ch1仿真的作用课件.ppt

第一讲仿真的作用 引言一 复杂性示例二 仿真的多学科特点三 模型四 确定性与随机性仿真五 仿真的作用六 仿真软件包 2 现代通信系统的复杂性 仿真的广泛使用 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 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在高数据率情况下 同步要求变得更加严格系统运行时所处的环境复杂 多数现代通信系统则是运行在更恶劣的环境中 很多系统经常用到非线性放大器 无线蜂窝系统往往遭受严重的干扰 还有多径和阴影 使得接收端信号出现衰落 引言 一 3 系统复杂 环境恶劣 解析处理困难数字计算机在近20年以来已得到迅速发展 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 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 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 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 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 仿真的重要动机 深入理解系统特性有价值的工具 好的仿真 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SNR等参数 能很快地观测到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 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进行研究 仿真的主要作用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 引言 三 第一节复杂性示例 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 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 但可能是有用的 对第三个系统作详细的性能研究 就必须进行仿真 易于解析处理的系统 需繁琐解析处理的系统 难以解析处理的系统 6 易于解析处理的系统 框图 图1 1易于解析处理的通信系统 7 上图是一个简单通信系统 发射机部分 数据源 符号序列dk 0 1 假设为离散无记忆源 调制器 源符号 波形 其不同波形代表不同源符号 二进制系统波形集合 s1 t s2 t 假设发射机对调制器的输出进行线性放大 使得调制器产生的信号能以期望的比特能量发射出去 信道 系统中需要进行精确建模的最复杂的部分 这里假设为AWGN信道 8 接收机 观察接收机输入端信号 产生对dk的估计 记作dk 接收机 包括一个匹配滤波器 或相关接收机 它在一个符号周期内对信号进行观察 在符号周期末 对匹配滤波器的输出采样 产生一个观察统计量Vk 最后 将Vk与阈值T作比较 如Vk T 判决Vk为一个数据符号 如Vk T 判决Vk为另一个数据符号 9 利用通信原理知识 容易求得通信差错概率为 注 见 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 S1 t S2 t 相关联 N0为加性信道噪声的单边功率谱密度 参数k取决于波形 S1 t S2 t 的相关程度 10 为什么该系统是易于解析处理的 信道是AWGN信道 噪声是高斯噪声接收机是线性的 匹配滤波器是线性系统 判决统计量Vk作为高斯随机变量 模型简化 数据源为无记忆 理想的符号同步因而可数学分析 仿真易于解析处理的系统是否也有作用呢 它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 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 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 11 需繁琐解析处理的系统 分析 图1 2需繁琐解析处理的系统 12 和前面系统唯一不同 加入了发射机的非线性大功率放大器 HPA 和滤波器 非线性放大器 高的功率效率 经常优先应用于功率受限的场合 包括太空应用和蜂窝移动系统 