通信系統(tǒng)的計算機模擬第一講

1通信系統(tǒng)的計算機模擬田斌西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國家重點實驗室2引論模擬（仿真）？Simulation/emulation仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實過程，以尋求對真實過程的認(rèn)識。它所遵循的基本原則是相似性原理。RepresentationoftheoperationorfeaturesofoneprocessorsystemthroughtheuseofanotherComputerScienceToimitatethefunctionof(anothersystem),asbymodificationstohardwareorsoftwarethatallowtheimitatingsystemtoacceptthesamedata,executethesameprograms,andachievethesameresultsastheimitatedsystem.模擬：上層的、軟件的仿真：底層的、硬件的3以通信系統(tǒng)理論、隨機過程與統(tǒng)計學(xué)理論和優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計算機和仿真軟件為工具，對現(xiàn)實通信系統(tǒng)或未來通信系統(tǒng)進行實驗研究的理論和方法。系統(tǒng)仿真由三個要素構(gòu)成：系統(tǒng)、模型和實驗系統(tǒng)是問題的本源；實驗是解決問題達到目的的手段；系統(tǒng)模型是連接系統(tǒng)和實驗之間的橋梁。計算機仿真通信系統(tǒng)仿真（模擬）基本概念4計算機仿真三個活動：

系統(tǒng)建模、仿真建模、仿真實驗：5應(yīng)用系統(tǒng)仿真的情況

“最后的方法”1．不存在完整的數(shù)學(xué)公式，或者還沒有一套解答數(shù)學(xué)模型公式的方法。2．需要對系統(tǒng)或過程進行長期運行的比較。3．系統(tǒng)還處于設(shè)計階段，并沒有真正建立起來，進行多個方案的比較擇優(yōu)4．在真實系統(tǒng)上做實驗會破壞系統(tǒng)的運行。5．需做多次試驗時，很難保證每次的操作條件都相同，因而無法對試驗結(jié)果做出正確的判斷。6．試驗費用太大或有危險性。6通信系統(tǒng)計算機仿真1現(xiàn)代通信系統(tǒng)的復(fù)雜性通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運行時所處的環(huán)境系統(tǒng)特性：功率和帶寬有限系統(tǒng)要求：高速數(shù)據(jù)互相矛盾復(fù)雜的調(diào)制和脈沖成形技術(shù)，差錯控制、接收端的高級信號處理技術(shù)。高速數(shù)據(jù)同步要求變得更嚴(yán)格，接收機也更復(fù)雜更惡劣的環(huán)境中，多跳非線性放大器干擾多徑和陰影衰落。不能夠解析處理7通信系統(tǒng)計算機仿真2計算機不僅功能強大，而且價格便宜計算機方法的發(fā)展另一個動機：深入理解系統(tǒng)特性的有價值的工具。好的仿真跟在實驗室實現(xiàn)一個系統(tǒng)很類似，多點測量，參數(shù)研究，可以任意改動濾波器帶寬和信噪比（SNR）等參數(shù)，而且還能很快地觀測到這些改變對系統(tǒng)性能的影響。時域波形、信號譜圖、眼圖、信號星座圖、直方圖。仿真能更容易也更經(jīng)濟地對各種假設(shè)情況進行研究，仿真的主要作用不在于獲得數(shù)值而在于獲得深入的理解。8這門課程前面的原因：仿真的好處與重要性已經(jīng)學(xué)習(xí)過通信原理、無線通信、matlab，還有必要嗎？仿真的可信度？仿真的基本概念假輿馬者非利足也而致千里假舟楫者非能水也而絕江河君子生非異也善假于物也?莊子進入科研研究的需要選題、仿真、硬件等定位物理層和通信信號處理9

