ch0-绪论剖析.ppt

通信系统仿真原理,主讲张天骐教材：W.H.Tranter,etal著，肖明波等译，姚彦等审校，通信系统仿真原理与无线应用，机械工业出版社，2005年6月,Email:zhangtq,参考书目：1.J.G.Proakis,M.Salchi,ContemporaryCommunicationSystemsUsingMATLAB,PWSPublishingCompany,1997.2.周希元等译，通信系统仿真建模、方法和技术，国防工业出版社，2004。3.李仲令，曹世文，葛造坤，现代通信系统仿真及应用，电子科技大学出版社，1998年3月。4.王立宁，乐光新，詹菲著，MATLAB与通信仿真，人民邮电出版社，2000。5.邓华编著，MATLAB通信仿真及应用实例详解，人民邮电出版社，2003。6.孙屹主编，MATLAB通信仿真开发手册,国防工业出版社，2005。,通信系统仿真原理,3,现代通信系统在性能不断提高的同时也变得越来越复杂。采用传统技术对通信系统进行分析和设计的方法已经存在很大的困难，而计算机仿真方法则由于其廉价性、高效性和灵活性，成为了通信产业的主要设计和分析手段之一。计算机仿真是进行通信与网络等方面科研时所必备的工具。然而，目前许多学生都缺乏这个环节的系统训练，得出的仿真结果往往“可信度”较差，甚至将“仿真”做成了“仿假”、“造假”，蒙混过关，不能自原其说。因此，有必要加强通信系统仿真的系统学习。,通信仿真必要性1,4,本课程不仅系统地介绍了通信系统（尤其无线通信系统）的设计建模、分析和仿真方法，而且还提供了大量很有参考价值的仿真实例。本课程教材涉及的全部仿真程序都采用MATLAB编写，这不仅方便大家理解仿真的实现过程，还允许大家修改或使用这些代码来进行自己的仿真开发。几乎每一章后面都提供了大量的参考文献和经过精心设计的各类练习题。本课程的系统学习可以更深入地理解“通信原理”和“无线通信”等等课程的内容，而且还可以掌握必要的仿真技能，为下一阶段进入课题研究，以及毕业就业打下较好的基础。,通信仿真必要性2,5,通信系统仿真原理的课程要求,“通信系统仿真原理”是信息与通信工程各专业的一门实践性很强的专业基础课，它能很好地体现专业技术素养和动手能力。该课的许多概念和基本理论往往要通过较多的上机仿真来消化、巩固、加深和拓宽。因此，该门课程的基本要求是：读懂课本、熟读课本、理解原理、大量上机仿真。目前采取的课程形式：（1）理论课，（2）上机课期末成绩：平时作业+期末论文设计成绩。,第0讲绪论,第一章绪论1.1性能评估方法1.1.1引言1.1.2分层观点1.2仿真方法：通信系统的波形级仿真1.3仿真在通信系统设计中的应用1.4仿真的发展历史1.5课程概要,7,在过去的几十年里，通信和信号处理系统的复杂度显著地提高了。与此同时，出现了一系列新的技术，如用于数字信号处理的价格不高但速度很快的硬件、光纤光学器件、集成光学设备和单片微波集成电路，这些对通信系统的实现均有重要影响。通信系统复杂度的提高使得用来分析和设计系统的时间和精力也相应提高了，然而在商用产品中引入新技术要求设计能够做到短时、高效、省力、经济，而这些要求只有通过使用强大的计算机辅助分析和设计工具才能实现。,引言0,8,近些年，大量的计算机辅助技术己经发展起来，并且己经应用于建模、分析、和设计通信系统。这些计算机辅助技术可以归纳为两大类：一类是基于公式的方法，用计算机来计算复杂的公式；另一类是基于仿真的方法，用计算机来仿真系统的波形或信号。第二类方法包含了波形级仿真（经常结合着分析技术），是本课程的主题。