通信系統(tǒng)的計算機模擬第二講

1、1,上一講回顧,作業(yè)要求仿真的概念為什么要仿真通信系統(tǒng)仿真示例仿真的模型和分類仿真的作用一、鏈路預算與系統(tǒng)級標校過程二、關鍵元件的實現(xiàn)與測試,2,一、鏈路預算與系統(tǒng)級標校過程,設計需求：吞吐率、差錯率、中斷概率以及對帶寬、功率、重量、復雜度/成本、系統(tǒng)預期工作的信道和系統(tǒng)生命周期等的約束。 目標是確定系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)和參數(shù)值，以便同時滿足性能目標和設計約束。,3,二、關鍵元件的實現(xiàn)與測試,仿真將關鍵的元件的測量特性代入該元件

2、的仿真模型,4,三、完成硬件原型與驗證仿真模型,整個系統(tǒng)的硬件原型以及與之對應的仿真模型仿真模型包括仿真中大部分元件的測量特征硬件原型上測出整個系統(tǒng)的許多性能指標，還要進行并行仿真完整原型一個經(jīng)驗證的仿真模型預測生命終結(jié)。,5,四、生命周期測試,通信衛(wèi)星、海底電纜生命周期測試（Beginning of Life, BOL）將元件老化模型代入驗證過的BOL模型，就得到系統(tǒng)BOL性能指標。,6,7,仿真方法,時間驅(qū)動（單速度、多速率

3、或可變速率采樣）：該增量等于采樣頻率的倒數(shù)，每個模型能根據(jù)新仿真時鐘的值來更新模型狀態(tài)“do循環(huán)”“for循環(huán)”。事件驅(qū)動：事件驅(qū)動的仿真可把時鐘往前撥任意時間長度，到為下一個關心的事件所安排的時間，系統(tǒng)中每個功能模塊根據(jù)新仿真時間的值更新模型狀態(tài)。需要內(nèi)插和重采樣，并帶來一些跟時間安排相關的額外開銷?；旌向?qū)動。對通信系統(tǒng)仿真而言，最常用的還是帶單速率或多速率采樣的時間驅(qū)動仿真。如果信號帶寬具有很寬的可變范圍，這種系統(tǒng)的仿真就要用多

4、速率采樣。,8,軟件,SYSTEM VIEW MATLAB SIMULINK C，C++ 其他領域: Flexsim…,9,課程報告(續(xù))-建議題目（不限于）,? 信道均衡技術仿真； ? 多載波調(diào)制與OFDM.仿真? 無線接入技術仿真 ? 多用戶無線信道仿真.? 多業(yè)務通信系統(tǒng)仿真.? WCDMA、TDS-CDMA、CDMA2000或者Wimax仿真.? 自適應調(diào)制仿真.? MIMO

5、系統(tǒng)仿真? 擴頻系統(tǒng)仿真,10,cont,? 智能天線仿真? 空時處理仿真? 資源分配管理仿真? 通信干擾抑制仿真? 多用戶檢測仿真? 協(xié)作通信仿真? 軟件無線電或者認知無線電仿真? 衛(wèi)星通信仿真? GPS仿真? GSM部分仿真? UWB仿真? 深空通信仿真,11,第二章 仿真方法論,2.1 概述性能評估-art定量建模與估計 science(科學-技術-工程-技藝）步驟：將給定問題映射為仿真模型。

6、把整個問題分解為一組小一些的問題。選擇一套合適的建模、仿真和估計方法，并將其用于解決這些子問題。綜合各子問題的解決結(jié)果以提供對整個問題的解決方案。,12,基本手段,為解決小一些的子問題（上面第三點）所用到的具體方法是定義明確的、嚴格的，并且在本質(zhì)上是算法可實現(xiàn)或可量化的。有限沖激響應線性濾波器，仿真方法就是定義明確的卷積和通信系統(tǒng)的基本目的是處理波形和符號通過產(chǎn)生和處理這些波形的采樣值通信系統(tǒng)仿真試圖模擬這個過程，建立通信

7、系統(tǒng)中不同功能“模塊”所實現(xiàn)的信號處理運算的模型，以及產(chǎn)生通信系統(tǒng)不同工作點所需的輸入波形。分析波形以優(yōu)化設計參數(shù)或獲得性能指標,13,問題示例,移動通信系統(tǒng)時變衰落中斷通信系統(tǒng)波形級仿真的整體方法,14,Step1,系統(tǒng)方框圖的描述開始每一功能模塊的合適的仿真模型，并通過互聯(lián)這組所選模塊（即它們的模型）來產(chǎn)生方框圖。在執(zhí)行仿真前，我們?yōu)槊恳荒K的參數(shù)（如濾波器的帶寬）指定具體值或取值范圍盡可能對方框圖進行簡化和劃分。方

