计算机仿真技术课件

1、 河北师范大学 毕 业 设 计（论 文）题 目 计算机仿真技术及其应用 学 院： 职业技术学院 专 业： 通信工程 班 级： 1班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 目录引言.课设的意义和目的.第一章 计算机仿真技术1.1 计算机仿真的发展.1.2计算机仿真的关键技术.第二章 计算机仿真理论（基本）方法. 第三章通信系统的仿真及建模 3.1 通信系统及仿真技术. 3.2 通信系统的仿真原理及框图. 3.2.1 DSB信号的模型 3.2.2 DSB信号调制过程分析 3.2.3高斯白噪声信道特性分析 3.2.4 DSB解调过程分析. 3.2.5程序设计.第四章 通信系统的仿真结果及分析4.1模拟通

2、信系统结果分析4.1.1DSB相关解调框图4.1.2 DSB相干解调波形 4.1.3 DSB在调制过程中的调制波形. 4.1.4调制解调仿真过程图形.第五章结论参考文献（References）致 谢23 关键词：仿真技术 通信应用引言 随着现代科学技术的迅速发展，计算机技术已广泛的应用于科学计算、数据处理、辅助设计、过程控制、管理决策和教育训练等各个方面。在工业部门，计算机辅助设计和辅助制造更是发挥了巨大的作用，在控制系统的分析和设计过程中，计算机辅助设计是强有力的工具。计算机辅助则是系统设计，分析各个阶段不可缺少的手段。 计算机辅助技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，

3、通过虚拟实验的方法来分析和解决问题的一门综合技术。计算机仿真早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家为估计圆周率值所进行的物理实验。 根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟-数字混合机仿真和数字机仿真三个阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟-数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主

4、流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。 随着现代通信系统的飞速发展，计算机仿真已经成为分析和设计通信系统的主要工具，在通信系统的研发和教学中具有越来越重要的意义。计算机仿真是衡量系统性能的工具，它通过构建模型运行结果来分析实物系统的性能从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。在当代社会中，信息的交换日益频繁，随着通信技术和计算机技术的发展及它们的密切结合，通信能克服对空间和时间的限制，大量的、远距离的信息传递和存取已成为可能。展望未来，通信技术正在向数字化、智能化、综合化、宽带化、个人化方向

5、迅速发展，各种新的电信业务也应运而生，正沿着信息服务多种领域广泛延伸。课题的目的意义 仿真技术是伴随着计算机技术的发展而发展的。在计算机问世以前，基于物理模型的实验一般称为“模拟”，它一般附属于其他相关科学。自从计算机特别是数学计算机出现以后，其高速计算能力和巨大的存储能力使得复杂的数值计算成为可能，计算机仿真技术得到了蓬勃的发展，从而使计算机仿真成为一门重要的学科。随着仿真应用的日益扩展，计算机仿真的外延也在延伸。如现代的各种仿真训练器：飞行器，船舶、轮机仿真训练器等，尽管在景观、声响、操纵和监控系统等方面大量地采用物理仿真，但其核心部分仍然是对系统及其各组成元件的实时计算机数学仿真。广义地

6、这些仿真也纳入了计算机仿真的范围。计算机仿真(ComputerSimulation)又称计算机模拟ComputerAnalogy)或计算机实验。所谓计算机仿真就是建立系统模型的仿真模型进而在电子计算机上对该仿真模型进行模拟实(仿真实验)研究的过程。计算机仿真方法即以计算机仿真为手段，通过仿真模型模拟实际系统的运动来认识其规律的一种研究方法。在科技飞速发展的今天，它已经成为控制系统分析、研究、设计不可或缺的重要手段。应用仿真技术可以降低控制系统的研制成本，提高实验、调试及训练过程中的安全性。给工程界和非工程界带来了巨大的社会效益和经济效益。为此，计算机仿真技术在近几十年迅速发展起来，在理论和实践

7、都取得了令人瞩目的成就，在高科技中所处的地位日益提高，受到了越来越多的关注。但是无论采用何种方法来控制，其正确可行否，还需要由实践来检验；因此，如何通过计算机仿真设计出最佳的控制规律或最佳设定值，成为人们研究各种控制系统的关键。1 计算机仿真技术 仿真技术是一门多学科的综合性技术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行动态试验，其可以再现系统的状态动态行为及性能特征，用于分析系统配置是否合理性能是否满足要求，预测系统可能存在的缺陷，为系统设计提供决策支持和科学依据。它具有经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点已经

