通信系统的计算机模拟第二讲精.ppt
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1、通信系通信系统的的计算机算机模模拟第二第二讲1第1页,本讲稿共47页上一讲回顾上一讲回顾l作业要求作业要求l仿真的概念仿真的概念l为什么要仿真为什么要仿真l通信系统仿真示例通信系统仿真示例l仿真的模型和分类仿真的模型和分类l仿真的作用仿真的作用l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二、关键元件的实现与测试二、关键元件的实现与测试2第2页,本讲稿共47页一、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
2、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。3第3页,本讲稿共47页二、关键元件的实现与测试二、关键元件的实现与测试仿真将关键的元件的测量特性代入该元件的仿真模仿真将关键的元件的测量特性代入该元件的仿真模型型4第4页,本讲稿共47页三、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
3、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。5第5页,本讲稿共47页四、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。6第6页,本讲稿共47页7第7页,本讲稿共47页仿真方法仿真方法l时间驱动(单速度、多速率或可变速率采样):该增量
4、等于采时间驱动(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来更新模型状样频率的倒数,每个模型能根据新仿真时钟的值来更新模型状态态“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度,到事件驱动: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,系统中每个功能模块根据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。需要内插和重采样,并带来一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。些跟时间安排相关的额外开销。l混合驱动
5、。对通信系统仿真而言,最常用的还是带单速率或混合驱动。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宽的可变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。范围,这种系统的仿真就要用多速率采样。8第8页,本讲稿共47页软件软件 SYSTEM VIEW MATLAB SIMULINK C,C+其他领域其他领域:Flexsim9第9页,本讲稿共47页课程报告课程报告(续续)-建议题目(不限于)建议题目(不限于)l 信道均衡技术仿真;信道均衡技术仿真;l 多载波调制与多载波调制与OFDM.仿真仿真l 无线接入技术仿真无
6、线接入技术仿真 l 多用户无线信道仿真多用户无线信道仿真.l 多业务通信系统仿真多业务通信系统仿真.l WCDMA、TDS-CDMA、CDMA2000或者或者Wimax仿真仿真.l 自适应调制仿真自适应调制仿真.l MIMO 系统仿真系统仿真l 扩频系统仿真扩频系统仿真10第10页,本讲稿共47页contl 智能天线仿真智能天线仿真l 空时处理仿真空时处理仿真l 资源分配管理仿真资源分配管理仿真l 通信干扰抑制仿真通信干扰抑制仿真l 多用户检测仿真多用户检测仿真l 协作通信仿真协作通信仿真l 软件无线电或者认知无线电仿真软件无线电或者认知无线电仿真l 卫星通信仿真卫星通信仿真l GPS仿真仿真
7、l GSM部分仿真部分仿真l UWB仿真仿真l 深空通信仿真深空通信仿真 11第11页,本讲稿共47页第二章第二章 仿真方法论仿真方法论l2.1 概述概述性能评估性能评估-art定量建模与估计定量建模与估计 science(科学科学-技术技术-工程工程-技艺)技艺)l步骤:步骤:l将给定问题映射为仿真模型。将给定问题映射为仿真模型。l把整个问题分解为一组小一些的问题。把整个问题分解为一组小一些的问题。l选择一套合适的建模、仿真和估计方法,并将其用于解决这些子选择一套合适的建模、仿真和估计方法,并将其用于解决这些子问题。问题。l综合各子问题的解决结果以提供对整个问题的解决方案。综合各子问题的解决
