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1、1通信系统仿真吴伟民电子与信息工程系 139710832512引论l模拟（仿真）？Simulation/emulationl仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。 Representation of the operation or features of one process or system through the use of another Computer Science To imitate the function of (another system), as by modifications to
2、 hardware or software that allow the imitating system to accept the same data, execute the same programs, and achieve the same results as the imitated system. 模拟：上层的、软件的 仿真：底层的、硬件的3以通信系统理论、随机过程与统计学理论和优 化理论为基础，以计算机和仿真软件为工具， 对现实通信系统或未来通信系统进行实验研究 的理论和方法。l系统仿真由三个要素构成：系统、模型和实验l系统是问题的本源；l实验是解决问题达到目的的手段；l系
3、统模型是连接系统和实验之间的桥梁。计算机仿真通信系统仿真基本概念4计算机仿真三个活动： 系统建模、仿真建模、仿真实验：5应用系统仿真的情况 “最后的方法”1不存在完整的数学公式，或者还没有一套解答数 学模型公式的方法。2需要对系统或过程进行长期运行的比较。3系统还处于设计阶段，并没有真正建立起来，进 行多个方案的比较择优4在真实系统上做实验会破坏系统的运行。5需做多次试验时，很难保证每次的操作条件都相 同，因而无法对试验结果做出正确的判断。6试验费用太大或有危险性。6Why 通信系统计算机仿真1l现代通信系统的复杂性l通信系统的结构、系统运行时所处的环境 l系统特性：功率和带宽有限 l系统要求
4、：高速数据 l复杂的调制和脉冲成形技术，差错控制、接收端的高级信号处理技术。 l高速数据同步要求变得更严格，接收机也更复杂 l更恶劣的环境中，多跳非线性放大器 l干扰 l多径和阴影衰落。 l不能够解析处理7Why 通信系统计算机仿真2l计算机不仅功能强大，而且价格便宜l 计算机方法的发展 l另一个动机：深入理解系统特性的有价值的工具。l好的仿真跟在实验室实现一个系统很类似，多点测量，参数研究 ，可以任意改动滤波器带宽和信噪比（SNR）等参数，而且还能 很快地观测到这些改变对系统性能的影响。l时域波形、信号谱图、眼图、信号星座图、直方图。仿真能更容 易也更经济地对各种假设情况进行研究，仿真的主要
5、作用不在于 获得数值而在于获得深入的理解。8Why 这门课程l前面的原因：仿真的好处与重要性l已经学习过通信原理、无线通信、matlab，还有必要吗？l仿真的可信度？ l仿真的基本概念 l仿真工具是基础，方法论是重点l进入科研研究的需要 l选题、仿真、硬件等l定位 物理层、通信信号处理、协议仿真9复杂性示例 易于解析处理的系统l数据源产生一个符号序列dk l离散的二进制通信系统l数据源是无记忆的，离散 无记忆源l调制器的作用是将源符号 变换成波形l发射机对调制器的输出进 行放大10复杂性示例 易于解析处理的系统l信道是系统中需要进行精确 建模的最复杂的部分l（AWGN）信道。l最佳接收机 匹配
