通信系统建模与仿真01

1.6 系统建模仿真方法与仿真工具
现代仿真平台和编程语言环境的基本特征
简便高效的仿真描述语言。 层次化和模块化建模的能力。 可视化的建模方式。 软件硬件协同仿真的能力。 交互性和图形环境。 跨平台和可移植性。
1.6 系统建模仿真方法与仿真工具
仿真环境的构成和要求
模块库。 模块编辑和配置器。 仿真管理器。 后处理部分。 文件和数据库管理。 帮助文档。
1.3 通信系统模型的分类
1 按照系统层次分类
通信系统的最高层次描述是通信网络层次
可以进行对节点信息处理标准，通信协议以及通 信链路拓扑结构的设计和验证工作。
在网络层次之下，是对通信节点和链路以 及传输信号的具体化，称为链路层次模型。
通过对输入输出波形或符号的仿真，来验证链路 设计是否满足由网络层次仿真所要求的链路质量 指标。
强大的计算机辅助分析与设计工具和 系统仿真方法作为将新的技术理论成 果转换为实际产品的高效而低成本途 径越来越受到业界的青睐。
1.1 通信系统仿真的现实意义
其他应用领域
建筑/城市规划 交通
医学
1.1 通信系统仿真的现实意义
军事领域
武器装备研制 军事训练
工业领域
电力工业 制造业
1.3 通信系统模型的分类
3 按照系统特征分类
恒参系统 变参系统或时变系统 确定系统 随机系统 无记忆系统 有记忆系统或动态系统
1.4 通信系统仿真的方法
1 基于动态系统模型的状态方程求解 方法
所谓动态系统建模，就是根据研究对象的 物理模型找出相应的状态方程的过程。
所谓对动态系统的仿真，就是利用计算机 来对所得出的状态方程进行数值求解的过 程。
第一章 通信系统仿真的原理和方法论
1.1 通信系统仿真的现实意义 1.2 计算机仿真的过程 1.3 通信系统模型的分类 1.4 通信系统仿真的方法 1.5 通信系统仿真的优点和局限性 1.6 系统建模仿真方法与仿真工具
1.1 通信系统仿真的现实意义
随着数字通信技术的发展，特别是与 计算机技术的相互融合，通信系统和 信号处理技术变得越来越复杂。
1.4 通信系统仿真的方法
1.4 通信系统仿真的方法
1.5 通信系统仿真的优点和局限性
优点：
难以使用解析法求解的情况下系统仿真手段就成 为了一个极为有效的工具。
利用仿真技术往往可以绕过艰深的甚至是不可能 的数学解析求解，而较为轻易地获得问题的数值 结果。
在对现代通信系统新协议、新算法和新的体系结 构的设计和性能评估中，只能通过仿真来检验所 考察的对象，以验证有关的假设，评价算法的性 能。
建模和仿真过程
建立系统数学模型或仿真模型。 编写系统的计算机仿真模型。 求解。 分析。
1.2 计算机仿真的过程
关键问题：
求解算法 算法的改进 简化系统模型
1.2 计算机仿真的过程
二、计算机仿真的一般过程
建立计算机程序（层次化的）。 执行仿真。 对仿真模型和仿真结果的检验。
通信系统建模与仿真
电子与信息工程学院 宦海
概述
教科书：
Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析 邵玉斌编著
课时安排
讲课：28学时 上机：20学时
考察方法
平时：20% 实验：30% 考试：50%
主要学习内容
系统建模与仿真的概述 Matlab软件的操作方法 Simulink模块的使用方法 基本通信模块的建模与分析 构建通信系统的仿真模型 模拟通信系统的建模仿真 模拟信号数字化 数字通信系统的建模仿真
t
v(t)dt
t0
t atdt 1 at 2
t0
2
1.2 计算机仿真的过程
（3）根据数学模型建立计算机仿真模 型（编程）
v(t dt) v(t) dv v(t) adt
s(t dt) s(t) ds s(t) v(t)dt
1.2 计算机仿真的过程
1.2 计算机仿真的过程
1.4 通信系统仿真的方法
2 基于概率模型的蒙特卡罗方法
蒙特卡罗（Monte Carlo）方法是一种基 于随机试验和统计计算的数值方法，也称 计算机随机模拟方法或统计模拟方法。
蒙特卡罗方法的数学基础是概率论中的大 数定理和中心极限定理。
1.4 通信系统仿真的方法
应用蒙特卡罗方法主要有两部分工作
1.4 通信系统仿真的方法
〔实例1.2〕对乒乓球的弹跳过程进行 仿真。忽略空气对球的影响，乒乓球 垂直下落，落点为光滑的水平面，乒 乓球接触落点立即反弹。如果不考虑 弹跳中的能量损耗，则反弹前后的瞬 时速率不变，但方向相反。如果考虑 撞击损耗，则反弹速率有所降低。我 们希望通过仿真得出乒乓球位移随时 间变化的关系曲线
1.4 通信系统仿真的方法
3 混合方法