8、法論中最難的步驟之一是將設計和/或性能估計問題映射為仿真模型，實現(xiàn)的好壞決定了運行仿真所需的機時和仿真結(jié)果的精度。,15,Step2,產(chǎn)生所有輸入波形或激勵信號的采樣值，來驅(qū)動仿真模型。隨機過程的采樣值是用隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的仿真期間，隨機數(shù)發(fā)生器的輸出被用作合適的模塊的輸入，以“驅(qū)動”仿真模型，并在各種功能模塊的輸出端產(chǎn)生采樣值。,16,Step 3,用分析近似和界限或測量結(jié)果來驗證仿真結(jié)果為了檢驗所用的模型和方法并確立仿真結(jié)果的

9、可信性,用一些測量結(jié)果來進行驗證還是必需的。,17,方法論,由于實際的通信系統(tǒng)通常太過復雜，無法對其整體進行準確的建模和仿真有多種方法可用來降低整個仿真問題的復雜度，使其占用的計算資源、所需的時間以及期望的精度都保持在一定范圍之內(nèi)－－－－－方法論。,18,方法論,將問題映射到仿真模型 以移動通信系統(tǒng)中的兩個問題為例均衡器設計：決定抽頭數(shù)，抽頭間隔，和用于接收機均衡器中進行算術運算所需的比特數(shù)。系統(tǒng)性能評估：決定維持可接受性能級

10、別所需的第一個問題：詳細設計第二個問題：性能評估不同:建立系統(tǒng)哪一部分的模型、包含哪些細節(jié)、用什么建模方法、仿真方法、估計方法,,19,方法論,系統(tǒng)要仿真部分的詳細方框圖最終的仿真模型可通過簡化初始方框圖而產(chǎn)生 遞階表示劃分與條件化簡化（近似，假設和各種簡化）,,20,遞階表示,遞階是在建模、軟件設計和其他應用中降低復雜度的常用方法，開始于一個“系統(tǒng)”級模型并向下發(fā)展其他不同層，子系統(tǒng)層，元件層，物理（門級或電路）層

11、遞階中越底層的構(gòu)建模塊包含越多的細節(jié)，而越高層的模塊則越抽象并負責模塊的整體功能，直到更進一步有意義的分解變得不可能或沒必要時,21,例,22,23,選擇抽象程度,與仿真的目的一致的情況下，人們應該用盡可能高的抽象程度來進行仿真降低復雜度和所需的仿真時間，越高級模型將具有越少的參數(shù)且越易于驗證，越少的參數(shù)意味著模型能用越少的指標來刻畫巴特沃思濾波器的電路級模型包含12個或更多的元件值相同的巴特沃思濾波器的高層傳遞函數(shù)只有2個參數(shù)：

12、濾波器階數(shù)和濾波器帶寬,24,抽象表達,在系統(tǒng)級，仿真以最高抽象程度完成，使用諸如傳遞函數(shù)的“特性”模型而不是物理的模型。一個數(shù)字濾波器可以在比特級仿真，一個模擬濾波器可以在電路級仿真，較高級模型都是傳遞函數(shù)形式的，可由比特級或電路級仿真導出。在設計周期的前期，濾波器傳遞函數(shù)已被假設或“指定”，而傳遞函數(shù)的實際特性將在濾波器設計和仿真后得到。在設計周期的后期，測量－－》且測得的傳遞函數(shù)能用于較高級的仿真，但外部接口和參數(shù)相同。

13、和建模過程一樣，通信系統(tǒng)的實際設計也是自項下經(jīng)過不同層，規(guī)格向下經(jīng)過遞階的各層，而特性（在較低層測量或仿真的）自底向上經(jīng)過遞階中的各層，有時可能要用不同的仿真來進行更詳細的仿真－－“聯(lián)合仿真”。,25,劃分與條件化,將一個復雜問題劃分為一組相互關照但獨立的問題遞階處理的是不同級的抽象劃分通常處理同級的抽象，問題中可單獨仿真的并且結(jié)果可聯(lián)合的不同方面條件化是與劃分非常相似的另一種方法：我們只是固定整理系統(tǒng)某部分的條件或狀態(tài)，并在條

14、件變量或狀態(tài)的不同取值下仿真系統(tǒng)的其余部分系統(tǒng)的受條件化部分單獨仿真，然后從第一部分得到的結(jié)果將根據(jù)第二部分獲得的條件變量的分布來作平均。,26,條件化例子,估計具有非理想同步（時鐘和載波恢復）系統(tǒng)的差錯率先在不同的時鐘和載波相應差錯值條件下，估計系統(tǒng)中差錯的條件概率；然后仿真同步系統(tǒng)以獲得定時差錯的分布；我們根據(jù)定時差錯和相位差錯的分布作平均,,（2-1）,27,條件化例子,按照條件期望值，就有,,出現(xiàn)定時差錯和相位差錯的情況