6、滤波器l输出采样判决l 易于解析处理的11复杂性示例 易于解析处理的系统l表示一个符号周期内的平均 能量，跟波形集合相关联， 为加性信道噪声的单边功率 谱密度 K:参数取决于波形的相关程度 。FSK, K=1PSK相差为弧度，使得信号为 逆相关，k=212为什么该系统是易于解析处理的？lAWGN信道接收机是线性的，通过分析，我们可以计算出 作为接收端滤波器参数函数的误比特率（BER），并可求 出对应于最小BER的滤波器参数值。l数据源为无记忆的，理想的符号同步。l仿真易于解析处理的系统是否也有作用呢？l很可能是一个更复杂的系统的基本构成模块。l易于解析处理的系统，可以开发出仿真代码，这种系统能
7、 直接进行分析，开发出的仿真能很容易得到验证。可以根 据待研究系统的建模需求，数据源、调制器、信道或接收 机进行修改，起点是正确无误的。13需繁琐解析处理的系统l增加了非线性放大 器l引入谐波与交调失 真， 频谱拓展l带通滤波器，中心 频率等于所期望的 载波频率，作用就 是减少非线性带来 的谐波与互调失真 。 14问题l调制器与HPA后面的滤波器导致数据信号时间 扩散l从而在时间上滤波后的信号不再局限在符号周 期内，将引起符号间干扰（ISI）。l在解调第i个符号时必须考虑的前续符号的数目 ，取决于滤波器输出信号的记忆。第i个符号的 差错概率取决于前k个符号15问题l二进制的情况，2K个长度为k
8、的不同序列lAWGN信道，这个差错概率都是Q函数，可以 直接计算每一个Q函数的值，但是计算过程很繁琐，因而经常会用到仿真的方法。l噪声注入点到统计量采集点之间的系统是线性 的16半解析方法lVk均值，因为噪声没有经过HPA，因此无噪声条 件下仿真确定lVk方差：解析确定，等于Nk方差l信道为高斯信道时，可以获得Vk的概率密度函数17难以解析处理的系统l两（单）跳卫星通信 系统 l卫星转发器建模非线 性大功率放大器（ HPA），滤波器滤掉 非线性造成的带外谐 波失真卫星信道模型l上行链路和下行链路 噪声 18why难以解析处理？l即使假设上行链路和下行链路噪声都是高斯 过程，接收端的噪声还是很难
9、确定l下行链路噪声只通过系统的线性部分l上行链路噪声通过了系统的非线性部分l无法获得Vk概率密度函数的精确知识，差错 概率就无法求出，仿真是一个必备的基本工 具。19仿真的多学科特点l仿真问题理论框架l线性系统理论确定线 性系统输入输出关系 的方法，时域（系统 冲激响应）和频域（ 系统传递函数）表示 系统模型20仿真的多学科特点通信原理理解系统结构 、 仿真可以用来确定 合适的系统参数值就 必须了解参数值的实 际范围，正常运行和 结果的合理性，深入 理解适当的系统特性 也很有必要21仿真的多学科特点l数字信号处理连续时 间系统元器件（如滤 波器）的离散时间近 似组成。l数值分析和DSP密切相关
10、，数值积分，微 分、插值和曲线拟和22仿真的多学科特点l概率通信系统的性能指标通常以概率形式表示。l随机过程理论l数论开发随机数发生器的工具。l计算机科学表示信号采样值的字长和字格式会影 响仿真精度。23仿真的多学科特点l估计理论的工具和概念仿真结果的有效性进行评 估。l重复仿真得出的数值每次都会不同，无偏估计器 是指估计均值等于欲测数量的那种估计器，一致 估计是指估计的方差随着仿真时间增加而减小的 那种估计。24模型 l建立仿真模型l要点：模型要足够详细、要建模的 系统的基本特征不能过于复杂。l考虑解析模型和仿真模型这两种不 同类型的模型是有益的。建模的首 要和最重要的步骤是确定模型要描 述
11、的物理元器件的特征和工作特性 ，解析模型以方程或方程组的形式 给出。l从物理元器件到解析模型，最后再 到仿真模型，抽象程度依次增加。25模型 l三种模型：系统模型、设备模型和过程模型l不同抽象程度的模型， l考虑信道模型，我们将看到信道可以用波形级方法来建模，模型对波形采样值进行处理 l基于符号而非波形采样值的离散马尔可夫过程，马尔可夫信道模型通常还将调制器、发射机和接收机也纳入信道中 l基于帧BLER的离散马尔可夫过程26确定性与随机性仿真l确定性：固定电路的仿真l随机性 ：数字通信系统，其接收信号由发送信号和随机噪声叠加而成。l BPSK AWGNl确定性仿真，分析和确定性仿真都会给出一个
