第一章通信系统仿真简介

➢3.在仿真系统中，可以非常容易地使用元 器件的实际测量特性来进行建模。 例如，滤波器的频率特性，放大器的传输 特性，等等。
1.6 通信系统设计（链路级）流程
➢阶段1：概念定义及链路预算。 ➢阶段2：硬件原型机设计。 ➢阶段3：系统测试与验证。
阶段1：“概念定义”阶段
➢1.定义“顶层”参数：如信息速率，保真度， 性能要求等。
建立数学模型是整个仿真过程中的一个关 键步骤，因为仿真模型的好坏直接影响着仿真 的结果，以及仿真结果的真实性和可靠性。
➢2.仿真系统：根据建立的模型，从SIMULINK 通信模型库所提供的Communication Blockset的 各个子库中，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连接，组 建要仿真的通信系统模型。
➢ 一、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。
➢ 二、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 面向程序块语言的数字仿真技术，这些仿 真语言逐部件仿真模拟计算机的行为。
➢三、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 变换域技术的仿真软件包。
➢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(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。
如果通过修改仿真参数仍不能得到令 人满意的仿真结果，则要考虑仿真模型是 否正确。可修改模型后再仿真直至结果令 人满意为止。
1.4 通信系统仿真的必要性
➢1.通信系统的复杂度越来越高，传统的解析 方法无法评估系统的性能。
➢2.对通信产品的开发周期和上市时间要求越来 越短。
➢3.计算机辅助手段可有效地缩短通信系统的开 发周期。
仿真问题和仿真目的描述 确定仿真方案 系统描述
建立系统数学模型 建立仿真模型 编写仿真程序 验证模型
修改方案
修改模型
修改程序 是
是
是
仿真目的是否达到要求？ 模型是否合理？
是 进行仿真研究
否
否图1.1 计算机仿真流程图
通信系统仿真的基本步骤
➢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。
马英杰11课程目标12计算机仿真和通信系统仿真的基本概念13通信系统仿真的基本步骤14通信系统仿真的必要性15通信系统的性能评价方法16通信系统设计链路级流程17通信系统仿真的发展历史与现状11通过本课程的学习初步掌握当前流行的matlab语言的基本知识结合所学课程通信原理学会运用matlab语言进行通信系统仿真和辅助设计的基本技能为今后从事科学研究打下较好的基础
第一章 通信系统仿真简介
1.1 课程目标 1.2 计算机仿真和通信系统仿真的基本概念
1.3 通信系统仿真的基本步骤 1.4 通信系统仿真的必要性
1.5 通信系统的性能评价方法 1.6 通信系统设计（链路级）流程 1.7 通信系统仿真的发展历史与现状
教师：马英杰
1.1 课程目标
通过本课程的学习，初步掌握当前流行的 MATLAB语言的基本知识，结合所学课程《通 信原理》，学会运用MATLAB语言进行通信系 统仿真和辅助设计的基本技能，为今后从事科 学研究打下较好的基础。
➢2.初步设计系统结构，列出设计参数。 利用简单模型和经验估计信噪比和信号损失， 变换系统结构，使其满足性能目标要求。
➢3. 根据初步的链路预算对各子系统和部件 的指标进行详细设计，对信号的失真进行 验证。
仿真在此阶段担负重要作用：
➢1.根据初始参数，建立仿真模型，对设想的 系统进行仿真，确定信号损失。
Linear System Theory
Numerical Analysis
Digital Signal Processing
Probability Theory
Simulation of Communication
Systems
Estimation Theory
Computer Science
Number Theory
Stochastic Process Theory
通信器件的仿真建模
Physical Device
Hardware
Increasing Level of Abstraction
Analytical Model
Equations
Simulation Model
Computer Code
Practical region of operation
➢四、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。
➢5.生成新的模块：对于Communication Toolbox 中没有的功能模块，可以根据已掌握 的技术生成所需新的子模块，例如由C 或 Fortran 编写MEX 文件，编译成DLL 后利用 SIMULINK 提供的封装（Masking）功能封装 或自定义模块库，以便随时调用。
➢6.仿真结果的分析：如果仿真结果与预期不 一致可能有多种原因.首先看仿真参数是否 恰当。影响仿真的因素很多，一般的原则是: 尝试多种积分方法。先将步长和容许误差定 得稍大些，当结果基本满意时，才将步长和 容许误差修正为合适的值，得到精确的仿真 结果。