8、成为对许多复杂系统(工程的、非工程的)进行分析、设计、试验、评估的必不可少的手段。它是以数学理论为基础以计算机和各种物理设施为设备工具利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的一门综合技术。1.1计算机仿真的发展计算机仿真技术主要是随着计算机技术、计算技术、图形图像技术、复杂系统建模技术和专业建模技术的发展而发展的。从历史上看,计算机仿真大致经历了四个发展阶段:1. 模拟试验 最原始的仿真思想，,其模型试验是基于物理模型进行的缺乏柔性和精度。 2.数字化仿真 采用计算机进行分析计算，但是计算结果表达局限于记录文件和图表上,缺乏直观形象 3.图像化仿真 大量采用丰富的图形图像技术来表达仿

9、真结果，如三维图形。4.虚拟现实技术 不光采用三维图形技术表达计算结果，而且采用特殊装置如戴上三维数据头盔触摸仪器等使人有身临其境的效果。1.2 计算机仿真的关键技术 目前，计算机仿真计算的关键技术主要包括： （1）面向对象的仿真（object-Oriented Simulation-OOS）。 其主要是将整个系统的功能设计和实现归属为对对象的操作及对象信息的彼此综合利用来实现，对象间信息的传送引起来系统的活动。 （2）分布交互仿真（Distributed Interactive Simulation-DIS）。 主要是通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互连，构成时间与空间交相耦合的虚拟仿真

10、环境。 （3）智能仿真（Intelligence Simulation-IS）。 主要是以知识为核心和人类思维行为作背景的智能技术，引入整个建模与仿真过程，构造各处基本知识的开发途径。是人工智能（如专家系统、知识工程、模式识别、神经网络等）与仿真技术（如仿真模型、仿真算法、仿真语言、仿真软件等）的集成化。 （4）人机和谐仿真。 主要包括可视化仿真、多媒体仿真、虚拟现实仿真。2 计算机仿真的理论方法 随着科学技术的进步，尤其是信息技术和计算机技术的发展，“仿真”的概念不断得以发展和完善，因此给予仿真一个清晰和明了的定义是非常困难的。但一个通俗的系统仿真的基本含义是指：构建一个实际系统的模型，对它

11、进行实验，以便理解和评价系统的各种运行策略。而这里的模型是一个广义的模型，包含数学模型、物理模型等。显然，根据模型的不同，有不同方式的仿真。系统可以分为连续时间系统和离散时间系统两大类，由于这两类系统的运动规律差异很大，描述其运动规律的模型也有很大的不同，因此，相应的仿真方法也不同，分别对应为连续时间系统仿真和离散时间系统仿真。 连续系统 连续时间系统仿真是指物理系统状态随时间连续变化的系统，一般可以用常微分方程或偏微分方程组描述。需要特别指出的是这类系统也包括用差分方程描述的离散时间系统。对于工科院校，因为主要研究的对象是工业自动化和工业过程控制，因此本教材主要介绍连续系统仿真。离散事件系统

12、 离散事件系统是指物理系统的状态在某些随机时间点上发生离散变化的系统。它与连续时间系统的主要区别在于：物理状态变化发生在随机时间点上，这种引起状态变化的行为称为“事件”，因而这类系统是由事件驱动的。离散时间系统的事件(状态)往往发生在随机时间点上，并且事件(状态)是时间的离散变量。系统的动态特性无法使用微分方程这类数学方程来描述，而只能使用事件的活动图或流程图。因此对离散事件系统的仿真的主要目的是对系统事件的行为作统计特性分析，而不像连续系统仿真的目的是对物理系统的状态轨迹作出分析。 随着现代工业的发展，科学研究的深入与计算机软、硬件的发展，仿真技术已成为分析、综合各类系统，特别是大系统的一种

