通信系统的计算机模拟第二讲

1 通信系统的计算机模拟 第二讲 2 上一讲回顾 作业要求仿真的概念为什么要仿真通信系统仿真示例仿真的模型和分类仿真的作用一 链路预算与系统级标校过程二 关键元件的实现与测试 3 一 链路预算与系统级标校过程 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 成本 系统预期工作的信道和系统生命周期等的约束 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 4 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型 5 三 完成硬件原型与验证仿真模型 整个系统的硬件原型以及与之对应的仿真模型仿真模型包括仿真中大部分元件的测量特征硬件原型上测出整个系统的许多性能指标 还要进行并行仿真完整原型一个经验证的仿真模型预测生命终结 6 四 生命周期测试 通信卫星 海底电缆生命周期测试 BeginningofLife BOL 将元件老化模型代入验证过的BOL模型 就得到系统BOL性能指标 7 8 仿真方法 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态 do循环 for循环 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 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范围 这种系统的仿真就要用多速率采样 9 软件 SYSTEMVIEWMATLABSIMULINKC C 其他领域 Flexsim 10 课程报告 续 建议题目 不限于 信道均衡技术仿真 多载波调制与OFDM 仿真 无线接入技术仿真 多用户无线信道仿真 多业务通信系统仿真 WCDMA TDS CDMA CDMA2000或者Wimax仿真 自适应调制仿真 MIMO系统仿真 扩频系统仿真 11 cont 智能天线仿真 空时处理仿真 资源分配管理仿真 通信干扰抑制仿真 多用户检测仿真 协作通信仿真 软件无线电或者认知无线电仿真 卫星通信仿真 GPS仿真 GSM部分仿真 UWB仿真 深空通信仿真 12 第二章仿真方法论 2 1概述性能评估 art定量建模与估计science 科学 技术 工程 技艺 步骤 将给定问题映射为仿真模型 把整个问题分解为一组小一些的问题 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 综合各子问题的解决结果以提供对整个问题的解决方案 13 基本手段 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的 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通信系统的基本目的是处理波形和符号通过产生和处理这些波形的采样值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 模块 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 分析波形以优化设计参数或获得性能指标 14 问题示例 移动通信系统时变衰落中断通信系统波形级仿真的整体方法 15 Step1 系统方框图的描述开始每一功能模块的合适的仿真模型 并通过互联这组所选模块 即它们的模型 来产生方框图 在执行仿真前 我们为每一模块的参数 如滤波器的带宽 指定具体值或取值范围尽可能对方框图进行简化和划分 方法论中最难的步骤之一是将设计和 或性能估计问题映射为仿真模型 实现的好坏决定了运行仿真所需的机时和仿真结果的精度 16 Step2 产生所有输入波形或激励信号的采样值 来驱动仿真模型 随机过程的采样值是用随机数发生器产生的仿真期间 随机数发生器的输出被用作合适的模块的输入 以 驱动 仿真模型 并在各种功能模块的输出端产生采样值 17 Step3 用分析近似和界限或测量结果来验证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 用一些测量结果来进行验证还是必需的 18 方法论 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 