通信系统建模-第一讲课件

通信系统仿真与无线应用授课教师：孙钢灿联系方式：iegcsun@

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信息工程学院

●PrinciplesofCommunicationSystemsSimulationWithWirelessApplications课程安排总学时：48学时课堂教学24学时实验24学时自学非常重要教材信息教学内容第1章仿真的作用现代通信系统仿真的必要性（仿真的动机）仿真是深入理解系统特性的强有力工具解析方法分析现代通信系统比较困难现代通信系统结构复杂系统工作的环境复杂通过仿真可以缩短通信产品的开发周期和上市时间仿真能更容易和更经济地对系统进行研究，观察各种变化对系统性能的影响第1章仿真的作用现代通信系统仿真的可行性数字计算机发展迅速、计算能力增强计算机辅助设计和分析方法发展迅速信号处理结构和技术原理完善通信软件包功能强大仿真的主要作用不在于获得数据，而在于获得对系统的深入理解-R.W.汉明1.1用仿真分析复杂系统的必要性举例例1：易于解析处理的系统Es为一个符号周期的平均能量；k取决于符号波形的相关程度；N0为单边功率谱密度Fig.1.1Analyticallytractablecommunicationssystem例1中的系统易于解析处理的原因：信源为离散无记忆信源信道为AWGN（加性高斯白噪声）信道接收机为线性接收机能够实现理想的符号同步易于解析处理的系统是为复杂系统建模的基础例2：解析处理繁杂的系统假定采用二进制调制，各符号等概出现，由滤波器引入的符号长度为k，则可以计算出符号的出错概率PEFig.1.2Analyticallytediouscommunicationssystem例3：难以解析处理的系统Fig.1.3Analyticallyintractablecommunicationssystem1.2仿真的多学科性1.3系统仿真模型的建立模型描述系统的输入输出关系，是物理元器件或系统的抽象数学模型（解析模型）仿真模型建立系统的仿真模型要考虑仿真的精度、复杂度和计算量等因素模型要足够详细，以保持系统的基本特征模型不能过于复杂，运用模型仅需要适度的计算机资源开销模型的抽象程度模型的复杂度1.4确定性仿真和随机性仿真确定性仿真输入为确定信号，每次运行仿真都会得到相同的结果（电路的SPICE仿真）采用传统的方法（字和笔）求解，会得到同样的波形采用确定性仿真是为了节省时间、避免冗长计算产生错误随机性仿真输入信号为随机信号仿真结果是一个随机变量或随机过程确定性仿真举例锁相环模型锁相环的捕获特性仿真结果随机性仿真举例蒙特卡罗仿真结果误符号率符号错误概率1.5仿真的作用仿真广泛应用于系统设计过程中可用于性能评估和参数优化还可用于测试、测量、设置基准、生命周期预测、系统配置以及故障检测R.W.汉明指出：仿真的主要作用不在于获得数据，而在于获得对系统的深入理解仿真在系统设计过程中的应用通信系统仿真的发展历史及现状

20世纪40年代，模拟计算机发明，开始了连续系统的波形级仿真，最先用于仿真飞行器和武器系统中的控制系统；20年代60年代初期，随着高速数字计算机和大容量存储器的发展，出现了利用面向程序块语言（MIDAS，SCADS和CSMP）的数字仿真技术，这些仿真语言逐部件（component-by-component)仿真模拟计算机的行为；20世纪60年代末70年代初，随着离散时间系统和数字信号处理技术的发展，出现了基于变换域（用于频域的FFT，用于时域的双线性Z变换）技术的仿真软件包（SYSTID,CSMP,CHAMP,LINK等）；近10余年来，计算机软件和硬件都有了很大发展。高性能工作站和个人PC提供了功能强大、界面友好的计算环境。新一代通信仿真工具软件包提供了使用图形块表示、分层设计的强大的仿真功能，这些工具包还提供了在线帮助、数据库管理等功能。这些仿真软件减轻了通信系统工程师编写和调试程序的负担，使他们的注意力集中于建模与仿真技术、性能评价以及计算有效性等方面。