13、有效研究方法和有力的研究工具。3 通信系统仿真与建模 3.1通信系统及仿真技术 计算机仿真技术首先在军事领域得到应用的，目前，仿真技术在数学制造业气象预测领域经济管理领域等都得到了广泛的应用，下面就数字化仿真在通信方面的应用进行深入探讨。 近年来，在通信系统建模的分析和仿真评估领域已经发展了大量的计算机辅助技术，这技术大体分为三大类： （1）基于理论分析的解析方法，如利用计算机对复杂的系统性能评估公式进行数值计算等； （2）结合通信系统硬件原型和测试设备的计算机辅助仿真方法，通常应用于原型系统实现的中后期和原型系统调试中； （3）基于纯软件的系统仿真方法，即首先对通信系统进行数学建模，然后通过

14、计算机来模拟系统行为，波形以及信号通过系统的过程，并对系统性能指标进行仿真测试和统计分析的一系列方法。利用系统建模和软件仿真技术，几乎可以对所有的设计细节进行分层次的建模和评估，而且模型无需针对解析分析简化，因此评价结果更加精准，更接近实际的运行情况。通信系统仿真的及基本步骤如下：（1） 建立数学模型：根据通信系统的基本原理，将整个系统简化到有源系统，确定总的系统功能，并将各部分功能模块化，找出各部分之间的关系，画出系统流程框图模型。（2） 仿真系统：根据建立的模型从SIMULINK通信模型库（MATLAB）所提供的各个字库中将所需要的单元功能模块拷贝到Untitled窗口，按系统流程框图模型

15、连接，组建要仿真的通信系统模型。（3） 设置、调整参数：参数设置包括运行系统参数设置（如系统运行时间、采样速率等）和功能模块运行参数设置（如正弦信号的频率、幅度、初相；低通滤波器的截止频率、通带增益、阻带增益、阻带衰减等）。（4） 设置观察窗口，分析仿真数据和波形：在系统模型的关键点处设置观测输出模块，用于观测仿真系统的运行情况，以便及时调整参数，分析结果。（5） 生成新的模块：对于Communication Toolbox中没有的功能模块，可以根据以掌握的技术生成所需要新的子模块，以便随时调用。通信系统的建模 通信系统的建模包括波形、系统和各种信号处理功能。多数通信内容都是可以模型化的，仿真

16、模型和分析模型从概念上讲没有区别。由于系统本身的定义并不唯一，它可以被认为是某一特定时间的某种功能实体，这个实体通常用互相连接的子系统图来描述，这就是模块图。原始系统中每一个子系统都可被认为是一个系统，并通过它的模块图来解释，直到这些模块不能被分成独立的子块时为止。 系统建模 一个通信系统就是指通信链路，建模的最高形式就是用子系统方框图表示出来，系统模型是一种拓扑结构，其仿真方框图与真实系统越接近，整个系统的精确度就越高。由于计算机效率的考虑，仿真时可以将某些子系统完全忽略，或者以简单的形式表示出来。这一思想的一个最好例证就是同步功能仿真。设备建模 一个设备在子系统层次上仅仅是一个方框图，它具

17、有设计者希望的所有功能，这里还包含一些人工设备，可能是电缆以及其他人造信道介质。 理想的模型，主要在树图的子系统分层上描述。这包含传输函数模型，意味着在每个仿真时就产生一个只与输入有关的输出规则。这个规则就是一种描述方式，比如一个方程，一组方程，一个算法或者查表。随见过程建模 系统或子系统的输入和输出都是期望和非期望的随机过程。仿真的目标都是测定有用信号的传输质量。这种测定的真实性依赖于仿真过程能够重现或描述过程的程度。一般来讲，建模的工作就是在源点“模拟”一个随机过程，如果有了好的设备模型，将该随机过程作用于输入就能够产生正确的输出序列。 即使信源和噪声源都是随机过程，在系统设计与检测中，信

18、号源经常被用作或假设为测试信号，这些测试信号都是确定的信号，例如，一个测试信号可以是正弦信号或由移位寄存器产生的数字序列，这种数字序列通常称为PN序列，当采用这种测试信号时，建模问题就没有意义了。 3.2通信系统的仿真原理及框图模拟通信系统的仿真原理 调制的作用: (1)实现信号的频谱搬移，适应在频带信道内的传输； (2)当频带信道带宽远大于信号带宽时，可以将多路基带信号调制到互不重叠的 频带上，充分利用信道带宽，实现频分复用（FDM)； (3)不同的调制方式具有不同的有效性和可靠性（如FM的可靠性好而有效性差，AM有效性好而可靠性差），可以根据需要选用合适的调制方法。3.2.1 DSB信号的