因为性能估计及其折中研究是分析和设计通信系统的重要问题，所以我们将精力放在利用仿真来估计模拟通信系统和数字通信系统的性能上，重点放在数字通信系统方面。,引言1,通信系统的性能可以用基于公式的计算方法、波形级仿真或通过硬件样机研究和测量来估计得到。（这种分类方法并不意味着这三种方法互相排斥，事实上，最好的方法经常是将这三种方法结合在一起使用。）以简化模型为基础的公式法对设计参数和系统性能之间的关系进行了大量的比较，在设计的早期阶段，这对概括性地研究设计空间是很有用的。然而，除了一些理想化和过于简单化的例子外，要想仅仅利用设计空间所需的较高精确度的分析方法估计出复杂通信系统的性能是非常困难的。,性能评估方法（引言）1,10,基于测量的性能估计，它通过硬件样机设计研究获得，是一种精确的、可靠的方法，在设计的后期设计限定在一小的子模块上时，这种方法是很有效的。但是这种方法通常代价很高，很耗时，并且很不灵活。显然在有很多可供选择的设计周期的早期阶段，这种方法并不可行。用基于仿真的方法来估计性能时，系统可以用任何所期望的细节来模拟，它比公式法或测量法对设计空间的利用都好。用仿真法，人们很容易将数学和经验模型结合起来，并结合模块和真实信号的特点进行分析和设计。仿真波形也可用作测试信号来验证硬件的功能性。,性能评估方法（引言）2,11,基于仿真的方法可以为分析和设计通信和信号处理系统，建立快速的样机研究环境，在这种环境中，软件模型能够与硬件数据和真实的信号结合起来进行快速、高效、无误的设计。仿真方法的主要缺点是计算复杂，这一点可以通过仔细选择模型和仿真技术来降低。本课程大部分内容是关于仿真模型和仿真技术的问题。,性能评估方法（引言）3,性能评估方法（分层观点）1,广义上讲，“通信系统”涵盖了全球通信网络、地球同步通信卫星、陆地微波传输系统、陆地移动通信系统，或一台个人计算机的内置调制解调器。经常用来描述通信系统的分层形式如图1.1所示。这种表示法中的最高层是一通信网络，它由通信节点（处理机）通过通信链路或传输系统（在下层表示）互联而成。通信链路由一些单元组成，如调制器、编码器、滤波器、放大器、解码器、解调器，并且还包括其他一些能进行信号处理运算的部件。这些单元可以是模拟电路、数字电路，或运行在可编程数字信号处理器（DSP）上的算法。这些单元的详细情况表示在图1.1分层结构的底层。,13,图1.1通信系统的分层观点,14,有一些仿真技术可用来计算图1.1各层的性能。在网络层，网络上的数据包和信息流可以用事件发生器来仿真形成，性能测试如网络吞吐量、响应时间和资源利用可以作为网络参数的函数来估计求得。网络仿真用来建立处理机、协议和通信链路的规范。通信链路层用来仿真在不同信道（自由空间、电缆、光纤）上带有信息的波形传输。对于数字传输系统，通信链路的性能用误码率来测量，误码率可利用仿真波形通过功能模块估计得到，功能模块有调制器、编码器、滤波器、放大器和信道等。二者关系：网络仿真用来建立通信链路规范，链路级仿真用来验证链路设计是否符合规范，链路级仿真得到的性能参数可以输出到网络级仿真器来验证网络性能。,性能评估方法（分层观点）2,15,图1.1的底层的实现级仿真用来仿真诸如滤波器、均衡器等部件的实现，它们既可采用模拟技术，也可采用数字技术。电路仿真器如Spice或数字仿真器如HDL(硬件描述语言)用来仿真、验证部件的功能，刻画其行为特性。链路级仿真用来建立实现规范，而实现级仿真用来提供反馈到链路级的行为模式。滤波器的传输函数正是行为模式的一个例子。本课程的重点放在通信链路（图1.1的中间层）的波形级仿真。,性能评估方法（分层观点）3,16,为了说明用于波形级仿真的方法，我们考虑如图1.2所示的通用数字通信系统的简化模型。