所需的时间以及期望的精度都保持在一定范围之内 方法论 19 方法论 将问题映射到仿真模型以移动通信系统中的两个问题为例均衡器设计 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 系统性能评估 决定维持可接受性能级别所需的第一个问题 详细设计第二个问题 性能评估不同 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 20 方法论 系统要仿真部分的详细方框图最终的仿真模型可通过简化初始方框图而产生递阶表示划分与条件化简化 近似 假设和各种简化 21 递阶表示 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 系统 级模型并向下发展其他不同层 子系统层 元件层 物理 门级或电路 层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 直到更进一步有意义的分解变得不可能或没必要时 22 例 23 24 选择抽象程度 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 越少的参数意味着模型能用越少的指标来刻画巴特沃思滤波器的电路级模型包含12个或更多的元件值相同的巴特沃思滤波器的高层传递函数只有2个参数 滤波器阶数和滤波器带宽 25 抽象表达 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 模型而不是物理的模型 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真导出 在设计周期的前期 滤波器传递函数已被假设或 指定 而传递函数的实际特性将在滤波器设计和仿真后得到 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 但外部接口和参数相同 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 联合仿真 26 划分与条件化 将一个复杂问题划分为一组相互关照但独立的问题递阶处理的是不同级的抽象划分通常处理同级的抽象 问题中可单独仿真的并且结果可联合的不同方面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 27 条件化例子 估计具有非理想同步 时钟和载波恢复 系统的差错率先在不同的时钟和载波相应差错值条件下 估计系统中差错的条件概率 然后仿真同步系统以获得定时差错的分布 我们根据定时差错和相位差错的分布作平均 2 1 28 条件化例子 按照条件期望值 就有 出现定时差错和相位差错的情况下确定误比特率 BER 的例子 运用这个原理得 29 简化与近似 第一步 在初始方框图模型中包括尽可能多的细节降低整个模型和子系统模型的复杂度这些方法包括忽略对所研究的问题没什么大影响的模块使用近似方法和联合模型的简化方法例 系统级性能评估问题 是缓慢时变的 且系统运行在高信器噪比 S N 可合理地预计同步差错很小 因而在性能估计时同步的影响可以忽略不计 并可将其从方框图中删去近似和假设广泛用于简化仿真模型 最常使用的假设和近似包括时不变 稳态 性质和线性化 当观察时间足够长且输入信号动态范围足够在时 大多数实际的系统可能表现出时变和非线性 但在短时间段和低信号电平的情况下 它们仍然可以由线性时不变模型很好地近似 系统参数是缓变的 在仿真区间内是固定不变的 准静态的 带宽差别明显的过程的形象 线性近似用于非线性元件 许多线性系统的原理来简化方框图 对中间波形兴趣不大 其作用也很小 30 单个模块的建模 仿真模型应接受一列按时间先后次序排列的输入波形的采样 并依某个明确定义的传输特性产生一组按时间先后次序排列的输出采样 子系统或元件 模块 的仿真模型是具有如下形式的一个变换 31 单个模块的建模 低通等效表示 低通复等效表示所有信号和系统部件在计算上有优势低通等效 把带通频谱从载波频率移到f 0 模块的线性模型可由输入 输出信号的低通等效表示和信号换来实现 确定性信号的低通等效是通过对其傅里叶变换变换获功率谱密度是用地随机信号的如果带通频谱在载波的两边不对称 低通等效表示在时域中取复数值 32 单个模块的建模 采样 通等效表示时 它们可以用相同时间间隔的采样点来采样和表示 要求的最小采样率是理想低通信号 