通信系统的计算机模拟第一讲.ppt

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1、1通信系统的计算机模拟通信系统的计算机模拟田斌田斌西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室2引论引论l模拟（仿真）？模拟（仿真）？Simulation/emulationl仿真的基本思想是利用物理的或数学的仿真的基本思想是利用物理的或数学的 模型来类比模仿现实过程，以寻求对真模型来类比模仿现实过程，以寻求对真 实过程的认识。它所遵循的基本原则是实过程的认识。它所遵循的基本原则是 相似性原理。相似性原理。Representation of the operation or features of one process or system through

2、the use of anotherComputer Science To imitate the function of(another system),as by modifications to hardware or software that allow the imitating system to accept the same data,execute the same programs,and achieve the same results as the imitated system.模拟：上层的、软件的模拟：上层的、软件的仿真：底层的、硬件的仿真：底层的、硬件的3 以通

3、信系统理论、随机过程与统计学理论和优以通信系统理论、随机过程与统计学理论和优化理论为基础，以计算机和仿真软件为工具，化理论为基础，以计算机和仿真软件为工具，对现实通信系统或未来通信系统进行实验研究对现实通信系统或未来通信系统进行实验研究的理论和方法。的理论和方法。l系统仿真由三个要素构成：系统仿真由三个要素构成：系统、模型和实验系统、模型和实验l系统是问题的本源；系统是问题的本源；l实验是解决问题达到目的的手段；实验是解决问题达到目的的手段；l系统模型是连接系统和实验之间的桥梁。系统模型是连接系统和实验之间的桥梁。计算机仿真通信系统仿真（模拟）基本概念通信系统仿真（模拟）基本概念4计算机仿真三

4、个活动：计算机仿真三个活动：系统建模、仿真建模、仿真实验：系统建模、仿真建模、仿真实验：5应用系统仿真的情况应用系统仿真的情况 “最后的方法最后的方法”1 1不存在完整的数学公式，或者还没有一套解答数不存在完整的数学公式，或者还没有一套解答数学模型公式的方法。学模型公式的方法。2 2需要对系统或过程进行长期运行的比较。需要对系统或过程进行长期运行的比较。3 3系统还处于设计阶段，并没有真正建立起来，进系统还处于设计阶段，并没有真正建立起来，进行多个方案的比较择优行多个方案的比较择优4 4在真实系统上做实验会破坏系统的运行。在真实系统上做实验会破坏系统的运行。5 5需做多次试验时，很难保证每次的

5、操作条件都相需做多次试验时，很难保证每次的操作条件都相同，因而无法对试验结果做出正确的判断。同，因而无法对试验结果做出正确的判断。6 6试验费用太大或有危险性。试验费用太大或有危险性。6通信系统计算机仿真通信系统计算机仿真1l现代通信系统的复杂性现代通信系统的复杂性l通信系统的结构、系统运行时所处的环境通信系统的结构、系统运行时所处的环境l系统特性：功率和带宽有限系统特性：功率和带宽有限l系统要求：高速数据系统要求：高速数据 l互相矛盾互相矛盾 复杂的调制和脉冲成形技术，差错控制、复杂的调制和脉冲成形技术，差错控制、接收端的高级信号处理技术。接收端的高级信号处理技术。l高速数据高速数据同步要求

6、变得更严格，接收机也更复杂同步要求变得更严格，接收机也更复杂 l更恶劣的环境中，多跳非线性放大器更恶劣的环境中，多跳非线性放大器l干扰干扰l多径和阴影多径和阴影衰落。衰落。l不能够解析处理不能够解析处理7通信系统计算机仿真通信系统计算机仿真2l计算机不仅功能强大，而且价格便宜计算机不仅功能强大，而且价格便宜l 计算机方法的发展计算机方法的发展 l另一个动机：深入理解系统特性的有价值的工具。另一个动机：深入理解系统特性的有价值的工具。l好的仿真跟在实验室实现一个系统很类似，多点测量，参数研究，好的仿真跟在实验室实现一个系统很类似，多点测量，参数研究，可以任意改动滤波器带宽和信噪比（可以任意改动滤

7、波器带宽和信噪比（SNR）等参数，而且还能很）等参数，而且还能很快地观测到这些改变对系统性能的影响。快地观测到这些改变对系统性能的影响。l时域波形、信号谱图、眼图、信号星座图、直方图。仿真能更容时域波形、信号谱图、眼图、信号星座图、直方图。仿真能更容易也更经济地对各种假设情况进行研究，仿真的主要作用不在于易也更经济地对各种假设情况进行研究，仿真的主要作用不在于获得数值而在于获得深入的理解。获得数值而在于获得深入的理解。8这门课程这门课程l前面的原因：仿真的好处与重要性前面的原因：仿真的好处与重要性l已经学习过通信原理、无线通信、已经学习过通信原理、无线通信、matlab，还有必要吗？，还有必要