这个模型只是给出了典型数字通信系统功能模块的一部分。为便于讨论，假设我们对系统的误码率性能感兴趣，它既是滤波器参数（阶数和带宽）的函数，也是非线性放大器（饱和电平或峰值功率和工作点）的函数，还是信号对两个高斯噪声源信噪比的函数。系统的性能将由滤波器和非线性放大器所引入的信号失真和两个噪声源决定的。,仿真方法：通信系统的波形级仿真1,17,图1.2仿真实例,18,由于存在非线性放大器和滤波器，对系统性能的解析评估很困难。带限滤波器带来码间干扰，且在非线性放大器前噪声的出现导致了非高斯和非加性效应，这些因素对于描述和分析都是很困难的。可以采用一些近似的估计：忽略滤波器前级非线性器件的影响，合并第一噪声源和第二噪声源，并且认为这两个噪声源是加性高斯的。这些简化尽管对于详细的性能分析是不精确的，但是对获得系统性能的“一阶”估计是十分有用的。通过以下的步骤可以估计误码率：1产生输入过程（波形）的采样值（源输出和两个噪声过程）。2用滤波器和非线性放大器模型处理输入的采样值，产生系统输出的采样值。3通过比较输入序列的仿真值和输出波形来估计误码率。,仿真方法：通信系统的波形级仿真2,19,图1.2给出了仿真波形及灵敏度（误码率）曲线，表明了测量性能（误码率）和设计参数之间的关系。这些参数包括诸如放大器的工作点和接收滤波器的带宽等。接收滤波器带宽越小，噪声影响越小，但信号失真变大。相应地，接收滤波器带宽变大则会导致较大的噪声功率，但信号失真较小。根据图1.2所示的灵敏度（误码率）曲线就可以选择“最优”带宽值。我们注意到，仿真波形可以十分近似实际系统中存在的波形。因此，将仿真波形用作实际系统中的测试信号也是可行的，就像用真实信号来“驱动”仿真部分一样。而且，这种波形级上的强对应性，便于把设备特性的测量值，例如滤波器频率响应或放大器传输特性，用在仿真中。,仿真方法：通信系统的波形级仿真3,20,仿真在通信系统工程设计的各个阶段都起着十分重要的作用，无论是从早期的概念设计，还是实现、测试、使用等各个阶段。典型的设计过程是从“概念定义”的阶段开始的。在该阶段中设计者强调顶层规范，如信息率和性能要求。任何通信系统的性能都由两个重要因素控制：信噪比（SNR）和累积信号失真量。通常，两者是相互联系的，并且相互限制。以图1.2中的系统举例来说，滤波器带宽同时影响信噪比和失真。一般，用一个链路预算的表格来跟踪所有影响信噪比SNR的因素。,仿真在通信系统设计中的应用1,21,仿真在通信系统设计中的应用2,系统设计者从备选系统和一列设计参数开始。在设计早期，通过使用简单模型和先验知识来估计信噪比和信号退化。例如，计算SNR，一个滤波器建模为一定带宽的理想低通滤波器，由实际滤波器产生的失真可以被指定一个等效的退化，比如说2.0dB信噪比。如果开始设计的备选系统达到了性能要求，那么就进行下一个阶段设计，否则备选系统的设计方法必须改变（例如，增加滤波器或者改变编码译码器），同时失真参数必须改进。,22,设计的下一个阶段是对子系统和部件的指标进一步细化，并验证信息失真。仿真在本阶段中十分重要。例如，如果一个滤波器被定为带宽-时间积为0.7的三阶Buttorworth滤波器，（我们用理想的低通滤波器代替，在链路预算中有2.0dB的信号失真），那么波形级的仿真，就可用来计算滤波器所引入的失真程度。如果通过仿真得到的值小于2.0dB，那么降低的差值就可以放宽对其他部件的性能要求。否则，多出差值就需要从其它部件性能指标中获得。仿真既灵活又有效，并且常是评价折衷研究和建立硬件研发的详细指标的惟一方法。