通信系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬第一講

1通信系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬田斌西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(lái)類比模仿現(xiàn)實(shí)過(guò)程，以尋求對(duì)真實(shí)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。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(jī)過(guò)程與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和仿真軟件為工具，對(duì)現(xiàn)實(shí)通信系統(tǒng)或未來(lái)通信系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的理論和方法。系統(tǒng)仿真由三個(gè)要素構(gòu)成：系統(tǒng)、模型和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是問(wèn)題的本源；實(shí)驗(yàn)是解決問(wèn)題達(dá)到目的的手段；系統(tǒng)模型是連接系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)之間的橋梁。計(jì)算機(jī)仿真通信系統(tǒng)仿真（模擬）基本概念4計(jì)算機(jī)仿真三個(gè)活動(dòng)：

系統(tǒng)建模、仿真建模、仿真實(shí)驗(yàn)：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(méi)有一套解答數(shù)學(xué)模型公式的方法。2．需要對(duì)系統(tǒng)或過(guò)程進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行的比較。3．系統(tǒng)還處于設(shè)計(jì)階段，并沒(méi)有真正建立起來(lái)，進(jìn)行多個(gè)方案的比較擇優(yōu)4．在真實(shí)系統(tǒng)上做實(shí)驗(yàn)會(huì)破壞系統(tǒng)的運(yùn)行。5．需做多次試驗(yàn)時(shí)，很難保證每次的操作條件都相同，因而無(wú)法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做出正確的判斷。6．試驗(yàn)費(fèi)用太大或有危險(xiǎn)性。6通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(yùn)行時(shí)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(cuò)控制、接收端的高級(jí)信號(hào)處理技術(shù)。高速數(shù)據(jù)同步要求變得更嚴(yán)格，接收機(jī)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(jì)算機(jī)仿真2計(jì)算機(jī)不僅功能強(qiáng)大，而且價(jià)格便宜計(jì)算機(jī)方法的發(fā)展另一個(gè)動(dòng)機(jī)：深入理解系統(tǒng)特性的有價(jià)值的工具。好的仿真跟在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)很類似，多點(diǎn)測(cè)量，參數(shù)研究，可以任意改動(dòng)濾波器帶寬和信噪比（SNR）等參數(shù)，而且還能很快地觀測(cè)到這些改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響。時(shí)域波形、信號(hào)譜圖、眼圖、信號(hào)星座圖、直方圖。仿真能更容易也更經(jīng)濟(jì)地對(duì)各種假設(shè)情況進(jìn)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(guò)通信原理、無(wú)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(jìn)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(hào)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(gè)符號(hào)序列dk

離散的二進(jìn)制通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)源是無(wú)記憶的，離散無(wú)記憶源調(diào)制器的作用是將源符號(hào)變換成波形發(fā)射機(jī)對(duì)調(diào)制器的輸出進(jìn)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(jìn)行精確建模的最復(fù)雜的部分（AWGN）信道。

最佳接收機(jī)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(gè)符號(hào)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(hào)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(jī)是線性的，通過(guò)分析，我們可以計(jì)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(duì)應(yīng)于最小BER的濾波器參數(shù)值。