仿真中同时使用了基于数值计算的状态方 程求解方法和基于统计计算的蒙特卡罗方 法, 称为混合方法。
由于通信系统是一种工作在随机噪声环境 下的动态系统，所以一般的对通信系统的 仿真方法就是一种确定方程求解与统计计 算相互结合的混合方法。
1.4 通信系统仿真的方法
1.6 系统建模仿真方法与仿真工具
常用仿真工具的选择
网络层次的建模：
OPNET， NS
链路层次的仿真：
Matlab/Simulink，Systemview，Scilab以及 C， C++
电路实现层次的仿真：
Spice，VHDL
MATLAB 界面友好性 主要是代码 拓扑结构配置 主要是代码
仿真技术也是理解原理，验证理论，进行探索和 发现的有效途径。
1.5 通信系统仿真的优点和局限性
局限性：
模型的建立、验证和确认比较困难。 对实际系统的建模的原理和方法不当使得与实际
系统的差别较大。 建模过程中忽略了部分次要因素，使得模型仿真
结果偏离实际系统。 仿真试验时间太短。给结果分析带来较大误差。 随机变量的概率分布类型或参数选取不当。 仿真输出结果的统计误差。 计算机字长、编码和应用算法也会影响仿真结果。
支持的构件库 丰富的工具箱
执行效率
低
主要应用场合 科学计算，矩 阵运算
入门难度
一般
使用成本
较高
OPNET GUI、代码 G仿 真 较难 高
NS2
Tcl script Tcl script代码编 程 丰富的组件模块 较高
网络协议仿真、 IP网络 难 免费
通过仿真技术和方法，我们可以有效地将数学分 析模型和经验模型结合起来。
利用系统仿真方法，可以迅速构建一个通信系统 模型，提供一个便捷，高效和精确的评估平台。
1.2 计算机仿真的过程
一、系统仿真的数学基础
仿真的定义：
仿真也称为模拟，在本质上，系统的计算机仿真 就是根据物理系统的运行原理建立相应的数学描 述并进行计算机数值求解的过程。
汽车行业
1.1 通信系统仿真的现实意义
计算机辅助技术可划分为三大类：
基于理论分析的解析方法 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 基于纯软件的系统仿真的方法
1.1 通信系统仿真的现实意义
建模和仿真的作用和意义：
利用系统建模和软件仿真技术，我们几乎可以对 所有的设计细节进行分层次的建模和评估。
〔实例1.4〕实际物理试验中，当我们 让一个乒乓球垂直下落到一个完全水 平的玻璃板上后，乒乓球不断弹跳， 直到能量耗尽。我们要建立更加接近 真实的物理环境的弹跳模型，就必须 考虑被忽视的微小的扰动因素, 根据 大数定理，在数学上我们就可以将水 平作用力建模为一个高斯随机变量。 我们将实例1.2推广到三维空间中的情 况。
1.4 通信系统仿真的方法
数学模型
下落时
v(t dt) v(t) dv v(t) gdt
y(t dt) y(t) dy y(t) v(t)dt
反弹瞬间
v(t dt) Kv(t) gdt
y(t dt) y(t) Kv(t)dt Kv(t)dt
1.4 通信系统仿真的方法
仿真验证包含以下方面内容：
对仿真数学模型有效性的验证。 对计算机仿真模型（程序）的验证。 对仿真算法的验证。 仿真结果置信度分析
1.2 计算机仿真的过程
1.2 计算机仿真的过程
〔实例1.1〕试对空气中在重力作用下 不同质量物体的下落过程进行建模和 仿真。已知重力加速度 g 9.8m/s2，在 初始时刻 t0 0s时物体由静止开始坠落。 空气对落体的影响可以忽略不计。
用蒙特卡罗方法模拟某一过程时，产生所 需要的各种概率分布的随机变量。
用统计方法把模型的数字特征估计出来， 从而得到问题的数值解，即仿真结果。
1.4 通信系统仿真的方法
〔实例1.3〕试用蒙特卡罗方法求出半 径为1的圆的面积。并与理论值对比。
SC pS
1.4 通信系统仿真的方法
1.4 通信系统仿真的方法
1.2 计算机仿真的过程
（1）建立数学模型
a dv dt
v ds dt
初始条件
v(t0 ) 0 s(t0 ) 0
F ma
1.2 计算机仿真的过程
（2）数学模型的解析分析
t
v(t) v(t0 ) t0 adt v(t0 ) a(t t0 ) at
s(t0 ) s(t0 )
电路实现层次的模型。
电路实现层次的仿真器，用来设计和验证电路系 统是否达到了链路层次系统所要求的功能指标。
1.3 通信系统模型的分类
2 按照信号类型分类
根据函数类型的不同可以将信号划分为模 拟信号，数字信号，时间连续信号，时间 离散信号等。
按照链路层通信系统仿真模型中流通的信 号类型不同，可以将其划分为连续时间系 统，离散时间系统，模拟系统，数字系统 以及混合系统等。