或系统 带宽的两倍 频率函数不一定限制在有限带宽 这时采样率通常取某一些带宽度量 如3dB带宽 的8至16倍 在数字系统中 采样率通常设符号率的8至16倍 增加采样率将计算量 33 单个模块的建模 线性与线性模型 非线性 判决反馈均衡器运算 同步子系统中的非线性运算及对脉冲噪声有意的限制等功率放大器在接近其最大运行率时表现出来的线性特性 近似 大多数非线性特性可以建模为对通信信号具有线性影响 有必要在系统中包含非线性仿真模型 QAM 有多种系统方法能对具有非线性系统建立模型无记忆功率序列非线性模型带记忆的频率选择性非线性模型非线性微分子方程 非线性模型分为两大类 输入 输出块模型和非线性微分方程 非线性特会产生带宽扩展 将采样率设置得足够高以把握带宽扩展带来的影响 34 单个模块的建模 时不变性 是否要采用时变模型取决于许多因素系统的时不就部分的带宽相比其变化速率可能非常缓慢某个长期平均的特性而不是动态特性 时变特性进行仿真 运行于快衰落信道下突发模式的通信系统中 同步子系统时间的捕捉和跟踪特性 仿真模型是带时变抽头增益的抽头延时线 抽头增益常建模为滤波随机过程 时变性的影响谱扩散 从而要求更高的采样率 时变模块的次序不能改变 35 单个模块的建模 记忆性 频率选择性特性和记忆性是同义的取决于瞬时输入和以前输入 36 单个模块的建模 时域和频域仿真 一个功能模块或系统元件的输入 输出关系可以在时域频域中进行建模和仿真取决于最初规格说明时域采样来表示输入和输出 频域模型 如用快速傅里叶变换仿真的滤波器 需要时域输入采样的内部缓存器 要对存于器中的输入向量作变换 然后进行频域处理 傅里叶反变换及输出端缓存 37 单个模块的建模 块处理 模型可以实现为每次调用只接受和处理单个时域采样或一个N个时域采样组成的块当调用开销很大时 采用块或向量处理的方法在计算会更为有效 其中模型调用的输入向量的大小为N 所以块运算会引入一个N Ts秒的时延 由于大的处理时延 在反馈环中包含块输入 输出模型会产生错误的结果非线性模型交织在一起 则对于非线性元件回复到逐个采样的处理是有必要的 块处理 考虑调度 大小不同的块 38 单个模块的建模 变步长处理 如果一个系统模型中包含的过程和现象的带宽特别巨大 那么在仿真中就要采用多速率采样 多速率采样以与对应带宽相一致的速率来采样和处理每个信号 而这会显著提高计算效率 变步长处理也常用于改善计算效率 数值积分子程序 来求解线性和非线性微分方程 变步长 统一步长 缓存 转换 39 单个模块的建模 参数确定 仿真的一个主要应用是设计优化 归结为找到一些重要参数的量优值 接收器滤波器带宽放大器工作点用于接收器的量化级数的最优值等模型必须确定合适的参数并且使得关键的设计参数在外部可见 外部旋钮 可用于在仿真过程中复调整设计参数 给定模型的参数个数 参数越少 参数值的测量和验证就变得越简单 40 单个模块的建模 与其他模块的接口 仿真框架和 或用户必须确保一致性和兼容性明确定义 文档齐全的接口不一致的根源 不同的处理域 信号类型 块大小 步长 多速率采样 不同块中不一致的参数 41 随机过程建模与仿真 假设已经获得一个具有最高抽象程度和最少复杂的系统模型建模和产生驱动仿真模型的输入波形 信号 噪声及干扰 波形级仿真的基本目标是模拟系统中的波形及计算波形保真度的一些指标波形或激励的建模和仿真是很重要的信号 噪声 干扰随机过程平稳性假设 42 平稳随机过程的表达 平稳随机过程由多维概率分布来表征但多维概率分布难以给出 不容易产生具有任意n维分布的平稳过程的采样值 平稳高斯过程是个著名例外 它完全由二阶分布定义 均值自相关函数 用于驱动仿真的随机过程的采样值是用随机数发生器产生的随机数列 43 随机过程建模与仿真 高斯近似 简化了激励的产生 高斯近似 大量噪声叠加与高斯随机数发生器的输出完全相同 44 随机过程建模与仿真 等效过程表示 随机过程X t 经过n个模块输出Y t 简单地插入一个表示Y t 采样值的序列 从而无须产生和处理X t 通过n个块的的采样值X t 高斯 模块线性 Y t 分析得到Or仿真得到 并用于等效过程表示 45 随机过程建模与仿真 慢过程和快过程 许多带宽或 时间常数 差别很大的随机现象 一个随机过程的的带宽与另一个相差很大 差几个数量级 分开仿真多速率采样 46 性能估计仿真 仿真的主要目标之一就是性能估计模拟通信系统 输出信噪比 s N 对于数字通信系统误比特率 BER