8、吗？l仿真的可信度？仿真的可信度？l仿真的基本概念仿真的基本概念l假舆马者假舆马者 非利足也非利足也 而致千里而致千里 假舟楫者假舟楫者 非能水也非能水也 而绝江河而绝江河 君子生非异也君子生非异也 善假于物善假于物也也?l庄子庄子l进入科研研究的需要进入科研研究的需要l选题、仿真、硬件等选题、仿真、硬件等l定位定位 物理层和通信信号处理物理层和通信信号处理9 复杂性示例复杂性示例易于解析处理的系统易于解析处理的系统l数据源产生一个符号序列数据源产生一个符号序列dk l离散的二进制通信系统离散的二进制通信系统l数据源是无记忆的，离散数据源是无记忆的，离散无记忆源无记忆源l调制器的作用是将源符号

9、调制器的作用是将源符号变换成波形变换成波形l发射机对调制器的输出进发射机对调制器的输出进行放大行放大10 复杂性示例复杂性示例易于解析处理的系统易于解析处理的系统l信道是系统中需要进行精确信道是系统中需要进行精确建模的最复杂的部分建模的最复杂的部分l（AWGN）信道。）信道。l最佳接收机最佳接收机 匹配滤波器匹配滤波器l输出采样判决输出采样判决l 易于解析处理的易于解析处理的11 复杂性示例复杂性示例易于解析处理的系统易于解析处理的系统l表表示示一一个个符符号号周周期期内内的的平平均均能能量量，跟跟波波形形集集合合相相关关联联，为为加加性性信信道道噪噪声声的的单单边边功功率率谱密度谱密度K:参

10、参数数取取决决于于波波形形的的相相关关程程度度。FSK,K=1PSK相相差差为为 弧弧度度，使使得得信信号号为为逆相关，逆相关，k=212 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？lAWGN信道接收机是线性的，通过分析，我们可以计算出信道接收机是线性的，通过分析，我们可以计算出作为接收端滤波器参数函数的误比特率（作为接收端滤波器参数函数的误比特率（BER），并可求），并可求出对应于最小出对应于最小BER的滤波器参数值。的滤波器参数值。l数据源为无记忆的，理想的符号同步。数据源为无记忆的，理想的符号同步。l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

11、用呢？l很可能是一个更复杂的系统的基本构成模块。很可能是一个更复杂的系统的基本构成模块。l易于解析处理的系统，可以开发出仿真代码，这种系统能易于解析处理的系统，可以开发出仿真代码，这种系统能直接进行分析，开发出的仿真能很容易得到验证。可以根直接进行分析，开发出的仿真能很容易得到验证。可以根据待研究系统的建模需求，数据源、调制器、信道或接收据待研究系统的建模需求，数据源、调制器、信道或接收机进行修改，起点是正确无误的。机进行修改，起点是正确无误的。13 需繁琐解析处理的系统需繁琐解析处理的系统l非线性放大器非线性放大器l谐波与交调失谐波与交调失真，真，频谱拓展频谱拓展l带通滤波器，带通滤波器，中

12、心频率等于所中心频率等于所期望的载波频率，期望的载波频率，作用就是减少非作用就是减少非线性带来的谐波线性带来的谐波与互调失真。与互调失真。14问题问题l调调制制器器与与HPA后后面面的的滤滤波波器器导导致致数数据据信信号号时时间间扩散扩散l从从而而在在时时间间上上滤滤波波后后的的信信号号不不再再局局限限在在符符号号周周期内，将引起符号间干扰（期内，将引起符号间干扰（ISI）。）。l在在解解调调第第个个符符号号时时必必须须考考虑虑的的前前续续符符号号的的数数目目，取取决决于于滤滤波波器器输输出出信信号号的的记记忆忆。第第个个符符号号的的差差错概率取决于前个符号错概率取决于前个符号15问题问题l二

