第四章 MATLAB 仿真系统

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第四章MATLAB仿真系统
第四章MATLAB仿真系统
仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真的仿真结果来推断原系统的性能，从而为新系统的建立或原系统的改造提供可靠的参考。

通过仿真，可以降低新系统失败的可能性。

消除系统中潜在的瓶颈，防止对系统中某些功能部件造成过量的负载，优化系统的整体性能。

实际的通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统做出的任何改变都可能影响到整个系统的性能和稳定。

因此，在对原有的通信系统做改进或建立一个新系统之前，通常需要对这个系统进行建模和仿真，通过仿真结果衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数设置，然后应用在实际系统中。

§ 4.1通信仿真的概念
通信仿真是衡量通信系统性能的工具。

通信仿真可以分成离散和连续仿真。

在离散事件仿真中只对离散事件作出响应，而在连续仿真中，系统对输入信号产生连续的输出信号。

离散事件仿真是对实际通信系统的一种简化，它的仿真建模比较简单，整个过程需要花费的时间也比连续仿真少。

虽然离散事件仿真舍弃了一些仿真细节，但仍然是通信仿真的主要方式。

与一般的仿真过程类似，在对通信系统实施仿真前，首先需要研究通信系统的特性，通过归纳和抽象建立通信系统的仿真模型。

通信系统是一个循环往复的过程，它从当前系统出发，通过分析建立起一个能够在一定程度上描述原通信系统的仿真模型，然后通过仿真实验得到相关的数据。

通过对仿真数据的分析可以得到相应的结论，然后把这个结论应用到当前通信系统的改造中。

值得注意的是，在整个通信系统的仿真过程中，人为因素自始至终起着相当重要的作用。

除了仿真程序的运行之外，通信仿真的每个步骤都需要进行人工干预，由于人对当前的情况做出正确的判断。

因此，通信仿真并不是一个机械的过程，它实际上是人的思维活动在计算机协助下的一种延伸。

§4.2通信仿真的一般步骤
通信仿真一般分成三个步骤，即仿真建模、仿真试验和方针分析。

通信仿真是一个螺旋式发展的过程，因此这三个步骤可能要执行多次后才能获得令人满意的效果。

4.2.1仿真建模
仿真建模是根据实际通信系统建立仿真模型的过程，它是整个通信仿真过程的一个关键步骤，因为仿真模型的好坏直接影响着仿真的结果以及方针结果真实性和可靠性。

仿真建模是对实际系统的一种模拟和抽象，但又不是完全的福祉。

简单的
仿真模型容易被理解和操作，但是由于忽略了许多关于实际的细节，因而在一定程度上影响了仿真的可靠性。

如果仿真模型比较复杂，虽然它是对实际系统的一种真实反映，但是其中包含了过多的相互因素，这些因素不仅需要消耗过多的仿真时间，而且使仿真结果的分析过程变得相当复杂。

因此，仿真模型的建立需要综合考虑其可行性和简单性。

在仿真建模过程中，我们可以先建立一个相对简单的仿真模型，然后再根据方针结果和方针过程的需要逐步增加仿真模型的复杂度。

仿真模型一般是一个数学模型。

数学模型有多种分类方式，包括确定性模型
水声信道的编码分析及MATLAB仿真应用17
和随即模型，静态模型和动态模型。

确定性模型的输入变量和输出变量多有固定数值，而在随机模型中，至少有一个输入变量是随机的。

静态模型不需要考虑时间的因素，动态模型的输入输出变量则需要考虑时间的因素。

一般情况下通信仿真是一个随机动态仿真。

在仿真建模过程中，首先需要分析实际系统存在的问题或设立系统改造的目标，并且把这些问题和目标转化成数学变量和公式。

有了这些具体的仿真目标后，下一步是获取实际通信系统的各种运行参数，如通信系统占用的带宽及其频率分布，系统对于特定的输入信号产生的输出等。

同时，对于通信系统的各个随即变量，可以采集这些变量的数据，然后通过数学工具来确定随即变量的分布特性。

准备工作后，下一步就可以通过仿真软件来建造仿真模型了。

最简单的工具是采用c语言等编程工具直接编写仿真程序，这种方法的优点是效率高，缺点是不够灵活。

没有一个易于实现的人机交互界面，不便于对仿真结果进行分析。

除此之外，还可以采用专用的仿真软件建造仿真模型。

在完成仿真模型的软件实现后，还需要对这个模型的有效性进行初步的验证。

一种简单的验证方法是采用特定的已知的输入信号，这个输入信号分别通过仿真模型和实际模型产生两种输出信号。

如果仿真模型的输出与实际模型的吻合，说明这个仿真模型与原系统有较好的相似性。

当这两种输出信号差别很大时，最好先检验一下仿真模型内部的联结和设置，找出造成这种差异的原因。

4.2.2仿真试验
仿真试验是一个或一系列针对仿真模型的测验。

在仿真试验过程中，通常需要多次改变仿真模型输入新好的数值，以观察和分析仿真模型对这些输入信号的反应，以及仿真系统在这个过程中表现出来的性能。

需要强调的事，仿真过程中使用的输入数据必须具有一定的代表性，即能够从各个角度显著的改变仿真输出信号的数值。

实施仿真之前需要确定的另一个因素是性能尺度。

性能尺度指的是能够衡量仿真过程中系统性能的输出信号的数值，因此，在实施仿真之前，首先需要确定仿真过程中应该收集那些仿真数据，这些数据以什么样的格式存在，以及收集多少数据。

最后，还应该明确各个输入信号的初始设置以及仿真系统内部各个状态的初始值。

仿真的运行实际上是计算机的计算过程，这个过程一般不需要人工干扰，花费的时间由仿真的复杂度决定。

如果需要比较仿真系统在不同参数设置下的性能，应该使仿真系统在不同参数值时具有相同的输入信号，这样才能保证分析和比较的可靠性。

对于需要较长时间的仿真，应该尽可能的是用批处理方式，使得仿真过程在完成一种参数配置的仿真之后能够自动启动下一个参数培植下一个仿真。

这种方式减少了仿真过程中的人工干预，提高了系统利用率和仿真效率。

4.2.3仿真分析
仿真分析是一个通信仿真流程的最后一个步骤。

在仿真分析过程中，用户已经从仿真过程中获得了足够的关于系统性能的信息，但是这些信息只是一些原始数据，一般还需要经过数值分析和处理才能获得衡量系统性能的尺度，从而获得对仿真系统性能的一个总体的评价，常用的性能尺度包括平均值、方差、标准差、最大值和最小值等。

它们从不同的角度描绘了仿真系统的性能。

如果仿真过程需要一定的时间才能够达到平衡状态，在对输出数据进行分析
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和处理时一般要忽略最初的若干个数据，而只考虑平衡之后的输出。

对于仿真尺度不随时间变化的平衡系统，还可能涉及到输出变量稳定状态的求解。

另外一个要注意的地方是，即使仿真过程中收集的数据正确无误，由此得到的仿真结果并不一定就是准确的。

造成这种结果的原因可能是输入信号恰好与仿真系统的内部特性相吻合，或者输入的随机信号不具有足够的代表性。

应该强调的是，仿真分析并不一定就意味着通信仿真的完全结束。

如果仿真分析得到的结果达不到预期的目标，用户还需要重新修改通信仿真模型，这时候仿真分析就成为另一个循环的开始。