復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)數(shù)據(jù)源產(chǎn)生一個符號序列dk

離散的二進制通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)源是無記憶的，離散無記憶源調(diào)制器的作用是將源符號變換成波形發(fā)射機對調(diào)制器的輸出進行放大10復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)信道是系統(tǒng)中需要進行精確建模的最復(fù)雜的部分（AWGN）信道。

最佳接收機匹配濾波器輸出采樣判決易于解析處理的11復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)表示一個符號周期內(nèi)的平均能量，跟波形集合相關(guān)聯(lián)，為加性信道噪聲的單邊功率譜密度K:參數(shù)取決于波形的相關(guān)程度。FSK,K=1PSK相差為弧度，使得信號為逆相關(guān)，k=212為什么該系統(tǒng)是易于解析處理的？AWGN信道接收機是線性的，通過分析，我們可以計算出作為接收端濾波器參數(shù)函數(shù)的誤比特率（BER），并可求出對應(yīng)于最小BER的濾波器參數(shù)值。數(shù)據(jù)源為無記憶的，理想的符號同步。仿真易于解析處理的系統(tǒng)是否也有作用呢？很可能是一個更復(fù)雜的系統(tǒng)的基本構(gòu)成模塊。易于解析處理的系統(tǒng)，可以開發(fā)出仿真代碼，這種系統(tǒng)能直接進行分析，開發(fā)出的仿真能很容易得到驗證?？梢愿鶕?jù)待研究系統(tǒng)的建模需求，數(shù)據(jù)源、調(diào)制器、信道或接收機進行修改，起點是正確無誤的。13需繁瑣解析處理的系統(tǒng)非線性放大器諧波與交調(diào)失真，頻譜拓展帶通濾波器，中心頻率等于所期望的載波頻率，作用就是減少非線性帶來的諧波與互調(diào)失真。14問題調(diào)制器與HPA后面的濾波器導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號時間擴散從而在時間上濾波后的信號不再局限在符號周期內(nèi)，將引起符號間干擾（ISI）。在解調(diào)第個符號時必須考慮的前續(xù)符號的數(shù)目，取決于濾波器輸出信號的記憶。第個符號的差錯概率取決于前個符號15問題二進制的情況，2K個長度為k的不同序列AWGN信道，這個差錯概率都是Q函數(shù)，可以直接計算每一個Q函數(shù)的值，但是計算過程很繁瑣，因而經(jīng)常會用到仿真的方法。噪聲注入點到統(tǒng)計量采集點之間的系統(tǒng)是線性的16半解獨析方頓法均值柴，無勞噪聲鋒仿真稀確定方差泊：解秀析確絡(luò)定17難以園解析臂處理奸的系僑統(tǒng)兩（知單）腎跳衛(wèi)親星通坑信系丑統(tǒng)衛(wèi)星秒轉(zhuǎn)發(fā)更器建把模非番線性禮大功固率放叮大器筒（HP耽A），包濾波對器濾處掉非黑線性球造成咬的帶乏外諧膛波失劣真衛(wèi)炸星信憐道模蒸型上行醒鏈路笨和下故行鏈餅路噪租聲18wh而y難以笛解析監(jiān)處理價？即使廊假設(shè)順上行蒸鏈路設(shè)和下廈行鏈陪路噪攻聲都戰(zhàn)是高想斯過吹程，編接收脹端的葬噪聲夫還是姿很難群確定下行協(xié)鏈路詞噪聲斑只通痰過系次統(tǒng)的標(biāo)線性趣部分上行旱鏈路歲噪聲杠通過比了系熄統(tǒng)的裳非線盯性部董分判決曉統(tǒng)計準(zhǔn)量的奸概率免密度皂函數(shù)藏還是喘很難橫確定碎，沒姜有判混決統(tǒng)撞計量承的概個率密室度函退數(shù)的巨精確冒知識妙，差拆錯概燙率就爛無法論求出顏，仿常真是燦一個鎮(zhèn)必備閱的基球本工賠具。19仿真扯的多耀學(xué)科堆特點仿真墻問題槐理論百框架線性昏系統(tǒng)禽理論爹確定儉線性習(xí)系統(tǒng)捎輸入社輸出政關(guān)系支的方竊法，填時域犁（系啄統(tǒng)沖備激響逝應(yīng)）沫和頻寶域（檢系統(tǒng)惡傳遞展函數(shù)陡）表煌示系極統(tǒng)模該型。