的随机变量。通常,先产生)区间均匀分布的随机变量。通常,先产生一个列介于一个列介于0和和M之间的数(整数),然后将序之间的数(整数),然后将序列中每个元素除以列中每个元素除以M。实现随机数发生器最
12、常用。实现随机数发生器最常用的方法是线性同余。(的方法是线性同余。(linear congruence)。)。14第14页,本讲稿共45页线性同余线性同余l线性同余发生器定义为如下运算线性同余发生器定义为如下运算la和和c分别称作乘子和增量,分别称作乘子和增量,m叫做模数。叫做模数。l这是一个确定性的序列算法,能依次产生连续的值。这是一个确定性的序列算法,能依次产生连续的值。l初始值记为初始值记为x0,称作线性同余发生器的种子数(,称作线性同余发生器的种子数(seed nuber)l如果如果a、c、m和都是整数,则和都是整数,则LCG产生的所有数也都是整数。由于对进行运算,产生的所有数也都是整
13、数。由于对进行运算,式(式(7-3)至多可产生)至多可产生m个不同的整数。发生器输出的一个理想特征是它应具备很个不同的整数。发生器输出的一个理想特征是它应具备很长的周期,从而在序列重复前,输出序列能产生最多数目的整数。长的周期,从而在序列重复前,输出序列能产生最多数目的整数。l对于给定值,当周期最大时,我们称发生器是全周期(对于给定值,当周期最大时,我们称发生器是全周期(full period)的。)的。l此外,具体仿真程序的应用对此外,具体仿真程序的应用对LCG会提出其他的要求,会提出其他的要求,l我们通常要求样本和互不相关。我们通常要求样本和互不相关。l可能还要求可能还要求LCG的输出能通
14、过其他统计测试。的输出能通过其他统计测试。lLCG可以采用多种不同的形式可以采用多种不同的形式15第15页,本讲稿共45页方法方法A:混合同余算法:混合同余算法l最通用的同余算法就是最通用的同余算法就是c0的的“混合混合”同余算法。之所以称之同余算法。之所以称之为混合算法,是因为在求解的过程中要同时用到乘法与加法。为混合算法,是因为在求解的过程中要同时用到乘法与加法。混合线性算法具有式(混合线性算法具有式(7-4)的形式)的形式c 0时,发生器的最大周期为时,发生器的最大周期为m。当且仅当满足以下特性时才能达到这个。当且仅当满足以下特性时才能达到这个周期:周期:*增量增量c与与m互质。换句话说
15、,与没有素公因子(互质。换句话说,与没有素公因子(prime factor)。)。*a-1是是p的倍数,则的倍数,则p是是m的任一素因子。的任一素因子。*如果如果m是是4的倍数,则的倍数,则a1是是4的倍数。的倍数。(7-4)16第16页,本讲稿共45页例例7-3l我们要设计一个周期我们要设计一个周期m5000的混合同余发生器。的混合同余发生器。因为因为l令令c等于除等于除2和和5之外的素数的乘积,可保证之外的素数的乘积,可保证c和和m互质,这满足了第一条特性。其中可能的一个设互质,这满足了第一条特性。其中可能的一个设定是:定是:现在必须选定现在必须选定a的值。若满足的值。若满足则满足第二特性
16、,则满足第二特性,p1=2,p2=5,k1,k2任意任意17第17页,本讲稿共45页contl因为因为4是是m=5000的因数,设定的因数,设定其中其中k是整数。当是整数。当 ,则,则 ,于是,于是可以满足第三特性可以满足第三特性18第18页,本讲稿共45页例例7-4l这个例子将说明前一例子中设计的这个例子将说明前一例子中设计的LCG确实具有确实具有周期。在以下周期。在以下MATLAB程序中,输入种子数,程序中,输入种子数,并运行程序直到种子数再次出现。设产生并运行程序直到种子数再次出现。设产生n个整个整数,如果数,如果nm而种子数没有再次出现,则认为发而种子数没有再次出现,则认为发生器进入了
17、一个重复产生短序列的循环中。生器进入了一个重复产生短序列的循环中。MATLAB程序如下:程序如下:19第19页,本讲稿共45页la=input(Enter multiplier a );lc=input(Enter offset c );lm=input(Enter modulus m );lseed=input(Enter seed );ln=1;ix=rem(seed*a+c),m);lwhile (ix=seed)&(nml disp(Caught in a loop.)lelsel text=The period is,num2str(n,15),.;l disp(text)lend2
18、0第20页,本讲稿共45页21第21页,本讲稿共45页方法方法B:具有素模数的乘性算法:具有素模数的乘性算法l乘性发生器的定义式为乘性发生器的定义式为l它是增量等于零的混合算法。注意,它是增量等于零的混合算法。注意,c=0时,时,xi不能为零,因此,全周期不能为零,因此,全周期是而不是前面那种情况下的。若满足以下特性,乘性算法能产生全周期序列;是而不是前面那种情况下的。若满足以下特性,乘性算法能产生全周期序列;l*m是素数(通常要求是素数(通常要求m取较大值)取较大值)l*m为的为的mod(m)本原元素本原元素l如果除如果除i=m-1了外没有更小的了外没有更小的i值,使值,使ai-1是是m的倍
19、数,则的倍数,则a为的为的mod(m)本原元素。换本原元素。换句话说,句话说,a为为mod(m)的本原元素,如果满足的本原元素,如果满足22第22页,本讲稿共45页方法方法C:具有非素模数的乘性算法:具有非素模数的乘性算法l模数不是素数的同余算法中最重要的情况是模数不是素数的同余算法中最重要的情况是m等等于于2的幂,即的幂,即 l这里这里n为整数。对式(为整数。对式(7-16)定义的算法,最大周期)定义的算法,最大周期为为2n/4=2n-2。如果满足以下条件,可取得这个周期:。如果满足以下条件,可取得这个周期:l*乘子乘子 结果为结果为3或或5l*种子数种子数x0是奇数是奇数(7-16)23第
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- 通信 系统 计算机 模拟 第九
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