13、进制的情况，二进制的情况，2K个长度为个长度为k的不同序列的不同序列lAWGN信道，这个差错概率都是信道，这个差错概率都是Q函数，可以函数，可以直接计算每一个直接计算每一个Q函数的值，但是计算过程很函数的值，但是计算过程很繁琐，因而经常会用到仿真的方法。繁琐，因而经常会用到仿真的方法。l噪声注入点到统计量采集点之间的系统是线性噪声注入点到统计量采集点之间的系统是线性的的16半解析方法半解析方法l均值，无噪声仿真确定均值，无噪声仿真确定l方差：解析确定方差：解析确定17难以解析处理的系统难以解析处理的系统l两两（单单）跳跳卫卫星星通通信信系系统统 l卫卫星星转转发发器器建建模模非非线线性性大大功

14、功率率放放大大器器（HPA），滤滤波波器器滤滤掉掉非非线线性性造造成成的的带带外外谐谐波波失失真真卫卫星星信信道模型道模型l上上行行链链路路和和下下行行链链路路噪噪声声 18why难以解析处理？难以解析处理？l即即使使假假设设上上行行链链路路和和下下行行链链路路噪噪声声都都是是高高斯斯过程，接收端的噪声还是很难确定过程，接收端的噪声还是很难确定l下行链路噪声只通过系统的线性部分下行链路噪声只通过系统的线性部分l上行链路噪声通过了系统的非线性部分上行链路噪声通过了系统的非线性部分l判判决决统统计计量量的的概概率率密密度度函函数数还还是是很很难难确确定定，没没有有判判决决统统计计量量的的概概率率密

15、密度度函函数数的的精精确确知知识识，差差错错概概率率就就无无法法求求出出，仿仿真真是是一一个个必必备备的的基基本工具。本工具。19仿真的多学科特点仿真的多学科特点l仿真问题理论框架仿真问题理论框架l线性系统理论确定线线性系统理论确定线性系统输入输出关系性系统输入输出关系的方法，时域（系统的方法，时域（系统冲激响应）和频域冲激响应）和频域（系统传递函数）表（系统传递函数）表示系统模型。示系统模型。20仿真的多学科特点仿真的多学科特点通信原理理解系统结构、通信原理理解系统结构、仿真可以用来确定合仿真可以用来确定合适的系统参数值就必适的系统参数值就必须了解参数值的实际须了解参数值的实际范围，正常运行

16、和结范围，正常运行和结果的合理性，深入理果的合理性，深入理解适当的系统特性也解适当的系统特性也很有必要。很有必要。21仿真的多学科特点仿真的多学科特点l数字信号处理连续时数字信号处理连续时间系统元器件（如滤间系统元器件（如滤波器）的离散时间近波器）的离散时间近似组成。似组成。l数值分析数值分析22仿真的多学科特点仿真的多学科特点l数值分析和数值分析和DSP密切相关，数值积分，曲线拟和密切相关，数值积分，曲线拟和l概率通信系统的性能指标通常以概率形式表示。概率通信系统的性能指标通常以概率形式表示。l随机过程理论随机过程理论l数论开发随机数发生器的工具。数论开发随机数发生器的工具。l计算机科学表示

17、信号采样值的字长和字格式会影计算机科学表示信号采样值的字长和字格式会影响仿真精度。响仿真精度。23仿真的多学科特点仿真的多学科特点l估计理论的工具和概念仿真结果的有效性进行评估计理论的工具和概念仿真结果的有效性进行评估。估。l重复仿真得出的数值每次都会不同，无偏估计器重复仿真得出的数值每次都会不同，无偏估计器是指估计均值等于欲测数量的那种估计器，一致是指估计均值等于欲测数量的那种估计器，一致估计是指估计的方差随着仿真时间增加而减小的估计是指估计的方差随着仿真时间增加而减小的那种估计。那种估计。24模型模型 l建立仿真模型建立仿真模型l要点：模型要足够详细、要建模的要点：模型要足够详细、要建模的

18、系统的基本特征不能过于复杂。系统的基本特征不能过于复杂。l考虑解析模型和仿真模型这两种不考虑解析模型和仿真模型这两种不同类型的模型是有益的。建模的首同类型的模型是有益的。建模的首要和最重要的步骤是确定模型要描要和最重要的步骤是确定模型要描述的物理元器件的特征和工作特性，述的物理元器件的特征和工作特性，解析模型以方程或方程组的形式给解析模型以方程或方程组的形式给出。出。l从物理元器件到解析模型，最后再从物理元器件到解析模型，最后再到仿真模型，抽象程度依次增加。到仿真模型，抽象程度依次增加。25模型模型 l不同抽象程度的模型，不同抽象程度的模型，l考虑信道模型，我们将看到信道可以用波形级方法来建模