当前流行的通信系统仿真软件包本课程使用MATLAB本课程将使用MATLAB来阐明概念、求解问题并进行仿真示例MATLAB正在工程界得到广泛使用MATLAB把优秀的计算能力和易用的图形功能完美地结合起来MATLAB包括丰富的预编成库函数MATLAB代码简练参考书目参考书目其它问题无论何时都不要认为仿真可以替代传统的分析或硬件测量与分析和测量联合使用，仿真的功能才最为强大为了保证仿真结果合理，必须分析理解性能参数与系统参数的基本依存关系测量结果能够验证仿真的正确性第2章仿真方法论仿真是一门科学，部分问题能够进行定量处理仿真是一门艺术，仿真中涉及到的许多问题都是不能定量处理的仿真模型的建立并不是唯一的系统级性能评估时，要考虑多种因素的折衷，比如计算复杂度和计算精度的折衷难以将仿真方法表述为一组独立的规则和算法，仿真方法具有探索性解决仿真问题的非定量仿真方法统称为仿真方法论仿真的基本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下面根据介绍上述每一步中用到的仿真方法论将问题映射到仿真模型用方框图清楚地表述仿真问题和目的最初的方框图要包含“所有能想到的东西”，即包含尽可能多的细节最终的仿真模型通过简化初始方框图产生从方框图到仿真模型的主要方法分层表示法（HierarchicalRepresentation）分类法和条件法（PartitioningandConditioning）简化法和近似法（SimplificationsandApproximations）分层表示法分层表示法是建模、软件设计和其它应用中降低复杂度和计算量的常用方法系统的分层表示不是唯一的层数不唯一层的定义不唯一分层表示系统模型时，位于较低层的模块包含的细节越多；越高层的模块越抽象，刻画模型所需要的参数越少，因此越容易验证分层表示系统时，可以把系统分解到不能再分解或者不必要再分解为止通信系统的分层表示法Fig.2.1通信系统的系统级模型通信系统的分层表示法分类法和条件法分类法：将复杂问题划分为一组相互关联但独立的问题，这些问题可先单独解决然后再联合起来处理有利于降低复杂度和计算量分类法是对分层表示法中已经分层的同层模块的分类条件法与分类法类似，它固定系统同层某模块的条件或状态，并在不同条件和不同状态下仿真系统的其余模块分类法将整个问题细分为几个部分；条件法可指导我们对问题进行分类，并帮助我们对结果进行整合简化法和近似法初始方框图模型中包含了尽可能多的细节，必须使用一系列方法来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大影响的模块，比如信道为缓慢时变信道时，在高信噪比的情况下，性能估计时可以忽略同步的影响，因此图2.1的方框图中可以删去时钟恢复和载波恢复部分把系统近似为线性时不变系统（举例：收发天线都是固定的无线信道下BER的估计问题）用线性系统原理简化方框图（使用传递函数的乘法和加法将几个串联和并联模块和并为一个模块）单个模块的建模(2.2.2)低通等效表示采样线性与非线性模型时不变性记忆性时域和频域仿真块处理变步长处理参数确定与其它模块的接口随机过程建模与仿真(2.2.3)高斯近似等效过程表示慢过程和快过程仿真期间不产生慢过程的采样多速率采样性能估计中的方法论(2.3)性能估计中的方法论(2.3)数字通信系统的差错概率估计假设系统理想同步，因此图中不包括同步模块这里只关注系统中未编码的差错概率，因此省去编码模块假设信道是慢时变或准静态的，且在均衡器权系数收敛后其数值“固定”不变系统的误比特率性能可用一个随机比特序列作为调制器输入来仿真，模型中不必包含真实的数据源、源译码器、差错控制编码器和交织器（这些模块的最终