數(shù)據(jù)源為無(wú)記憶的，理想的符號(hào)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(gè)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(kāi)發(fā)出仿真代碼，這種系統(tǒng)能直接進(jìn)行分析，開(kāi)發(fā)出的仿真能很容易得到驗(yàn)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(jī)進(jìn)行修改，起點(diǎn)是正確無(wú)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(lái)的諧波與互調(diào)失真。14問(wèn)題調(diào)制器與HPA后面的濾波器導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)間擴(kuò)散從而在時(shí)間上濾波后的信號(hào)不再局限在符號(hào)周期內(nèi)，將引起符號(hào)間干擾（ISI）。在解調(diào)第個(gè)符號(hào)時(shí)必須考慮的前續(xù)符號(hào)的數(shù)目，取決于濾波器輸出信號(hào)的記憶。第個(gè)符號(hào)的差錯(cuò)概率取決于前個(gè)符號(hào)15問(wèn)題二進(jìn)制的情況，2K個(gè)長(zhǎng)度為k的不同序列AWGN信道，這個(gè)差錯(cuò)概率都是Q函數(shù)，可以直接計(jì)算每一個(gè)Q函數(shù)的值，但是計(jì)算過(guò)程很繁瑣，因而經(jīng)常會(huì)用到仿真的方法。噪聲注入點(diǎn)到統(tǒng)計(jì)量采集點(diǎn)之間的系統(tǒng)是線性的16半解獨(dú)析方頓法均值柴，無(wú)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(duì)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(jià)？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(guò)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(guò)系次統(tǒng)的標(biāo)線性趣部分上行旱鏈路歲噪聲杠通過(guò)比了系熄統(tǒng)的裳非線盯性部董分判決曉統(tǒng)計(jì)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(méi)姜有判混決統(tǒng)撞計(jì)量承的概個(gè)率密室度函退數(shù)的巨精確冒知識(shí)妙，差拆錯(cuò)概燙率就爛無(wú)法論求出顏，仿常真是燦一個(gè)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(diǎn)仿真墻問(wèn)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(shí)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(diǎn)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(lái)宅確定萄合適駐的系運(yùn)統(tǒng)參肯數(shù)值誦就必嘆須了樓解參暴數(shù)值揉的實(shí)茫際范斯圍，闊正常劣運(yùn)行文和結(jié)濟(jì)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(diǎn)數(shù)字翼信號(hào)僑處理露連續(xù)季時(shí)間該系統(tǒng)撲元器貓件（夸如濾模波器褲）的忠離散炎時(shí)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(diǎn)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(jī)懲過(guò)程抗理論數(shù)論簽開(kāi)發(fā)也隨機(jī)迎數(shù)發(fā)索生器浩的工紹具。計(jì)算蛾機(jī)科疤學(xué)表薦示信泥號(hào)采襪樣值間的字倍長(zhǎng)和優(yōu)字格戀式會(huì)請(qǐng)影響鼓仿真遇精度遣。23仿真辮的多顯學(xué)科兄特點(diǎn)估計(jì)世理論虧的工機(jī)具和稠概念傲仿真易結(jié)果壁的有逃效性巾進(jìn)行夜評(píng)估找。重復(fù)姨仿真者得出沙的數(shù)歌值每回次都篇會(huì)不崇同，撤無(wú)偏健估計(jì)小器是顏指估帥計(jì)均故值等愈于欲漿測(cè)數(shù)疲量的敗那種師估計(jì)體器，鎖一致蜓估計(jì)歐是指墾估計(jì)屢的方姻差隨頑著仿竟真時(shí)仆間增敞加而舒減小楚的那擾種估誤計(jì)。24模型建立遣仿真費(fèi)模型要點(diǎn)尾：模怒型要族足夠浮詳細(xì)愉、要多建模剝的系足統(tǒng)的耀基本繁特征割不能渠過(guò)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(shuō)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模混型，擾最后紫再到父仿真開(kāi)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(xiàng)形級(jí)裳方法束來(lái)建襯模，傍模型筑對(duì)波海形采網(wǎng)樣值痛進(jìn)行肢處理陽(yáng)?；谥狈?hào)份而非侄波形秧采樣究值的觸離散音馬爾縱可夫汪過(guò)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(jī)膜和接倘收機(jī)咬也納偵入信爛道中刻。26確定隔性與吳隨機(jī)珠性仿酸真確定殖性：狠固定勢(shì)電路地的仿駐真隨機(jī)受性去：數(shù)紐奉字通蘇信系偶統(tǒng)，鳥其接憐收信鞠號(hào)由玩發(fā)送菌信號(hào)寬和隨狗機(jī)噪夜聲疊芝加而獨(dú)成。BP支SK叉AW堵GN一個(gè)炊數(shù)而御不是腫隨機(jī)夾變量進(jìn)，接鄙收機(jī)子輸入俯端出晃現(xiàn)了諒隨機(jī)皇量（楊噪聲訓(xùn)）。分析誓和確城定性事仿真東都會(huì)猜給出個(gè)一個(gè)盲數(shù)值申結(jié)果開(kāi)，這分一點(diǎn)朋是很吩重要幅的。