19、，考虑信道模型，我们将看到信道可以用波形级方法来建模，模型对波形采样值进行处理。模型对波形采样值进行处理。l基于符号而非波形采样值的离散马尔可夫过程，马尔可夫信基于符号而非波形采样值的离散马尔可夫过程，马尔可夫信道模型通常还将调制器、发射机和接收机也纳入信道中。道模型通常还将调制器、发射机和接收机也纳入信道中。26确定性与随机性仿真确定性与随机性仿真l确定性：固定电路的仿真确定性：固定电路的仿真l随机性随机性：数字通信系统，其接收信号由发送信号和随机噪声叠加而成。：数字通信系统，其接收信号由发送信号和随机噪声叠加而成。l BPSK AWGNl一个数而不是随机变量，接收机输入端出现了随机量（噪声

20、）。一个数而不是随机变量，接收机输入端出现了随机量（噪声）。l分析和确定性仿真都会给出一个数值结果，这一点是很重要的。分析和确定性仿真都会给出一个数值结果，这一点是很重要的。每次作分析，都会得到同一个数。而每次进行确定性仿真，也会每次作分析，都会得到同一个数。而每次进行确定性仿真，也会获得相同的结果。而且这些随机变量的统计特性对确定仿真结果获得相同的结果。而且这些随机变量的统计特性对确定仿真结果的质量非常重要。的质量非常重要。27一个确定性仿真的实例一个确定性仿真的实例 l完全确定性仿真是深入理解通信系统工作特性的完全确定性仿真是深入理解通信系统工作特性的重要工具重要工具 由于鉴相器的非线性特

21、性，在捕获由于鉴相器的非线性特性，在捕获模式下对锁相环作分析很复杂。模式下对锁相环作分析很复杂。在给定各种环路参数和输入信号指在给定各种环路参数和输入信号指标的前提下，捕获信号所需时间是标的前提下，捕获信号所需时间是锁相环的一个重要性能参数。解析锁相环的一个重要性能参数。解析求解这个问题需要解非线性方程。求解这个问题需要解非线性方程。因此，我们转而考虑仿真方法。因此，我们转而考虑仿真方法。28一个确定性仿真的实例一个确定性仿真的实例 l完全确定性仿真是深入理解通信系统工作特性的完全确定性仿真是深入理解通信系统工作特性的重要工具重要工具 5Hz 阻尼因子阻尼因子 0.70729一个随机性仿真的实

22、例一个随机性仿真的实例 lGoal：BER 蒙特卡罗方法蒙特卡罗方法 输入大量符号输入大量符号 计算输出的错误符号计算输出的错误符号l误比特率误比特率l比比特特差差错错概概率率，误误码码率率是是误码概率的一个估计误码概率的一个估计3031仿真（模拟）的作用仿真（模拟）的作用l通信系统设计的各个阶段通信系统设计的各个阶段l主要用在性能评估和设计权衡研究（参数优化）；主要用在性能评估和设计权衡研究（参数优化）；l测试过程和基准的设定、生命终结预测、现场系统布置测试过程和基准的设定、生命终结预测、现场系统布置后出现异常状况的调查。后出现异常状况的调查。l系统设计系统设计“自顶至底自顶至底”l硬件实现

23、通常是硬件实现通常是“自底至顶自底至顶”进行。进行。32一、链路预算与系统级标校过程一、链路预算与系统级标校过程 l设计需求：吞吐率、差错率、中断概率以及对带设计需求：吞吐率、差错率、中断概率以及对带宽、功率、重量、复杂度宽、功率、重量、复杂度/成本、系统预期工作成本、系统预期工作的信道和系统生命周期等的约束。的信道和系统生命周期等的约束。l基本概念：调制方式、编码与均衡技术（如果有基本概念：调制方式、编码与均衡技术（如果有必要）必要）l确定指标：确定指标：A级指标的参数值，比如功率级、带级指标的参数值，比如功率级、带宽和调制指数。宽和调制指数。33一、链路预算与系统级标校过程一、链路预算与系

24、统级标校过程 l目标是确定系统拓扑结构和参数值，以便同时满目标是确定系统拓扑结构和参数值，以便同时满足性能目标和设计约束。足性能目标和设计约束。l系统性能是信噪比（系统性能是信噪比（SNR或等价地或等价地Eb/N0）和通）和通信链路中所有元件引入的总失真的函数。信链路中所有元件引入的总失真的函数。l链路预算的过程来确定，链路预算主要是功率计链路预算的过程来确定，链路预算主要是功率计算，要考虑发送功率、天线增益、路径损耗、功算，要考虑发送功率、天线增益、路径损耗、功率增益以及放大器和滤波器的噪声率增益以及放大器和滤波器的噪声S/N或范围。或范围。34预算过程预算过程l因为无法制造理想元件，放大器