15、下確定誤比特率（BER）的例子，運用這個原理得,,,28,簡化與近似,第一步，在初始方框圖模型中包括盡可能多的細節(jié)降低整個模型和子系統(tǒng)模型的復雜度這些方法包括忽略對所研究的問題沒什么大影響的模塊使用近似方法和聯(lián)合模型的簡化方法例：系統(tǒng)級性能評估問題，是緩慢時變的，且系統(tǒng)運行在高信器噪比（S/N） ，可合理地預計同步差錯很小，因而在性能估計時同步的影響可以忽略不計。并可將其從方框圖中刪去近似和假設廣泛用于簡化仿真模型。最常使用

16、的假設和近似包括時不變（穩(wěn)態(tài)）性質(zhì)和線性化。當觀察時間足夠長且輸入信號動態(tài)范圍足夠在時，大多數(shù)實際的系統(tǒng)可能表現(xiàn)出時變和非線性，但在短時間段和低信號電平的情況下，它們?nèi)匀豢梢杂删€性時不變模型很好地近似。系統(tǒng)參數(shù)是緩變的，在仿真區(qū)間內(nèi)是固定不變的?！皽熟o態(tài)的”帶寬差別明顯的過程的形象，線性近似用于非線性元件。許多線性系統(tǒng)的原理來簡化方框圖。對中間波形興趣不大，其作用也很小。,29,單個模塊的建模,仿真模型應接受一列按時間先后次序

17、排列的輸入波形的采樣，并依某個明確定義的傳輸特性產(chǎn)生一組按時間先后次序排列的輸出采樣。子系統(tǒng)或元件（模塊）的仿真模型是具有如下形式的一個變換：,,30,單個模塊的建模——低通等效表示,低通復等效表示所有信號和系統(tǒng)部件在計算上有優(yōu)勢低通等效：把帶通頻譜從載波頻率移到f＝0；模塊的線性模型可由輸入、輸出信號的低通等效表示和信號換來實現(xiàn)。確定性信號的低通等效是通過對其傅里葉變換變換獲功率譜密度是用地隨機信號的如果帶通頻譜在載波的兩

18、邊不對稱，低通等效表示在時域中取復數(shù)值。,,31,單個模塊的建?！蓸?通等效表示時，它們可以用相同時間間隔的采樣點來采樣和表示。要求的最小采樣率是理想低通信號（或系統(tǒng)）帶寬的兩倍。頻率函數(shù)不一定限制在有限帶寬，這時采樣率通常取某一些帶寬度量（如3dB帶寬）的8至16倍。在數(shù)字系統(tǒng)中，采樣率通常設符號率的8至16倍。增加采樣率將計算量,,32,單個模塊的建模——線性與線性模型,非線性：判決反饋均衡器運算、同步子系統(tǒng)中的非

19、線性運算及對脈沖噪聲有意的限制等 功率放大器在接近其最大運行率時表現(xiàn)出來的線性特性。近似?大多數(shù)非線性特性可以建模為對通信信號具有線性影響，有必要在系統(tǒng)中包含非線性仿真模型（QAM） 。 有多種系統(tǒng)方法能對具有非線性系統(tǒng)建立模型無記憶功率序列非線性模型帶記憶的頻率選擇性非線性模型非線性微分子方程。非線性模型分為兩大類：輸入-輸出塊模型和非線性微分方程。非線性特會產(chǎn)生帶寬擴展，將采樣率設置得足夠高以把握帶寬擴展帶來的影響

20、。,,33,單個模塊的建?！獣r不變性,是否要采用時變模型取決于許多因素 系統(tǒng)的時不就部分的帶寬相比其變化速率可能非常緩慢某個長期平均的特性而不是動態(tài)特性。時變特性進行仿真：運行于快衰落信道下突發(fā)模式的通信系統(tǒng)中，同步子系統(tǒng)時間的捕捉和跟蹤特性。仿真模型是帶時變抽頭增益的抽頭延時線，抽頭增益常建模為濾波隨機過程。時變性的影響譜擴散，從而要求更高的采樣率。時變模塊的次序不能改變。,,34,單個模塊的建?！洃浶?頻率