非线性放大器会产生谐波与交调失真 频谱扩展放大器后的滤波器是带通滤波器 中心频率等于期望载波频率 作用是减少非线性带来的谐波与互调失真 调制器与HPA 滤波器 数据信号时间扩散 产生符号间干扰 ISI ISI 第i个符号的差错概率跟它前面一个或多个符号有关在解调第i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 第i个符号的差错概率取决于前k个符号 就需要计算 需繁琐解析处理的系统 分析 13 二进制情况 等概取0或1 有2k个k长的序列 第i个符号的差错概率为 即 必须计算2k个不同差错概率 并对这2k个结果作平均 对AWGN信道 这2k个差错概率都是高斯Q函数 可直接计算每一个Q函数值 其计算过程很繁琐 仿真 该系统的一个重要特性 从噪声注入点到统计量Vk采集点之间的系统是线性的 统计量Vk经常具有以下形式 需繁琐解析处理的系统 分析 式中 Sk和Ik分别为对应于信号和ISI分量 Nk为对应于信道噪声分量 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随机变量 Nk也是高斯随机变量 Vk也是AWGN变量 方差和Nk的相同 但具有均值Sk Ik 这两个量皆为确定性变量 所以Vk的均值可以直接计算 由信道噪声的功率谱密度和从信道到Vk出现处的系统等效噪声带宽可以确定Vk的方差 因而 可以得知从Vk的概率密度函数很容易求出通信差错概率 总之 尽管系统中有非线性 但由于噪声并没有通过非线性部分 Vk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 Vk的均值可用无噪声仿真确定 同时可解析确定Vk的方差 Vk概率密度函数已知 就容易确定差错概率 得到一个简单而快速的半解析仿真方法 解析和仿真以一种便于快速仿真的方式结合在一起 半解析方法是一个重要的仿真工具 需繁琐解析处理的系统 分析 15 难以解析处理的系统 框图 图1 3难以解析处理的通信系统 16 是一个难以解析处理的两跳卫星通信系统 将卫星转发器建模为非线性大功率放大器 HPA 并用滤波器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 它由两个噪声源组成 其中一个噪声源代表上行链路 发射机到卫星 噪声 而另一个表示下行链路 卫星到接收机 噪声 问题 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 即使假设上行链路和下行链路噪声都是高斯过程 接收端的噪声还是很难确定 难以解析处理的系统 分析 17 下行链路噪声容易建模 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困难 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Vk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 对这一类系统 仿真是一个必备的基本工具 本节表明 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 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 难以解析处理的系统 分析 18 第二节仿真的多学科特点 在20世纪70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误差源 理解的人不多 在近20多年里 学者们构建了一个知识体系 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发中出现的许多问题 该知识体系目的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 构建这个知识体系要求融合不同领域知识 图1 4给出了影响仿真研究的九大重要学科领域 19 图1 4影响研究通信系统仿真的领域 仿真的多学科特点 20 1 线性系统理论 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 2 通信原理 在开发仿真系统之前 必须理解系统结构 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 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了解参数值的实际范围 