19、模型在AM信号中，载波分量并不携带信息，信息完全由边带传送。如果将载波抑制，只需在将直流去掉，即可输出抑制载波双边带信号，简称双边带信号（DSB）。DSB调制器模型如图1所示。图1 DSB调制器模型 其中，设正弦载波为式中，为载波幅度；为载波角频率；为初始相位（假定为0）。调制过程是一个频谱搬移的过程，它是将低频信号的频谱搬移到载频位置。而解调是将位于载频的信号频谱再搬回来，并且不失真地恢复出原始基带信号。双边带解调通常采用相干解调的方式，它使用一个同步解调器，即由相乘器和低通滤波器组成。在解调过程中，输入信号和噪声可以分别单独解调。相干解调的原理框图如图2所示：低通滤波器cos（）图2 相干

20、解调器的数学模型信号传输信道为高斯白噪声信道，其功率为。3.2.2 DSB信号调制过程分析假定调制信号m(t)的平均值为0，与载波相乘，即可形成DSB信号，其时域表达式为式中，m(t)的平均值为0。DSB的频谱为DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号， 需采用相干解调(同步检波)。另外，在调制信号m(t)的过零点处，高频载波相位有180的突变。除了不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的频谱完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。所以DSB信号的带宽与AM信号的带宽相同，也为基带信号带宽的两倍， 即式中，为调制信号的最高频率。 3.2

21、.3 高斯白噪声信道特性分析在实际信号传输过程中，通信系统不可避免的会遇到噪声，例如自然界中的各种电磁波噪声和设备本身产生的热噪声、散粒噪声等，它们很难被预测。而且大部分噪声为随机的高斯白噪声，所以在设计时引入噪声，才能够真正模拟实际中信号传输所遇到的问题，进而思考怎样才能在接受端更好地恢复基带信号。信道加性噪声主要取决于起伏噪声，而起伏噪声又可视为高斯白噪声，因此我在此环节将对双边带信号添加高斯白噪声来观察噪声对解调的影响情况。为了具体而全面地了解噪声的影响问题，我将分别引入大噪声（信噪比为20dB）与小噪声（信噪比为2dB）作用于双边带信号，再分别对它们进行解调，观察解调后的信号受到了怎样

22、的影响。在此过程中，我用函数randn来添加噪声，此函数功能为向信号中添加噪声功率为其方差的高斯白噪声。正弦波通过加性高斯白噪声信道后的信号为故其有用信号功率为噪声功率为信噪比满足公式则可得到公式我们可以通过这个公式方便的设置高斯白噪声的方差。3.2.4 DSB解调过程分析所谓相干解调是为了从接收的已调信号中，不失真地恢复原调制信号，要求本地载波和接收信号的载波保证同频同相。相干解调的一般数学模型如图所示。 低通滤波器图3-8 DSB相干解调模型设图四的输入为DSB信号乘法器输出为通过低通滤波器后当时，解调输出信号为3.2.5程序设计调制解调仿真过程：clf;%清除窗口中的图形ts=0.01;

23、%定义变量区间步长t0=2;%定义变量区间终止值t=-t0+0.0001:ts:t0;%定义变量区间fc=10; %给出相干载波的频率A=1; %定义输入信号幅度fa=1; %定义调制信号频率mt=A*cos(2*pi*fa.*t); %输入调制信号表达式xzb=20;%输入信噪比(dB)snr=10.(xzb/10); h,l=size(mt);%求调制信号的维数fangcha=A*A./(2*snr);%由信噪比求方差nit=sqrt(fangcha).*randn(h,l); %产生高斯白噪声snit=mt+nit; %调制信号与噪声叠加psmt=mt.*cos(2*pi*fc.*t);

24、 %输出调制信号表达式pnit=nit.*cos(2*pi*fc.*t); %输出噪声表达式psnt=psmt+pnit; %输出已调信号波形jic=psnt.*cos(2*pi*fc.*t); %调制信号乘以相干载波ht=(2*pi*fc.*sin(2*pi*fc.*t)./(2*pi*fc.*t)./pi; %低通滤波器的时域表达式htw=abs(fft(ht); %低通滤波器的频域表达式jt=conv(ht,jic); %解调信号的时域表达式subplot(3,3,1); %划分画图区间plot(t,mt,g); %画出输入信号波形title(输入信号波形);xlabel(Variabl