,仿真在通信系统设计中的应用3,23,硬件设计的初始步骤包括制作和测试具有风险性和创新性技术的重要部件或子系统，这些硬件样机部件的性能测量值用来验证仿真中系统端到端性能。在这步中，仿真涉及到将要建立的部件的模型以及已经建立并且通过测试的部件的实际特性。如果仿真得到了令人满意的结果，那么就可以制作余下的部件，整个系统的样机硬件就可以进行“连接”和测试。否则，就需要修改指标，并且部分设计就要重新进行,仿真在通信系统设计中的应用4,24,一旦系统硬件样机完成，就对其进行测试，并将测试结果与仿真结果进行比较。硬件指标与仿真结果相近的程度是判断仿真是否“有效”的标准。有效的仿真模型利用关键部件的预期老化特性，可以预测系统运行的使用寿命（EOL）。有效的仿真模型还可以解决运行阶段中的问题，并且就“如果情况下”的问题给出解决方案。由此可见，仿真在通信系统生命周期中的任一环节中都起着很重要的作用：在概念定义阶段，获得顶层指标；在接下来的设计和研发中，确定硬件研发的指标，检验已完成子系统对整个系统性能的影响；在运行阶段，仿真可以用来确定解决问题的方法；直到预测系统使用寿命性能。,仿真在通信系统设计中的应用5,25,波形级的仿真是在20世纪40年代模拟计算机问世之后开始出现的，那时的计算机用来仿真飞机和武器系统中控制系统的运行情况。模拟计算机是应用于连续系统的一种模拟器，通过接线板连接到一组表示系统的框图配置中。其中的线性部件，如积分器和加法器，采用反馈直流运放实现，而非线性模块（如乘法器和三角函数），起初由机电伺服系统实现，随后用分段线性函数逼近来完成。任何一个具有常系数或时变系数、线性或非线性差分方程描述的系统，都可以转化为由模拟计算机的元件组成的结构图。根据结构图把器件用线相连，并且用适当信号来激励模型，就可以用模拟计算机仿真出线性或非线性系统的一个宽范围的动态特性。,仿真的发展历史1,26,高速数字计算机的发展以及大容量存储器的出现，使它们在仿真中得到了广泛的使用。这种发展把建模领域带入一些新的学科，例如数值分析和最优化。大动态范围的浮点数表示法把使用者从信号尺度处理这种辛苦乏味的工作解脱出来。数字仿真的总体框架起源于基于结构化的语言，它们都发展于20世纪60年代早期。这些仿真语言都是以一个元件对应一条语句为基础，来效仿模拟计算机的行为。例如，加法器由一条相加的指令取代，而积分器则由一个积分子程序代替了。元件间的内部连接由基于结构的语言来指定，就像模拟计算机的接线板和模拟计算机元件间的电连接一样。基于结构的仿真语言用了一种简单、方便的方法来描述模拟结构图。,仿真的发展历史2,27,仿真的发展历史3,用程序进行电路分析和仿真的数字计算机的应用，如在20世纪中期出现的SPICE等，促进了在数字集成技术和信号流程图的拓扑化简化领域的发展。离散时间系统和数字信号处理的发展已经把数字仿真系统推向了新的领域。在20世纪60年代晚期和70年代早期出现了基于变换领域技术（频域FFT和时域双线性z变换技术）的仿真软件包。在这个阶段，一些软件包已经发展起来，为卫星通信链路分析和设计提供帮助。可用上述软件包，在一台主机或超小型计算机上进行仿真，图形终端可用来提供有限量的交互式的预处理和后处理。,28,计算机的软硬件技术在现代已经历了重大的变化。强大的工作站和个人计算机都可以提供友好的运算环境，包括高清晰画面和图形界面。友好的用户图形框架已用在基于仿真的通信系统分析设计中。当前使用的新一代仿真软件包（SPW，COSSAP，MATLAB/SIMULINK/STATEFLOW以及其它软件）提供交互式、图形化、友好的用户框架，以便使用图形化框图表述方式开发分层仿真模型；允许用户设定和运行波形级的仿真，检查仿真的结果，并且可以迭代执行。