3 数字信号处理 DSP 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连续时间系统元器件 如滤波器 的离散时间近似组成 要理解 评估该近似特性 DSP知识是必需的 仿真模型每一个功能模块都是一个DSP运算 DSP提供了仿真实现方法 仿真的多学科特点 21 4 数值分析 和DSP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 都源于数值分析 5 概率 是仿真研究的基础 通信系统的性能指标 概率 数字通信系统中的比特差错概率或符号差错概率同步系统中相位误差超过给定水平的概率 概率论讨论了随机变量和概率密度函数等概念 如果已知内在的概率密度函数 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 而这个随机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 仿真的多学科特点 22 6 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 尤其在建模信道时 7 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 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 仿真的多学科特点 8 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 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 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 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 如果仿真产生的估计器是无偏的 unbiased 或一致的 consistent 这种仿真就很有用 无偏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 仿真的知识体系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 已经掌握了线性系统理论 通信和概率论方面的知识 仿真的多学科特点 24 第三节模型 通信系统仿真开发的第一步 对所关心的系统建立仿真模型 模型描述了物理系统或器件的输入输出关系 模型可表示成数学形式 建模的艺术性在于建立特性模型 刻画了特定条件下设备的输入输出特性 特性模型要足够详细 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 要在精度 复杂度和计算量要求等方面作折衷 25 三个层次 物理模型 解析模型和仿真模型物理元器件 单个电路元件 如电阻 子系统 如PLL单芯片 或完整的通信系统 解析模型和仿真模型二者都是物理元器件或系统的抽象 1 建立物理模型 确定模型要描述的物理元器件特征和工作特性 要求作工程判断 还要求有全面透彻的了解 模型精度会限制其数学分析或计算机仿真精度一旦相关折衷问题得到了解决 一个描述了物理元器件基本特征的解析模型就建立起来了 模型 26 2 解析模型以方程或方程组的形式给出 描述物理元器件的输入输出关系 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了模型 描述器件的方程一般也只有在有限的电压 电流和频率范围内是准确的3 仿真模型通常是一组算法 是用数值方法来求解定义解析模型的方程 开发这些算法的工具 数值分析 数字信号处理 模型 27 图1 5元器件与模型 28 从图中可见 物理元器件 解析模型 仿真模型 抽象程度依次增加抽象程度增加来源于 在该过程中所作的假设和近似 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 在该过程中各步出现的抽象程度 应归因于解析模型采用的表达形式 以锁相环为例 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 低抽象程度的解析模型可以由一组线性方程构成 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器 