8、结果以提供对整个问题的解决方案。12第12页,本讲稿共47页基本手段基本手段l为解决小一些的子问题(上面第三点)所用到的具体方法是为解决小一些的子问题(上面第三点)所用到的具体方法是定义明确的、严格的,并且在本质上是算法可实现或可量化定义明确的、严格的,并且在本质上是算法可实现或可量化的。的。l有限冲激响应线性滤波器,仿真方法就是定义明确的卷积和有限冲激响应线性滤波器,仿真方法就是定义明确的卷积和l通信系统的基本目的是处理波形和符号通信系统的基本目的是处理波形和符号l通过产生和处理这些波形的采样值通过产生和处理这些波形的采样值l通信系统仿真试图模拟这个过程,建立通信系统中不同功能通信系统仿真试
9、图模拟这个过程,建立通信系统中不同功能“模块模块”所实现的信号处理运算的模型,以及产生通信系统所实现的信号处理运算的模型,以及产生通信系统不同工作点所需的输入波形。不同工作点所需的输入波形。l分析波形以优化设计参数或获得性能指标分析波形以优化设计参数或获得性能指标13第13页,本讲稿共47页问题示例问题示例l移动通信系统移动通信系统l时变时变l衰落衰落l中断中断l通信系统波形级仿真的整体方法通信系统波形级仿真的整体方法14第14页,本讲稿共47页Step1l系统方框图的描述开始系统方框图的描述开始l每每一一功功能能模模块块的的合合适适的的仿仿真真模模型型,并并通通过过互互联联这这组所选模块(即
10、它们的模型)来产生方框图。组所选模块(即它们的模型)来产生方框图。l在在执执行行仿仿真真前前,我我们们为为每每一一模模块块的的参参数数(如如滤滤波波器器的的带带宽宽)指指定定具具体体值值或或取取值值范范围围尽尽可可能能对对方方框框图进行简化和划分。图进行简化和划分。l方方法法论论中中最最难难的的步步骤骤之之一一是是将将设设计计和和/或或性性能能估估计计问问题题映映射射为为仿仿真真模模型型,实实现现的的好好坏坏决决定定了了运运行行仿真所需的机时和仿真结果的精度。仿真所需的机时和仿真结果的精度。15第15页,本讲稿共47页Step2l产生所有输入波形或激励信号的采样值,来驱动产生所有输入波形或激励
11、信号的采样值,来驱动仿真模型。仿真模型。l随机过程的采样值是用随机数发生器产生的随机过程的采样值是用随机数发生器产生的l仿真期间,随机数发生器的输出被用作合适的模仿真期间,随机数发生器的输出被用作合适的模块的输入,以块的输入,以“驱动驱动”仿真模型,并在各种功能仿真模型,并在各种功能模块的输出端产生采样值。模块的输出端产生采样值。16第16页,本讲稿共47页Step 3l用分析近似和界限或测量结果来验证仿真结用分析近似和界限或测量结果来验证仿真结果果l为了检验所用的模型和方法并确立仿真结果为了检验所用的模型和方法并确立仿真结果的可信性的可信性,用一些测量结果来进行验证还是必用一些测量结果来进行
12、验证还是必需的。需的。17第17页,本讲稿共47页方法论方法论l由于实际的通信系统通常太过复杂,无法由于实际的通信系统通常太过复杂,无法对其整体进行准确的建模和仿真对其整体进行准确的建模和仿真l有多种方法可用来降低整个仿真问题的复有多种方法可用来降低整个仿真问题的复杂度,使其占用的计算资源、所需的时间杂度,使其占用的计算资源、所需的时间以及期望的精度都保持在一定范围之内以及期望的精度都保持在一定范围之内l方法论。方法论。18第18页,本讲稿共47页方法论方法论l将问题映射到仿真模型将问题映射到仿真模型 l以移动通信系统中的两个问题为例以移动通信系统中的两个问题为例l均衡器设计:决定抽头数,抽头
13、间隔,和用于接收机均衡器设计:决定抽头数,抽头间隔,和用于接收机均衡器中进行算术运算所需的比特数。均衡器中进行算术运算所需的比特数。l系统性能评估:决定维持可接受性能级别所需的系统性能评估:决定维持可接受性能级别所需的l第一个问题:详细设计第一个问题:详细设计l第二个问题:性能评估第二个问题:性能评估l不同不同:建立系统哪一部分的模型、包含哪些细节、建立系统哪一部分的模型、包含哪些细节、用什么建模方法、仿真方法、估计方法用什么建模方法、仿真方法、估计方法19第19页,本讲稿共47页方法论方法论l系统要仿真部分的系统要仿真部分的详细详细方框图方框图l最终的仿真模型可通过简化初始方框图而产生最终的