機(jī)每次挪作分創(chuàng)析，潮都會(huì)鑰得到皂同一晝個(gè)數(shù)勝。而蔬每次吼進(jìn)行框確定宮性仿懼真，南也會(huì)靠獲得狂相同武的結(jié)房誠(chéng)果。水而且堤這些疏隨機(jī)蟻?zhàn)兞垦降慕y(tǒng)襖計(jì)特縣性對(duì)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(gè)醫(yī)確定齡性仿蒙真的不實(shí)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(shì)對(duì)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(hào)檢指標(biāo)申的前鍵提下艷，捕慕獲信軍號(hào)所強(qiáng)需時(shí)宵間是悲鎖相接環(huán)的駕一個(gè)朵重要梁性能忌參數(shù)鍛。解警析求域解這掃個(gè)問(wèn)鎖題需妙要解肝非線悠性方嘗程。漢因此符，我田們轉(zhuǎn)勵(lì)而考腥慮仿哈真方元法。28一個(gè)薄確定售性仿區(qū)真的燙實(shí)例完全概確定樹(shù)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(gè)吃隨機(jī)囑性仿揉真的暴實(shí)例Go哥al：BE暫R蒙特止卡羅厘方法輸入培大量聰符號(hào)計(jì)算俱輸出伶的錯(cuò)朽誤符悄號(hào)誤比條特率比特希差錯(cuò)脈概率馬，誤澆碼率捷是誤莖碼概壯率的晌一個(gè)渡估計(jì)3031仿真霞（模掌擬）晃的作鐮用通信羊系統(tǒng)大設(shè)計(jì)蠻的各汁個(gè)階關(guān)段主要胡用在城性能束評(píng)估宗和設(shè)曉計(jì)權(quán)奸衡研詢究（崗參數(shù)獲優(yōu)化伙）；測(cè)試瓶過(guò)程批和基耕準(zhǔn)的蹈設(shè)定釋、生魯命終陳結(jié)預(yù)撞測(cè)、栗現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)系統(tǒng)灘布置琴后出頁(yè)現(xiàn)異躲常狀勿況的稼調(diào)查嫁。系統(tǒng)扎設(shè)計(jì)路“氣自頂飲至底呈”硬件急實(shí)現(xiàn)蘋通常喝是“漁自底社至頂守”進(jìn)霉行。32一、臘鏈路列預(yù)算廟與系掩統(tǒng)級(jí)殼標(biāo)校在過(guò)程設(shè)計(jì)沈需求癢：吞蛋吐率赴、差屠錯(cuò)率與、中忌斷概萌率以禽及對(duì)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(jí)指律標(biāo)的很參數(shù)跟值，絕比如菠功率新級(jí)、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(jí)憤標(biāo)校刃過(guò)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(shí)議滿足雀性能陷目標(biāo)寶和設(shè)慣計(jì)約假束。系統(tǒng)謎性能縮慧是信排噪比孟（SN默R或等于價(jià)地Eb/N0）和撇通信喚鏈路評(píng)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(guò)鋪程來(lái)誤確定回，鏈濱路預(yù)桑算主敘要是甩功率宗計(jì)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(guò)程因?yàn)檠獰o(wú)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(dòng)的實(shí)顆際實(shí)孫現(xiàn)會(huì)曾產(chǎn)生唉非理版想特品性，茶引起袋信號(hào)弄失真站，首話先以雙理想娘元件負(fù)計(jì)算象系統(tǒng)庫(kù)性能賣，然禍后包色括一爐項(xiàng)“舒實(shí)現(xiàn)溝損耗袖”有時(shí)漠實(shí)現(xiàn)彼損耗葵也叫瘦通信持或失指真參梳數(shù)，聲比如昨?yàn)V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(guò)來(lái)歌會(huì)影于響鏈禍路預(yù)近算。35預(yù)算逃過(guò)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(qiáng)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(jì)凡算誤陜比特羅率等茶指標(biāo)某。鏈路子預(yù)算無(wú)不封基閉或基不平恰衡，益就是井修改A級(jí)指困標(biāo)，曠實(shí)現(xiàn)餐損耗俯甚至待系統(tǒng)梢結(jié)構(gòu)點(diǎn)，并繳重作裝鏈路信預(yù)算鼠。通過(guò)捏詳細(xì)鄰的仿慶真，挺可以評(píng)精確陵估計(jì)鬧性能嗓指標(biāo)倒和驗(yàn)銷證非兩理想睛實(shí)現(xiàn)叢造成義的性堆能降盜級(jí)，旁如果標(biāo)鏈路飛預(yù)算驢通過(guò)杜仿真謊驗(yàn)證粘還是墳封閉祥的，膽就可治以進(jìn)慨入設(shè)奧計(jì)過(guò)綢程的際下一另階段36二、清關(guān)鍵鄙元件趴的實(shí)礎(chǔ)現(xiàn)與級(jí)測(cè)試新信略號(hào)處編理算戒法和錦新硬牽件，慰?jī)H造趕出了輛幾個(gè)遭關(guān)鍵在元件翻，要暑測(cè)試策整個(gè)蜻系統(tǒng)凈的硬傅件是江不可爬能的誓。仿真與將特倉(cāng)的元竟件的輝測(cè)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(yàn)乒證仿帶真模御型整個(gè)蒜系統(tǒng)孤的硬袖件原谷型以舒及與偏之對(duì)輔應(yīng)的露仿真允模型仿真草模型時(shí)包括摧仿真單中大博部分姿元件坡的測(cè)僵量特章征硬件逃原型殘上測(cè)駱出整聰個(gè)系膊統(tǒng)的巴許多姿性能別指標(biāo)蛋，還要進(jìn)行兼