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信号进行比较 模型 29 更高抽象的模型是用一个非线性 或时变 微分方程来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型好像合乎逻辑 但实际情况远非如此 我们经常会碰到具有不同抽象程度的模型 信道模型可以用波形级方法来建模 在这种方法中 模型对波形采样值进行处理 信道又可以表示为基于符号的离散马尔可夫过程 而且 该信道模型通常还将调制器 发射机和接收机也纳入信道中 是高度抽象的 也难以精确地用参数表示 但是一旦找到 就可给出数值上高效的仿真 从而加快运行速度 人们对比较抽象建模方法感兴趣的主要原因就在于这种高效性 模型 30 图1 6模型复杂度的影响 模型 31 图1 6揭示了建模过程的辨证关系 1 仿真运行时间和模型复杂度之间的关系 仿真的一个理想特征就是仿真代码运行速度快 简单模型会比复杂的模型运行得快 因为每次仿真启动模型时只需运行较少行数的计算机代码 然而 简单的模型可能无法完全刻画器件的重要特性 因此得出的仿真结果可能不准确 在这种情况下 就得动用更复杂的模型 复杂些的模型可能会给出更准确的仿真结果 但精度的提高往往是以增加仿真运行时间为代价 模型 32 2 建模误差与复杂度的关系 高的仿真精度和快的运行速度两者往往难以兼得 一个好的仿真能同时提供合理的精度和合理的运行速度 当然 当仿真指标要求具有高精度时 在精度与运行速度二者间作折衷就严重受限了 在这种情况下 模型必须足够复杂 以充分保证所要求的精度 而仿真运行时间可能难免就要增加了 建模代价与模型复杂度之间存在的关系 在建立精确的仿真模型之前 更复杂的模型往往要求进行广泛的测量 如建立非线性放大器模型 如出现多源干扰和严重频率选择性衰落时的无线通信信道建模 模型 33 值得注意的是 这些测量也需要资源 设备与工程时间 同时必须注意 复杂模型比简单模型更易出错 从解析模型到离散时间 数字 仿真模型的转化涉及到很多的假设和近似 在物理元器件和解析模型中出现的电压和电流是时间的连续函数 从解析模型转向仿真模型 也就从连续域转到了离散域 该过程涉及对电压和电流的时间采样和幅度量化 其中采样过程会引入混叠误差 而幅度量化会导致量化误差 模型 34 采用浮点处理器的仿真中 量化误差经常可以忽略不计 而在仿真采样频率要作适当选择时 要注意混叠误差 通过提高采样率可以减小混叠误差 但提高采样率要求用更多的采样点来表示给定的数据段 结果是运行仿真必须处理更多的采样点 从而增加了仿真运行的时间 因而必须在采样频率和仿真运行时间之间作折衷 所以 我们不该一味地消除仿真误差 而应该寻求一个仿真既具有合理运行时间又满足精度要求 本节目的 理解建模的精度 复杂度和计算量间的辨证关系 解析模型 方程 是物理元器件的抽象 涉及到很多假设和近似 仿真模型基于解析模型 涉及到更进一步的假设和近似 在此过程中 必须高度谨慎 以保证仿真模型的有效性 并保证仿真结果能反映实际情况 模型 35 第四节确定性与随机性仿真 一 一个确定性仿真的实例 二 一个随机性仿真的实例 36 仿真分确定性仿真和随机性仿真两种 确定性仿真的一个例子是固定电路的SPICE仿真 这种仿真是电路 系统 对某些确定性输入信号的响应 各种电路元件和电路的输入用开发的软件程序来表示 仿真在电路网络的每一个支路中产生电流 并因此在每个电路元件上产生电压 电压和电流常表示成波形 因为电路 系统 是固定的 输入信号是确定性的 每次运行仿真都会得到相同的结果 如果用传统方法 纸和笔 来求解电路网络 也会得到同样波形 采用仿真是为了节省时间和避免在进行冗长计算时可能出现计算错误 确定性与随机性仿真 37 随机性仿真是出现随机量的仿真 现在假设网络的输入为随机波形 即一个随机过程的样本函数 而系统模型可能要求电阻器的电阻为一个具有某种概率密度函数的随机变量 仿真结果将不再是一个确定性波形 而对波形进行采样会得到一组随机变量 一个示例 假定某个电路元件两端电压记为e t 进行仿真来产生在1毫秒时e t 的数值 也就是说 想要得知e 0 001 在确定性仿真中 e 0 001 是一个固定填 每次仿真都得到同样结果 使用传统分析方法也会得到相同数值 在随机性仿真中 e 0 001 是一个随机变量 每次仿真都得到该随机变量的一个不同的值 确定性与随机性仿真 38 其中Eb为符号能量 No为单边噪声功率谱密度 Q x 为高斯Q函数定义如下 另一个例子 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 