25、和滤波器等元器因为无法制造理想元件，放大器和滤波器等元器件的实际实现会产生非理想特性，引起信号失真，件的实际实现会产生非理想特性，引起信号失真，首先以理想元件计算系统性能，然后包括一项首先以理想元件计算系统性能，然后包括一项“实现损耗实现损耗”l有时实现损耗也叫通信或失真参数，比如滤波器有时实现损耗也叫通信或失真参数，比如滤波器带宽，可能影响系统中多处噪声的功率，这又反带宽，可能影响系统中多处噪声的功率，这又反过来会影响链路预算。过来会影响链路预算。35预算过程预算过程l封闭的、平衡的？封闭的、平衡的？l系统性能指标，模拟系统均方误差作数字系统的典型性系统性能指标，模拟系统均方误差作数字系统的

26、典型性能指标是误码率，理想系统的公式计算误比特率等指标。能指标是误码率，理想系统的公式计算误比特率等指标。l链路预算不封闭或不平衡，就是修改链路预算不封闭或不平衡，就是修改A级指标，实现损级指标，实现损耗甚至系统结构，并重作链路预算。耗甚至系统结构，并重作链路预算。l通过详细的仿真，可以精确估计性能指标和验证非理想通过详细的仿真，可以精确估计性能指标和验证非理想实现造成的性能降级，如果链路预算通过仿真验证还是实现造成的性能降级，如果链路预算通过仿真验证还是封闭的，就可以进入设计过程的下一阶段封闭的，就可以进入设计过程的下一阶段36二、关键元件的实现与测试二、关键元件的实现与测试l新信号处理算法

27、和新硬件，仅造出了几个关键元新信号处理算法和新硬件，仅造出了几个关键元件，要测试整个系统的硬件是不可能的。件，要测试整个系统的硬件是不可能的。l仿真将特的元件的测量特性代入该元件的仿真模仿真将特的元件的测量特性代入该元件的仿真模型型lAM到到AM和和AM到到PM的传输特性。的传输特性。37三、完成硬件原型与验证仿真模型三、完成硬件原型与验证仿真模型 l整个系统的硬件原型以及与之对应的仿真模型整个系统的硬件原型以及与之对应的仿真模型l仿真模型包括仿真中大部分元件的测量特征仿真模型包括仿真中大部分元件的测量特征l硬件原型上测出整个系统的许多性能指标，硬件原型上测出整个系统的许多性能指标，还要还要进

28、行并行仿真进行并行仿真l完整原型一个经验证的仿真模型预测生命终结。完整原型一个经验证的仿真模型预测生命终结。38四、生命周期测试四、生命周期测试 l通信卫星、海底电缆通信卫星、海底电缆l生命周期测试（生命周期测试（Beginning of Life,BOL）将元件老化模型代入验证过的）将元件老化模型代入验证过的BOL模型，就得到系统模型，就得到系统BOL性能指标。性能指标。3940仿真方法仿真方法l时间驱动（单速度、多速率或可变速率采样）：该增量时间驱动（单速度、多速率或可变速率采样）：该增量等于采样频率的倒数，每个模型能根据新仿真时钟的值等于采样频率的倒数，每个模型能根据新仿真时钟的值来更新

29、模型状态来更新模型状态“do循环循环”“for循环循环”。l事件驱动：事件驱动的仿真可把时钟往前拨任意时间长事件驱动：事件驱动的仿真可把时钟往前拨任意时间长度，到为下一个关心的事件所安排的时间，系统中每个度，到为下一个关心的事件所安排的时间，系统中每个功能模块根据新仿真时间的值更新模型状态。需要内插功能模块根据新仿真时间的值更新模型状态。需要内插和重采样，并带来一些跟时间安排相关的额外开销。和重采样，并带来一些跟时间安排相关的额外开销。l混合驱动。对通信系统仿真而言，最常用的还是带单速混合驱动。对通信系统仿真而言，最常用的还是带单速率或多速率采样的时间驱动仿真。如果信号带宽具有很率或多速率采样的时间驱动仿真。如果信号带宽具有很宽的可变范围，这种系统的仿真就要用多速率采样。宽的可变范围，这种系统的仿真就要用多速率采样。