也可以提供数据库管理，在线帮助，在线文件以及其它的服务和特征。这就减少了通信系统工程师生成和调试仿真程序的工作量，以及必须了解被仿真通信系统物理机理的一些繁琐的工作。,仿真的发展历史4,29,随着新一代仿真框架的运用，现在人们的注意力已经集中到诸如建模和仿真技术、性能的估计、计算效率这类重要的话题上，这些正是本课程主要涉及的问题。我们假设读者的主要兴趣在建模和仿真技术、问题规划，以及如何利用仿真对提出的设计方案进行分析，而不是在框架或仿真工具上。本课程的目的是为了对这些工具的使用提供理论基础。许多商业软件包，如SPW，COSSAP和MATLAB，对网络模拟器提供了界面，并可连接电路设计和其它的实现工具。,仿真的发展历史5,30,本教材主要内容分成三大部分，共18章。第一部分概论，讨论了仿真的作用和方法论。第二部分基本方法部分，主要介绍了采样定理及其在仿真中的应用、带通信号的低通表示、滤波器模型及数字滤波器的仿真、锁相环的仿真、随机数的产生、后处理、通信系统的蒙特卡罗仿真和半解析仿真以及无线通信系统的仿真方法论。第三部分高级建模与仿真方法，着重论述了非线性系统的仿真、时变系统建模、波形信道模型、离散信道模型以及高效仿真方法。这一部分还专门讨论了无线蜂窝通信系统仿真中的特殊问题，并总结性地给出了两个仿真实例。,课程概要1,课程概要2,第一部分为概论，包括两章。第1章讨论了在通信系统分析和设计过程中使用仿真的动机。指明仿真理论涉及多个传统学科领域，比如数论、概率论、随机过程以及数字信号处理等。希望同学们能体会到，学习仿真可以将许多单独领域的知识综合在一起。全书讨论了不同类型的仿真以及多个用来进行仿真的软件包。全书的一个基本主题是开发合适的仿真模型和仿真方法论。第1章和第2章对模型开发的基本概念进行了介绍。第2章在一个很高的层面上集中讨论了方法论。全书用到的许多基本概念都源自这里。,32,第二部分为基本概念与方法（第3-11章）。这是本课程的重点部分。3章主题是采样定理及其在仿真中的作用。包括量化、脉冲成形理论技术。4章主题是带通信号的正交低通信号表示。该表示法是仿真方法中的一个基本工具。非常关键，其中的方法将在全书中反复使用。5章主题是滤波器模型及数字滤波器的仿真方法。滤波器当然是带记忆的，因而仿真滤波器比仿真系统中其他功能模块需要更多的计算。因此。要获得合理的运行时间，必须有效地仿真滤波器。,课程概要3,课程概要4,6章以案例形式讨论了锁相环的仿真。研究集中考虑PLL的捕捉特性，使用非线性模型，难用传统方法分析7章主题是用来产生随机数的仿真方法。集中考虑产生具有均匀概率密度函数（pdf)的伪随机序列，包括基于伪噪声序列的线性同余方法和技术两方面。8章主题是后处理。将仿真产生的数据处理成适于可视化和分析的形式。9章介绍蒙特卡罗仿真方法。作为估计参数值的一种通用工具，还介绍了无偏和一致估计的概念，并研究了估计器的收敛性。10章专门讨论通信系统蒙特卡罗仿真和半解析仿真。11章详细讨论用于仿真缓慢变化环境下无线通信系统的方法论。强调中断概率计算，讨论几个减少仿真运行时间的半解析方法。,34,本课程教材第三部分是高级建模与仿真方法，介绍在开发高级仿真时遇到的一些专题。第12章专门讨论非线性系统仿真。强调了基于测量的模型开发，还有许多已得到广泛应用的模型。第13章讨论时变系统仿真，介绍了时变信道建模这一重要主题。第14章讨论波形信道的几个模型。用13章内容开发了多径衰落信道的模型。第15章继续研究信道模型，讨论了用符号级离散信道模型代替波形信道模型的方法。目的在于大规模降低所需的仿真运行时间。使用的工具为Baum-Welch算法和隐式