假设我们的任务是计算接收机输出端的误符号率 从通信原理可知 如果调制格式为BPSK 信道为AWGN信道 误符号率为 确定性与随机性仿真 39 注意PE是一个数而不是随机变量 尽管接收机输入端出现了随机量 噪声 PE值是无数次试验的平均 这里的试验 让数字信号通过系统和观察结果 结果当然是在接收机输出端要么作出正确判决 要么观察到一个差错 对遍历性 Ergodic 过程 可以用两种不同方法确定差错概率 第一种方法是 可以观察单个的发送位 并通过总体均值 EnsembleAverage 来计算PE 确定性与随机性仿真 40 另一种方法是 通过发送无穷多个二进制符号 使用单个噪声样本函数 再作时间平均来确定PE 这里的关键是 使用了无穷多个被发送的二进制符号来计算PE 如果不是基于无穷多个 而是用有限多个被发送的二进制符号来估算PE 我们会发现PE的估计值确实是一个随机变量 因为在每个有限时段样本函数都会给出一个不同 有望差别不大 的差错概率值 注意 分析和仿真都会给出一个数值结果 每次进行确定性仿真 也会获得相同的结果 但是 随机性仿真给出的是随机变量 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 确定性与随机性仿真 41 一 一个确定性仿真的实例 本课主要目的 讲述和探索随机性仿真中使用的方法但是 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 可以通过运行仿真来确定系统中所关心的那些点的波形 可以改变系统参数 并很容易观察到参数改变的影响 经常可以使用很简单的模型 却得到重要的结果 一个简单的实例是锁相环系统 系统方框图如图1 7所示 系统看上去很简单 但是 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 举例 在给定各种环路参数和输入信号指标前提下 捕获信号所需时间是锁相环的一个重要性能参数 解析求解该问题需要解非线性微分方程 因此 我们转而考虑仿真方法 42 图1 7PLL模型 一个确定性仿真的实例 43 假定设计锁相环具有 固有频率5Hz阻尼因子0 707 再假定锁相环工作在锁定状态 并且输入频率在t 0 1秒处瞬时改变为20Hz 由于输入频率的阶跃变化与锁相环固有频率的比值较大 锁相环会丧失相位锁定 必须重新捕获输入信号 环路的非线性特性会导致一种叫做 周期滑动 的现象 捕获时间在很大程度上取决于捕获过程中滑动的周期数 一个确定性仿真的实例 44 一个简单的仿真结果如图1 8所示 在这个仿真里 输入频率的阶跃发生在t 0 1S处 可以看到锁相环滑动三周 然后大约在加上频率阶跃0 6s后重新捕获到信号 这个仿真完全是确定性的 使用相同的锁相环参数和信号模型进行多次仿真会得到相同的结果 一个确定性仿真的实例 45 图1 8锁相环的捕获特性 46 二 一个随机性仿真的实例 一个完全不同的例子 考虑图1 1所示的简单数字通信系统 并假设我们希望确定误比特率 BER 要确定这一重要性能指标 最基本的仿真方法是给系统输入大量的数字符号 并计算接收机输出端出差错的符号数目 这种方法叫蒙特卡罗方法 如果系统处理了N个符号 在系统输出端观察到Ne个差错 差错概率蒙特卡罗估计 47 这个估计叫基于N个符号的BER 给出了符号差错概率的一个估计 使用概率的相对频率定义 符号差错概率可定义为 因为仿真能处理的符号数目必然是有限的 我们也只能对符号差错概率作近似计算 一个随机性仿真的实例 48 术语误码率和误码概率 ProbabilityofBitError 经常被用来指同样的东西 然而实际上 这两个术语有很大区别 误码率是误码概率的一个估计 大家应该记住 率 是以分数形式给出 比如每小时多少英里的速率 误码率实际上就是一种比率 因为它表示了每N个符号出Ne个差错的意思 误码概率则是基于无穷多个符号通过系统这个假设 因此误码概率是一个数而不是随机变量 一个随机性仿真的实例 49 图1 9蒙特卡罗仿真结果 一个随机性仿真的实例 50 假设对二进制PSK通信系统进行K 7次独立的蒙特卡罗仿真 并调整Eb N0使得符号 或比特 差错概率为0 1 每次仿真都基于N 1000个发送符号 重复让1000个符号通过随机信道的随机试验7次 结果如图1 9所示 很显然结果具有随机性 因为基于N 1000的任意个发送符号的BER结果散布开了 这种散布跟估计的方差有关 通常 要得到有用的仿真结果 散布应该比较小 注意 如图1 9所示 方差随N的增加而减小 正确开发的估计器通常都具有这种特性 一个随机性仿真的实例 