14、仿真模型可通过简化初始方框图而产生 l递阶表示递阶表示l划分与条件化划分与条件化l简化(近似,假设和各种简化)简化(近似,假设和各种简化)20第20页,本讲稿共47页递阶表示递阶表示l递阶是在建模、软件设计和其他应用中降低复杂递阶是在建模、软件设计和其他应用中降低复杂度的常用方法,开始于一个度的常用方法,开始于一个“系统系统”级模型并向级模型并向下发展其他不同层,子系统层,元件层,物理下发展其他不同层,子系统层,元件层,物理(门级或电路)层(门级或电路)层l递阶中越底层的构建模块包含越多的细节,而越递阶中越底层的构建模块包含越多的细节,而越高层的模块则越抽象并负责模块的整体功能,直高层的模块则
15、越抽象并负责模块的整体功能,直到更进一步有意义的分解变得不可能或没必要时到更进一步有意义的分解变得不可能或没必要时21第21页,本讲稿共47页例例22第22页,本讲稿共47页23第23页,本讲稿共47页选择抽象程度选择抽象程度l与仿真的目的一致的情况下,人们应该用尽可能与仿真的目的一致的情况下,人们应该用尽可能高的抽象程度来进行仿真高的抽象程度来进行仿真l降低复杂度和所需的仿真时间,越高级模型将具降低复杂度和所需的仿真时间,越高级模型将具有越少的参数且越易于验证,越少的参数意味着有越少的参数且越易于验证,越少的参数意味着模型能用越少的指标来刻画模型能用越少的指标来刻画l巴特沃思滤波器的电路级模
16、型包含巴特沃思滤波器的电路级模型包含12个或更多的个或更多的元件值元件值l相同的巴特沃思滤波器的高层传递函数只有相同的巴特沃思滤波器的高层传递函数只有2个个参数:滤波器阶数和滤波器带宽参数:滤波器阶数和滤波器带宽24第24页,本讲稿共47页抽象表达抽象表达l在系统级,仿真以最高抽象程度完成,使用诸如传递函数的在系统级,仿真以最高抽象程度完成,使用诸如传递函数的“特性特性”模型而模型而不是物理的模型。不是物理的模型。l一个数字滤波器可以在比特级仿真,一个模拟滤波器可以在电路级仿真,较一个数字滤波器可以在比特级仿真,一个模拟滤波器可以在电路级仿真,较高级模型都是传递函数形式的,可由比特级或电路级仿
17、真导出。高级模型都是传递函数形式的,可由比特级或电路级仿真导出。l在设计周期的前期,滤波器传递函数已被假设或在设计周期的前期,滤波器传递函数已被假设或“指定指定”,l而传递函数的实际特性将在滤波器设计和仿真后得到。而传递函数的实际特性将在滤波器设计和仿真后得到。l在设计周期的后期,测量在设计周期的后期,测量且测得的传递函数能用于较高级的仿真,且测得的传递函数能用于较高级的仿真,但外部接口和参数相同。但外部接口和参数相同。l和建模过程一样,通信系统的实际设计也是自项下经过不同层,规和建模过程一样,通信系统的实际设计也是自项下经过不同层,规格向下经过递阶的各层,而特性(在较低层测量或仿真的)自底向
18、格向下经过递阶的各层,而特性(在较低层测量或仿真的)自底向上经过递阶中的各层,有时可能要用不同的仿真来进行更详细的仿上经过递阶中的各层,有时可能要用不同的仿真来进行更详细的仿真真“联合仿真联合仿真”。25第25页,本讲稿共47页划分与条件化划分与条件化l将一个复杂问题划分为一组相互关照但独立的问题将一个复杂问题划分为一组相互关照但独立的问题l递阶处理的是不同级的抽象递阶处理的是不同级的抽象l划分通常处理同级的抽象,划分通常处理同级的抽象,l问题中可单独仿真的并且结果可联合的不同方面问题中可单独仿真的并且结果可联合的不同方面l条件化条件化是与划分非常相似的另一种方法:我们只是固定整理系是与划分非
19、常相似的另一种方法:我们只是固定整理系统某部分的条件或状态,并在条件变量或状态的不同取值下仿真统某部分的条件或状态,并在条件变量或状态的不同取值下仿真系统的其余部分系统的其余部分l系统的受条件化部分单独仿真,然后从第一部分得到的结果将系统的受条件化部分单独仿真,然后从第一部分得到的结果将根据第二部分获得的条件变量的分布来作平均。根据第二部分获得的条件变量的分布来作平均。26第26页,本讲稿共47页条件化例子条件化例子l估计具有非理想同步(时钟和载波估计具有非理想同步(时钟和载波恢复)系统的差错率恢复)系统的差错率l先在不同的时钟和载波相应差错值条先在不同的时钟和载波相应差错值条件下,估计系统中
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