12、数值结果，这一点 是很重要的。每次作分析，都会得到同一个数。而每次进行确定 性仿真，也会获得相同的结果l随机性仿真，仿真给出结果是随机变量的一个样本27一个确定性仿真的实例 l完全确定性仿真是深入理解通信系统工作特性的 重要工具 由于鉴相器的非线性特性，在捕获 模式下对锁相环作分析很复杂。在给定各种环路参数和输入信号指 标的前提下，捕获信号所需时间是 锁相环的一个重要性能参数。解析 求解这个问题需要解非线性方程。 因此，我们转而考虑仿真方法。 28一个确定性仿真的实例 l完全确定性仿真是深入理解通信系统工作特性的 重要工具 5Hz 阻尼因子 0.70729一个随机性仿真的实例 lGoal： B
13、ER 蒙特卡罗方法输入大量符号计算输出的错误符号l误比特率l比特差错概率，误码率是 误码概率的一致性估计3031仿真的作用l通信系统设计的各个阶段l主要用在性能评估和设计权衡研究（参数优化）；l测试过程和基准的设定、生命终结预测、现场系统布置 后出现异常状况的调查。l系统设计 “自顶至底”l硬件实现通常是“自底至顶”进行。32一、链路预算与系统级标校过程 l设计需求：吞吐率、差错率、中断概率以及对带 宽、功率、重量、复杂度/成本、系统预期工作的信道和系统生命周期等的约束。 l基本概念：调制方式、编码与均衡技术（如果有 必要） l确定指标：A级指标的参数值，比如功率级、带宽和调制指数。33一、链
14、路预算与系统级标校过程 l目标是确定系统拓扑结构和参数值，以便同时满 足性能目标和设计约束l系统性能是信噪比（SNR或等价地Eb/N0）和通信链路中所有元件引入的总失真的函数l链路预算的过程来确定，链路预算主要是功率计 算，要考虑发送功率、天线增益、路径损耗、功 率增益以及放大器和滤波器的噪声S/N或范围34预算过程l因为无法制造理想元件，放大器和滤波器等元器 件的实际实现会产生非理想特性，引起信号失真 ，首先以理想元件计算系统性能，然后包括一项 “实现损耗”l有时实现损耗也叫通信或失真参数，比如滤波器 带宽，可能影响系统中多处噪声的功率，这又反 过来会影响链路预算。35预算过程l封闭的、平衡
15、的？l系统性能指标，模拟系统为均方误差，数字系统是误码 率，理想系统的公式计算误比特率等指标l链路预算不封闭或不平衡，就是修改A级指标，实现损耗甚至系统结构，并重作链路预算。l通过详细的仿真，可以精确估计性能指标和验证非理想 实现造成的性能降级，如果链路预算通过仿真验证还是 封闭的，就可以进入设计过程的下一阶段36二、关键元件的实现与测试l新信号处理算法和新硬件，仅造出了几个关键元 件，要测试整个系统的硬件是不可能的l仿真中将待测的元件测量特性代入该元件的仿真 模型l通过系统仿真评估关键元件是否满足设计要求37三、完成硬件原型与验证仿真模型 l整个系统的硬件原型以及与之对应的仿真模型l仿真模型
16、包括仿真中大部分元件的测量特征l硬件原型上测出整个系统的许多性能指标，还要 进行并行仿真l获得一个经验证的仿真模型，预测生命终结。38四、生命周期测试 l通信卫星、海底电缆l生命周期测试（Beginning of Life, BOL ）将元件老化模型代入验证过的BOL模 型，就得到系统EOL性能指标39仿真方法l时间驱动（单速度、多速率或可变速率采样）：该增量 等于采样频率的倒数，每个模型能根据新仿真时钟的值 来更新模型状态“do循环”“for循环”。l事件驱动：事件驱动的仿真可把时钟往前拨任意时间长 度，到为下一个关心的事件所安排的时间，系统中每个 功能模块根据新仿真时间的值更新模型状态。需要内插 和重采样，并带来一些跟时间安排相关的额外开销。l混合驱动。对通信系统仿真而言，最常用的还是带单速 率或多速率采样的时间驱动仿真。如果信号带宽具有很 宽的可变范围，这种系统的仿真就要用多速率采样。40仿真软件MATLAB（物理层仿真、信号处理）OPNET（协议仿真和业务仿真）SPW（物理层仿真，系