51 还可注意到对大的N 结果聚集在真实的差错概率附近 我们也倾向于相信 对一个正确开发的仿真 估计PE会收敛到差错概率PE 从而和概率的相对频率定义一致 这也是正确开发的估计器通常应具有的一个特性 如果N变得任意大时 估计方差趋于零 则称估计为一致的 另外 如果E PE PE 则称估计为无偏的 一个随机性仿真的实例 52 第五节仿真的作用 引言 一 链路预算与系统级标校过程 二 关键元件的实现与测试 三 完成硬件原型与验证仿真模型 四 生命终结预测 53 引言 仿真广泛应用于现代通信系统设计过程和布署过程中的许多阶段 性能评估和设计权衡研究 参数优化 测试过程和基准的设定 生命终结预测以及现场系统布署后出现异常状况的调查 仿真方法论和仿真模型二者都取决于系统设计 实现和生命周期的不同阶段 仿真方法论也会受所采用的整体设计流程的支配或指导 下面阐述在通信系统设计和生命周期不同阶段的设计流程和仿真运用 54 复杂通信系统设计是以 自顶至底 的方式完成的 但硬件实现通常是 自底至顶 进行 在设计系统时 从系统级 最高抽象级 开始 填入系统级设计的细节 再往下到子系统级 最终下到元件级 然后我们就到了最底层 并可以从这里获悉元件组装的详情 在构建系统时 最先制造出元件来 然后把元件组装成子系统 最后再用子系统构成整个系统 仿真开发也采用 自顶至底 的方法 从具有高抽象程度的系统级仿真开始 接着是越来越详细的子系统及元件的模型和仿真 在开始实现后 元件和子系统的测量特性将包括到仿真模型里 引言 55 一 链路预算与系统级标校过程 下面描述设计过程的不同阶段 以及如何将仿真运用于这些阶段 通信系统设计过程开始于陈述和分析用户要求和性能期望 包括吞吐率 差错率 中断概率以及对带宽 功率 重量 复杂度 成本 系统预期工作的信道和系统生命周期等的约束 基于用户要求 系统工程师 对系统形成一个基本概念 比如采用什么调制方式 编码与均衡技术 如果有必要 等等 在设计的最初阶段 也要确定一组叫A级指标的参数值 比如功率级 带宽和调制指数 56 在设计过程的这个阶段 整体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 系统性能是信噪比 SNR或等价地Eb No 和通信链路中所有元件引入的总失真的函数 信噪比可以通过一个叫链路预算的过程来确定 链路预算主要是功率计算 需要考虑发送功率 天线增益 路径损耗 功率增益以及放大器和滤波器的噪声系数等 尽管链路预算不是仿真所关心的主要参量 然而它确定了要执行仿真来作性能估计的S N或Eb No范围 链路预算与系统级标校过程 57 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 因此会引起信号失真 从而影响系统性能 链路预算中考虑到了这一点 首先以理想元件计算系统性能 然后包括一项 实现损耗 来对付因为非理想元件引起的信号失真所造成的性能降低 实现损耗是一个度量 通常为基于过往经验的一个估计 它表示Eb No必须增加的大小 以便克服非理想元器件引起的信号失真所造成的影响 有时实现损耗也叫通信或失真参数 注意有些参数 比如滤波器带宽 可能影响系统中多处噪声的功率 这又反过来会影响链路预算和失真 链路预算与系统级标校过程 58 系统设计者的工作从系统初始配置 A级指标和链路预算开始 链路预算表示为类似表格的形式 其中最末行是考虑了所有实现损耗后系统关键点处的净Eb No 这个关键点往往在接收机输入端 如果链路具有足够Eb No 满足可接受的系统性能并具有一定的安全裕量 则称此链路预算为 封闭的 或 平衡的 系统性能指标有多种 比方说 模拟系统通常采用均方误差作为性能指标 而数字系统的典型性能指标是误码率 在设计过程中的这个阶段 通过近似公式计算性能指标而不用仿真 因为所有的实现损耗都考虑在Eb No中了 可以使用理想系统的公式计算误比特率等指标 链路预算与系统级标校过程 59 如果链路预算不封闭或不平衡 就得修改A级指标 实现损耗甚至系统结构 并重作链路预算 如可以改变一个或几个滤波器的带宽 增大天线的尺寸 增益 降低放大器噪声系数指标 重复这一过程直到链路预算平衡或封闭 并有充分裕量 在系统初始配置 A级指标和链路预算平衡的基础上 可以构造出仿真模型 用来验证链路预算和改进设计 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封闭的 就可以进入设计过程的下一阶段 涉及到子系统和元件的详细设计和实现 链路预算与系统级标校过程 60 如果链路预算不是封闭的 