21、選擇性特性和記憶性是同義的取決于瞬時輸入和以前輸入,,35,單個模塊的建?！獣r域和頻域仿真,一個功能模塊或系統(tǒng)元件的輸入-輸出關系可以在時域頻域中進行建模和仿真取決于最初規(guī)格說明時域采樣來表示輸入和輸出。頻域模型（如用快速傅里葉變換仿真的濾波器）需要時域輸入采樣的內(nèi)部緩存器，要對存于器中的輸入向量作變換，然后進行頻域處理?傅里葉反變換及輸出端緩存,,36,單個模塊的建模——塊處理,模型可以實現(xiàn)為每次調(diào)用只接受和處理單個時域

22、采樣或一個N個時域采樣組成的塊當調(diào)用開銷很大時，采用塊或向量處理的方法在計算會更為有效，其中模型調(diào)用的輸入向量的大小為N。所以塊運算會引入一個N*Ts 秒的時延。由于大的處理時延，在反饋環(huán)中包含塊輸入-輸出模型會產(chǎn)生錯誤的結(jié)果非線性模型交織在一起，則對于非線性元件回復到逐個采樣的處理是有必要的，塊處理——考慮調(diào)度（大小不同的塊）,,37,單個模塊的建模——變步長處理,如果一個系統(tǒng)模型中包含的過程和現(xiàn)象的帶寬特別巨大，那么在仿

23、真中就要采用多速率采樣。多速率采樣以與對應帶寬相一致的速率來采樣和處理每個信號，而這會顯著提高計算效率。變步長處理也常用于改善計算效率。數(shù)值積分子程序，來求解線性和非線性微分方程。變步長?統(tǒng)一步長（緩存、轉(zhuǎn)換）,,38,單個模塊的建?！獏?shù)確定,仿真的一個主要應用是設計優(yōu)化?歸結(jié)為找到一些重要參數(shù)的量優(yōu)值，接收器濾波器帶寬放大器工作點用于接收器的量化級數(shù)的最優(yōu)值等模型必須確定合適的參數(shù)并且使得關鍵的設計參數(shù)在外部

24、可見?“外部旋鈕”可用于在仿真過程中復調(diào)整設計參數(shù)。給定模型的參數(shù)個數(shù)。參數(shù)越少，參數(shù)值的測量和驗證就變得越簡單。,,39,單個模塊的建?！c其他模塊的接口,仿真框架和/或用戶必須確保一致性和兼容性明確定義、文檔齊全的接口不一致的根源：不同的處理域、信號類型、塊大小、步長、多速率采樣、不同塊中不一致的參數(shù),,40,隨機過程建模與仿真,假設已經(jīng)獲得一個具有最高抽象程度和最少復雜的系統(tǒng)模型建模和產(chǎn)生驅(qū)動仿真模型的輸入波形（信號、

25、噪聲及干擾）波形級仿真的基本目標是模擬系統(tǒng)中的波形及計算波形保真度的一些指標波形或激勵的建模和仿真是很重要的信號、噪聲、干擾 隨機過程 平穩(wěn)性假設,41,平穩(wěn)隨機過程的表達,平穩(wěn)隨機過程由多維概率分布來表征但多維概率分布難以給出，不容易產(chǎn)生具有任意n維分布的平穩(wěn)過程的采樣值。平穩(wěn)高斯過程是個著名例外，它完全由二階分布定義（均值自相關函數(shù)）用于驅(qū)動仿真的隨機過程的采樣值是用隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機數(shù)列,42,隨機過程建模與仿

26、真——高斯近似,簡化了激勵的產(chǎn)生。高斯近似，大量噪聲疊加與高斯隨機數(shù)發(fā)生器的輸出完全相同。,43,隨機過程建模與仿真——等效過程表示,隨機過程X（t），經(jīng)過n個模塊輸出Y(t)簡單地插入一個表示Y（t）采樣值的序列，從而無須產(chǎn)生和處理X（t）通過n個塊的的采樣值X（t）高斯，模塊線性?Y(t)分析得到Or 仿真得到，并用于等效過程表示,44,隨機過程建模與仿真——慢過程和快過程,許多帶寬或“時間常數(shù)”差別很大的隨機現(xiàn)象

27、。一個隨機過程的的帶寬與另一個相差很大，差幾個數(shù)量級，分開仿真多速率采樣，,45,性能估計仿真,仿真的主要目標之一就是性能估計模擬通信系統(tǒng)，輸出信噪比（s/N）對于數(shù)字通信系統(tǒng)誤比特率（BER）或幀差錯率（FER）信噪比是數(shù)字通信系統(tǒng)第二重要的性能指標,而是讓N個符號通過系統(tǒng)并計數(shù)發(fā)生差錯的個數(shù)來估計。BER差錯概率如果延時不完全正確，延時模塊由長度可變的延時線來實現(xiàn)。延時通常量化為采樣周期的整數(shù)倍。,46,練習,IEEE j