20仿真仗的多包學(xué)科銅特點通信痰原理刷理解桂系統(tǒng)切結(jié)構(gòu)津、旅仿真融可以昂用來宅確定萄合適駐的系運統(tǒng)參肯數(shù)值誦就必嘆須了樓解參暴數(shù)值揉的實茫際范斯圍，闊正常劣運行文和結(jié)濟果的提合理褲性，這深入慮理解掃適當(dāng)副的系飾統(tǒng)特囑性也腦很有掌必要穩(wěn)。21仿真鏡的多多學(xué)科盜特點數(shù)字翼信號僑處理露連續(xù)季時間該系統(tǒng)撲元器貓件（夸如濾模波器褲）的忠離散炎時間梁近似梁組成侄。數(shù)值愧分析22仿真慘的多同學(xué)科網(wǎng)特點數(shù)值枝分析泊和DS產(chǎn)P密切厲相關(guān)竄，數(shù)兵值積臂分，萍曲線令擬和概率恨通信津系統(tǒng)熔的性分能指孝標(biāo)通躍常以委概率埋形式聾表示率。隨機懲過程抗理論數(shù)論簽開發(fā)也隨機迎數(shù)發(fā)索生器浩的工紹具。計算蛾機科疤學(xué)表薦示信泥號采襪樣值間的字倍長和優(yōu)字格戀式會請影響鼓仿真遇精度遣。23仿真辮的多顯學(xué)科兄特點估計世理論虧的工機具和稠概念傲仿真易結(jié)果壁的有逃效性巾進行夜評估找。重復(fù)姨仿真者得出沙的數(shù)歌值每回次都篇會不崇同，撤無偏健估計小器是顏指估帥計均故值等愈于欲漿測數(shù)疲量的敗那種師估計體器，鎖一致蜓估計歐是指墾估計屢的方姻差隨頑著仿竟真時仆間增敞加而舒減小楚的那擾種估誤計。24模型建立遣仿真費模型要點尾：模怒型要族足夠浮詳細愉、要多建模剝的系足統(tǒng)的耀基本繁特征割不能渠過于吸復(fù)雜作?？紤]政解析氧模型類和仿婚真模置型這鑼兩種駱不同命類型鍋的模匹型是說有益粒的。肝建模鵲的首炭要和核最重系要的屋步驟侮是確徐定模從型要邊描述益的物乳理元劫器件日的特棒征和習(xí)工作引特性撤，解悲析模通型以稿方程罵或方右程組名的形竭式給蓮出。從物蹈理元唇器件膛到解委析?；煨?，擾最后紫再到父仿真開模型焦，抽魯象程繁度依睬次增穩(wěn)加。25模型不同槐抽象另程度花的模鐮型，考慮首信道業(yè)模型黃，我各們將磚看到渠信道紛可以逢用波項形級裳方法束來建襯模，傍模型筑對波海形采網(wǎng)樣值痛進行肢處理陽。基于直符號份而非侄波形秧采樣究值的觸離散音馬爾縱可夫汪過程累，馬躬爾可院夫信撲道模西型通梢常還怖將調(diào)侄制器僅、發(fā)架射機膜和接倘收機咬也納偵入信爛道中刻。26確定隔性與吳隨機珠性仿酸真確定殖性：狠固定勢電路地的仿駐真隨機受性去：數(shù)紐奉字通蘇信系偶統(tǒng)，鳥其接憐收信鞠號由玩發(fā)送菌信號寬和隨狗機噪夜聲疊芝加而獨成。BP支SK叉AW堵GN一個炊數(shù)而御不是腫隨機夾變量進，接鄙收機子輸入俯端出晃現(xiàn)了諒隨機皇量（楊噪聲訓(xùn)）。分析誓和確城定性事仿真東都會猜給出個一個盲數(shù)值申結(jié)果開，這分一點朋是很吩重要幅的。機每次挪作分創(chuàng)析，潮都會鑰得到皂同一晝個數(shù)勝。而蔬每次吼進行框確定宮性仿懼真，南也會靠獲得狂相同武的結(jié)房誠果。水而且堤這些疏隨機蟻變量呀的統(tǒng)襖計特縣性對遙確定影仿真籍結(jié)果篩的質(zhì)登量非仗常重企要。27一個醫(yī)確定齡性仿蒙真的不實例完全溉確定女性仿教真是謹(jǐn)深入翼理解控通信囑系統(tǒng)常工作柴特性守的重扔要工豆具由于榆鑒相梳器的部非線責(zé)性特偏性，呀在捕州獲模溜式下勢對鎖深相環(huán)坑作分罵析很改復(fù)雜震。在給食定各慣種環(huán)皇路參芹數(shù)和慘輸入啦信號檢指標(biāo)申的前鍵提下艷，捕慕獲信軍號所強需時宵間是悲鎖相接環(huán)的駕一個朵重要梁性能忌參數(shù)鍛。解警析求域解這掃個問鎖題需妙要解肝非線悠性方嘗程。漢因此符，我田們轉(zhuǎn)勵而考腥慮仿哈真方元法。28一個薄確定售性仿區(qū)真的燙實例完全概確定樹性仿跌真是解深入給理解復(fù)通信戲系統(tǒng)艦工作冠特性跨的重訴要工嬸具5H亡z阻尼猴因子0.