就要改变某些失真分配 系统拓扑结构和A级指标可能也要改变 如增加编码增益 改变放大器的线性要求指标如果仿真表明一个元件造成的失真小于链路预算分配给该元件的值 节余部分可以用于放松对其他元件的要求 即系统的其他地方可以容忍更大的失真 继续此迭代过程直至链路预算平衡 平衡的链路预算为硬件 和软件 开发提供初始指标 设计的初始阶段具有很强的 艺术性 通常需要很多通信系统设计经验 一般只需在原来设计过的类似系统基础上 作些小改动便可完成初始设计 即是说 新设计在本质上往往是渐进的或递增的 链路预算与系统级标校过程 61 二 关键元件的实现与测试 新通信系统设计中一般包括新信号处理算法和新硬件 及软件 技术 采用新技术 性能方面难免出现风险或不确定性 如果通信系统的关键部分要使用新技术 那个元件必须首先制造出来并在实际工作条件下进行测试 以便验证性能和把风险减至最小 因为在设计过程的这个前期阶段 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 这样 仿真就提供了一个极佳的环境 和原型化整个系统硬件相比 使用仿真也要便宜得多 将待仿真的元件的测量特性代入该元件的仿真模型 就可以仿真该元件输入端之前和输出端之后的所有元件和信号 62 比方说 假设要测试的元件是一个新放大器 假设已测量出它AM到AM和AM到PM的传输特性 并且已将传输特性代入放大器的非线性模型 然后就可通过对整个系统的仿真 来检验得出性能和链路预算 如前所述 若表明代入仿真中的测量特性优于预期的失真 节余部分就可用在系统的其他地方 如果链路预算是平衡的 就可继续对下一个关键元件作硬件开发 不然 或者重新设计 重新制造 重新测试元件 或者修改链路预算 从而把新元件引入的额外降级 即原链路预算分配给元件的之外的失真 也考虑在内 对其他关键元件重复此过程 关键元件的实现与测试 63 三 完成硬件原型与验证仿真模型 随着上述过程的进行 逐渐形成了整个系统的硬件原型以及与之对应的仿真模型 此时的仿真模型包括仿真中大部分元件的测量特性 可以在硬件原型上测出整个系统的许多性能指标 还要进行并行仿真 可将仿真结果与性能特性的测量值作比较 反之亦然 仿真为测试提供了基准 而测试结果又验证了仿真 设计过程的这个阶段的最终结果是系统的一个完整原型 此原型是系统的产品开发的基础 另外 也获得一个经验证的仿真模型 可用来很有把握地预测生命终结 End of Life EOL 64 四 生命终结预测 前面的过程给出的设计保证系统在实施时能达到一定的性能 但是 多数系统还要满足另一个重要要求 即生命终结性能 许多通信系统 比如通信卫星和海底电缆 都有一个较长的预计使用期限 通常为10年或更长 在此期间性能必须得到保证 当然 不可能对硬件原型作实际生命周期测试 因为如果要实时进行这种测试 得花许多年时间 尽管已开发出所谓的加速寿命测试程序 但通常的作法是使用仿真作为加速寿命测试的补充手段 65 通过使用系统中主要元件老化模型 仿真可完成生命终结性能预测 如果有整个系统的生命起始阶段 BeginningofLife BOL 通过验证的仿真模型 也有作为年龄函数的各元件特性的好模型 这不难获得 将元件老化模型代入验证过的BOL模型 就得到系统EOL性能指标 如果预测的EOL性能令人满意 而且最终EOL链路预算平衡并有足够的裕量 系统设计和实现就完成了 不然 就要迭代此过程直到收敛 如下图1 10所示 总结了通信系统工程中设计流程的关键步骤和仿真的作用 生命终结预测 66 图1 10系统工程与设计流程 67 第六节仿真软件包 在近十年中 已开发了多种通信系统波形级仿真软件包 得到广泛应用通信系统仿真框架 建模器 模型库 仿真核和后处理器 每种仿真软件包在实现这些部件的方式和所提供模型库的范围与重点有所不同 不管具体使用哪种仿真软件包 仿真通信系统的第一步是 对构成整个系统的各子系统建立仿真模型 并将这些子系统组成所关心系统的一个端到端仿真 建立仿真模型可以使用通用编程语言编写合适的代码 也可以使用图形建模器 可以用 自顶至底 或 自底至顶 的方式来建模 68 系统工程师喜欢自顶至底方式 而硬件工程师首选自底至顶的方式 在 叶级 即模型级中的最底层 模型可以有许多表示方法 从用编程语言 如FORTRAN C 编写的浮点子程序 Subroutine 或过程 Procedure 到用VHDL语言的子系统模型的比特级实现 除采用图形方框图编辑器建模的方法 还可以使用像MATLAB命令语言之类的中级 伪 语言 因为可供使用的模型库包含大量文档齐全并经仔细测试的构成模块 开发系统仿真