➢1.当硬件完成之后，可以对其各组成部分的 特性进行测量，并用测量结果来修正仿真系 统中相应部分的特性，使仿真系统能够更精 确地反映硬件系统的特性。
➢2.将硬件系统的各组成部分连接在一起， 对其特性进行测量，对硬件系统的实现复 杂度进行评估，观察是否满足设计要求。
➢3.运行仿真系统，将仿真结果与硬件系统的 测量结果进行比较，可以对仿真结果的有效 性进行验证。
➢2.硬件开发的初期，需要对一些采用新技 术或者有风险的关键部件/子系统进行设计 和测试。
在此阶段，可以利用仿真技术对这些关键 部件的性能进行仿真和测试。
即在仿真系统中，将已经完成的硬件系统 所对应的部件特性用实测特性取代，然后运行 仿真系统，对剩余部件的特性进行评估。
阶段3：系统测试和验证
当前流行的通信仿真软件包
➢SPW （Cadence公司） ➢COSSAP/CoCentric System Studio
（Synopsys公司） ➢ADS （Agilent公司） ➢ MATLAB/Simulink（MathWorks公司） ➢ SystemView（Elanix公司）
➢Labview ➢OPNET ➢ NS2
➢4.仿真建模：根据数学模型的形式、计 算机类型、采用的高级语言或其它仿真 工具，将数学模型转换成能在计算机上 运行的程序或其他模型，也即获得系统 的仿真模型。
➢5.实验：设定实验环境/条件和记录数据， 进行实验，并记录数据。
➢6.仿真结果分析：根据实验要求和仿真目的 对实验结果进行分析处理(整理及文档化)。
1.5 通信系统的性能评价方法
通信系统分析和设计的中心问题： ➢1.性能评价。 ➢2.性能与复杂度的折衷研究。
通信系统的性能评价方法：
➢1.基于公式的计算方法：基于简化的模型， 能够提供系统性能与设计参数之间的解析关 系，在系统设计的初期非常有效，仅适用于 理想化和过于简化的情况，对于复杂系统的 性能很难用解析方法得到。
➢2.基于硬件的测量方法：首先构建硬件系 统，然后根据硬件系统性能的测量结果来 评价设计性能，用于设计的最后阶段（需 要选择的设计参数很少）。
缺点：成本高，周期长，缺乏灵活性。
➢3.基于仿真的方法：几乎可对通信进行任 意精确地建模，能够比前述两种方法在更 大的范围内对系统性能进行评价。
优点: • 1.可以容易地合并数学和实验模型，可以将器
➢2.结合初始链路预算确定总的信号失真和信噪 比是否满足性能要求，如不满足，修改链路预 算或/和失真参数，重新进行仿真，直到满足 性能要求为止。
阶段2：设计硬件原型机
➢1.根据阶段1选定的参数，进行硬件设计，此 时的硬件被称为“demonstration hardware” 或 者“engineering develop model”。
当在实际电子通信系统中进行试验研 究比较困难或者根本无法实现时，仿真技术 就成为必然的选择。
1.3 通信系统仿真的基本步骤 计算机仿真的基本步骤
➢1.描述仿真问题，明确仿真目的。 ➢2.项目计划、方案设计与系统定义。根据仿
真目的确定相应的仿真结构规定相应仿真系 统的边界条件与约束条件。
➢3.数学建模：根据系统的先验知识、实验 数据及其机理研究，按照物理原理或者采 取系统辨识的方法，确定模型的类型、结 构及参数。
件的实测特性和实际信号用于分析和设计。
• 2.仿真得到的波形还可用作测试信号对硬 件的性能进行验证。
• 3.成本低，速度快，灵活性高。
缺点：在某些情况下，计算复杂度很高（合理 地选择建模和仿真方法可降低复杂度）。
仿真方法的特点
➢1.仿真波形可以非常准确地模拟实际系统 中的波形。
➢2.可以将仿真得到的波形作为实际系统中的 测试信号，也可以用实际系统中的波形来“驱 动”仿真系统。
➢4.利用经过验证的仿真模型可以对通信系统 寿命末期的性能进行预测（利用对关键部件 在老化过程中所表现特性的推测）。
可以利用经过验证的仿真模型对通信系统 工作过程中出现的故障进行原因分析。
Multidisciplinary Aspects of Simulation
Communication Theory
1.2 计算机仿真和通信系统仿真的基本 概念
➢1.计算机辅助设计的概念
计算机辅助设计（CAD）技术是利用计算 机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理
数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判
断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设
计周期、提高设计质量的技术。
➢2. 计算机仿真的概念
计算机仿真是基于所建立的系统仿真模 型，利用计算机对系统进行分析与研究的 方法。
➢3.通信系统设计中的计算机辅助技术
• 基于公式的方法：用于复杂公式的计算。 • 基于仿真的方法：用计算机来仿真通过通
信系统的信号或波形。
➢4.通信系统仿真的概念
通信系统仿真是利用计算机对实际电子通 信系统的物理模型或数学模型进行实验，通过 这样的模型实验来对一个实际系统的性能和工 作状态进行分析和研究。
High
Error vs. Complexity
Run time vs. Complexity
Practical region of operation
Long
Simulation Run Time Modeling Errors
Low Low
Model Complexity
Short High
1.7 通信系统仿真的发展历史与现状