兼70正729一個吃隨機囑性仿揉真的暴實例Go哥al：BE暫R蒙特止卡羅厘方法輸入培大量聰符號計算俱輸出伶的錯朽誤符悄號誤比條特率比特希差錯脈概率馬，誤澆碼率捷是誤莖碼概壯率的晌一個渡估計3031仿真霞（模掌擬）晃的作鐮用通信羊系統(tǒng)大設(shè)計蠻的各汁個階關(guān)段主要胡用在城性能束評估宗和設(shè)曉計權(quán)奸衡研詢究（崗參數(shù)獲優(yōu)化伙）；測試瓶過程批和基耕準(zhǔn)的蹈設(shè)定釋、生魯命終陳結(jié)預(yù)撞測、栗現(xiàn)場嚴(yán)系統(tǒng)灘布置琴后出頁現(xiàn)異躲常狀勿況的稼調(diào)查嫁。系統(tǒng)扎設(shè)計路“氣自頂飲至底呈”硬件急實現(xiàn)蘋通常喝是“漁自底社至頂守”進霉行。32一、臘鏈路列預(yù)算廟與系掩統(tǒng)級殼標(biāo)校在過程設(shè)計沈需求癢：吞蛋吐率赴、差屠錯率與、中忌斷概萌率以禽及對添帶寬饑、功幅率、址重量尼、復(fù)段雜度/成本紹、系門統(tǒng)預(yù)新期工濕作的桌信道孫和系胸統(tǒng)生怪命周歉期等的的約仙束?；久拍罘担赫{(diào)容制方線式、災(zāi)編碼漠與均曬衡技縣術(shù)（除如果盒有必傳要）確定還指標(biāo)愧：A級指律標(biāo)的很參數(shù)跟值，絕比如菠功率新級、須帶寬廊和調(diào)虧制指粉數(shù)。33一、坊鏈路邀預(yù)算條與系俊統(tǒng)級憤標(biāo)校刃過程目標(biāo)賊是確兵定系尚統(tǒng)拓蘿撲結(jié)娃構(gòu)和竭參數(shù)逗值，曉以便旨同時議滿足雀性能陷目標(biāo)寶和設(shè)慣計約假束。系統(tǒng)謎性能縮慧是信排噪比孟（SN默R或等于價地Eb/N0）和撇通信喚鏈路評中所陜有元神件引胡入的架總失添真的溜函數(shù)訪。鏈路膏預(yù)算蝴的過鋪程來誤確定回，鏈濱路預(yù)桑算主敘要是甩功率宗計算癢，要出考慮城發(fā)送枯功率橡、天蝕線增板益、酸路徑料損耗錦、功欄率增應(yīng)益以銀及放蔽大器盈和濾隙波器證的噪墨聲S/做N或范鐘圍。34預(yù)算寶過程因為血無法局制造童理想難元件嘴，放嘴大器針和濾妙波器傷等元益器件動的實顆際實孫現(xiàn)會曾產(chǎn)生唉非理版想特品性，茶引起袋信號弄失真站，首話先以雙理想娘元件負(fù)計算象系統(tǒng)庫性能賣，然禍后包色括一爐項“舒實現(xiàn)溝損耗袖”有時漠實現(xiàn)彼損耗葵也叫瘦通信持或失指真參梳數(shù)，聲比如昨濾波誦器帶月寬，鍬可能嶼影響謙系統(tǒng)縮慧中多蕉處噪月聲的伶功率館，這惠又反再過來歌會影于響鏈禍路預(yù)近算。35預(yù)算逃過程封閉寬的、遼平衡匙的？系統(tǒng)鬧性能蜜指標(biāo)面，模打擬系銅統(tǒng)均折方誤皮差作叼數(shù)字企系統(tǒng)伍的典強型性侄能指俗標(biāo)是班誤碼格率，鑄理想糞系統(tǒng)亞的公蒜式計凡算誤陜比特羅率等茶指標(biāo)某。鏈路子預(yù)算無不封基閉或基不平恰衡，益就是井修改A級指困標(biāo)，曠實現(xiàn)餐損耗俯甚至待系統(tǒng)梢結(jié)構(gòu)點，并繳重作裝鏈路信預(yù)算鼠。通過捏詳細鄰的仿慶真，挺可以評精確陵估計鬧性能嗓指標(biāo)倒和驗銷證非兩理想睛實現(xiàn)叢造成義的性堆能降盜級，旁如果標(biāo)鏈路飛預(yù)算驢通過杜仿真謊驗證粘還是墳封閉祥的，膽就可治以進慨入設(shè)奧計過綢程的際下一另階段36二、清關(guān)鍵鄙元件趴的實礎(chǔ)現(xiàn)與級測試新信略號處編理算戒法和錦新硬牽件，慰僅造趕出了輛幾個遭關(guān)鍵在元件翻，要暑測試策整個蜻系統(tǒng)凈的硬傅件是江不可爬能的誓。仿真與將特倉的元竟件的輝測量滋特性硬代入黎該元摧件的奧仿真海模型AM到AM和AM到PM的傳腔輸特醫(yī)性。37三、辰完成公硬件候原型埋與驗乒證仿帶真模御型整個蒜系統(tǒng)孤的硬袖件原谷型以舒及與偏之對輔應(yīng)的露仿真允模型仿真草模型時包括摧仿真單中大博部分姿元件坡的測僵量特章征硬件逃原型殘上測駱出整聰個系膊統(tǒng)的巴許多姿性能別指標(biāo)蛋，還要進行兼