25、e t);ylabel(Variable mt);subplot(3,3,2);plot(t,nit,b);title(输入噪声波形);xlabel(Variable t);ylabel(Variable nit);subplot(3,3,3);plot(1:length(snit),snit,r); %length用于长度匹配title(输入信号与噪声叠加波形); %画出输入信号与噪声叠加波形xlabel(Variable t);ylabel(Variable snit);subplot(3,3,4);plot(t,psmt,k);title(输出信号波形); %画出输出信号波形xlabel

26、(Variable t);ylabel(Variable psmt);subplot(3,3,5);plot(t,pnit,k);title(输出噪声波形); %画出输出噪声波形xlabel(Variable t);ylabel(Variable pnit);subplot(3,3,6);plot(t,psnt,k);title(输出信号与输出噪声叠加波形); %画出输出信号与输出噪声叠加波形xlabel(Variable t);ylabel(Variable psnt);subplot(3,3,7);plot(1:length(htw),htw,k);title(低通滤波器频域波形); %画

27、出低通滤波器频域波形xlabel(Variable w);ylabel(Variable htw);axis(0 60 0 150);subplot(3,3,8);plot(1:length(ht),ht,k);title(低通滤波器时域波形);%画出低通滤波器时域波形xlabel(Variable t);ylabel(Variable psnt);axis(150 250 -20 25); %给出坐标轴范围subplot(3,3,9);plot(1:length(jt),jt,k);title(输出信号与输出噪声叠加波形);%画出输出信号与输出噪声叠加波形xlabel(Variable t)

28、;ylabel(Variable jt);axis(200 600 -50 50);4. 通信系统仿真结果及分析4.1 模拟通信系统结果分析Simulink仿真流程（完成的Simulink总体框图、每个模块所在位置及参数设置的说明，自定义模块的框图及参数）4.1.1 DSB相干解调框图图 4-1-1 DSB相干解调框图信号源参数设置：载波参数设置：BPF参数：LPF参数：高斯白噪声参数:信源参数参数：幅度1 频率10rad/s载波参数：幅度1 频率100rad/sBPF参数：下限频率90rad/s 上限频率110rad/sLPF参数：截止频率 10rad/s高斯白噪声参数：均值0 标准差0.0

29、14.1.2 DSB相干解调波形上：解调波形 下：信源波形图 4-1-2 DSB相干解调波形4.1.3 DSB在调制过程中的调制波形上：调制波形 下：信源波形图 4-1-3 DSB调制波形4.1.4调制解调仿真过程图形（程序）：5. 结论在本次课业设计的过程中，我对于对通信系统仿真的各个环节进行了一定范围的学习和实践，利用SIMULINK工具包分别实现模拟系统的仿真，并且在调整参数后以及输出波形和理论的比较得出以下结论：1.AM信号波形的包络与输入基带信号成正比，故用包络检波的方法很容易恢复原始调制信号。但为了保证包络检波时不发生失真，即确保使调制信号不产生相位突变，必须满足直流分量大于等于信

30、源幅度，否则将出现过调幅现象而带来失真。DSB信号的包络不再与m(t)成正比，故不能进行包络检波，需采用相干解调；除不再含有载频分量离散谱外，DSB信号的频谱与AM信号的完全相同，仍由上下对称的两个边带组成。2.相干解调的关键是必须产生一个与调制器同频同相位的载波。如果同频同相位的条件得不到满足，则会破坏原始信号的恢复。3.包络检波解调电路简单，特别是接收端不需要与发送端同频同相位的载波信号，大大降低实现难度。4.系统存在延迟，且解调后信号幅度变小，最好能对其进行放大。5.高斯白噪声模块只能模拟噪声，而不能完全替代信号环境，可以考虑使用信道模块进行替换。从接到题目到设计结束的过程中经历了很多，总的来说可以概括为以下几点。 （1）查资料，结合任务书写开题报告。拿到论题后，我和小组的成员先找相关方面的资料并对论题进行分析。接着便是看与此有关的资料，读懂这方面的知识，从而列出该设计的具体步骤。 （2）遇到困难，锲而不舍。从前在学习过程中碰见点困难就想着去找老师同学询问，这次不同的是完全由我们自己一步一步的做成，这样就提高了我们的独立思考和动手实践能力，这对我们以后不管是进入社