1通信系統(tǒng)仿真吳偉民電子與信息工程系139710832511通信系統(tǒng)仿真吳偉民2引論模擬（仿真）？Simulation/emulation仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實(shí)過程，以尋求對(duì)真實(shí)過程的認(rèn)識(shí)。它所遵循的基本原則是相似性原理。RepresentationoftheoperationorfeaturesofoneprocessorsystemthroughtheuseofanotherComputerScienceToimitatethefunctionof(anothersystem),asbymodificationstohardwareorsoftwarethatallowtheimitatingsystemtoacceptthesamedata,executethesameprograms,andachievethesameresultsastheimitatedsystem.模擬：上層的、軟件的仿真：底層的、硬件的2引論模擬（仿真）？Simulation/emulation3以通信系統(tǒng)理論、隨機(jī)過程與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和仿真軟件為工具，對(duì)現(xiàn)實(shí)通信系統(tǒng)或未來通信系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的理論和方法。系統(tǒng)仿真由三個(gè)要素構(gòu)成：系統(tǒng)、模型和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是問題的本源；實(shí)驗(yàn)是解決問題達(dá)到目的的手段；系統(tǒng)模型是連接系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)之間的橋梁。計(jì)算機(jī)仿真通信系統(tǒng)仿真基本概念3以通信系統(tǒng)理論、隨機(jī)過程與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和優(yōu)化理論為基礎(chǔ)4計(jì)算機(jī)仿真三個(gè)活動(dòng)：

系統(tǒng)建模、仿真建模、仿真實(shí)驗(yàn)：4計(jì)算機(jī)仿真三個(gè)活動(dòng)：

系統(tǒng)建模、仿真建模、仿真實(shí)驗(yàn)：5應(yīng)用系統(tǒng)仿真的情況

“最后的方法”1．不存在完整的數(shù)學(xué)公式，或者還沒有一套解答數(shù)學(xué)模型公式的方法。2．需要對(duì)系統(tǒng)或過程進(jìn)行長期運(yùn)行的比較。3．系統(tǒng)還處于設(shè)計(jì)階段，并沒有真正建立起來，進(jìn)行多個(gè)方案的比較擇優(yōu)4．在真實(shí)系統(tǒng)上做實(shí)驗(yàn)會(huì)破壞系統(tǒng)的運(yùn)行。5．需做多次試驗(yàn)時(shí)，很難保證每次的操作條件都相同，因而無法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做出正確的判斷。6．試驗(yàn)費(fèi)用太大或有危險(xiǎn)性。5應(yīng)用系統(tǒng)仿真的情況6Why通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真1現(xiàn)代通信系統(tǒng)的復(fù)雜性通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所處的環(huán)境系統(tǒng)特性：功率和帶寬有限系統(tǒng)要求：高速數(shù)據(jù)復(fù)雜的調(diào)制和脈沖成形技術(shù)，差錯(cuò)控制、接收端的高級(jí)信號(hào)處理技術(shù)。高速數(shù)據(jù)同步要求變得更嚴(yán)格，接收機(jī)也更復(fù)雜更惡劣的環(huán)境中，多跳非線性放大器干擾多徑和陰影衰落。不能夠解析處理6Why通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真1現(xiàn)代通信系統(tǒng)的復(fù)雜性7Why通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真2計(jì)算機(jī)不僅功能強(qiáng)大，而且價(jià)格便宜計(jì)算機(jī)方法的發(fā)展另一個(gè)動(dòng)機(jī)：深入理解系統(tǒng)特性的有價(jià)值的工具。好的仿真跟在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)很類似，多點(diǎn)測量，參數(shù)研究，可以任意改動(dòng)濾波器帶寬和信噪比（SNR）等參數(shù)，而且還能很快地觀測到這些改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響。時(shí)域波形、信號(hào)譜圖、眼圖、信號(hào)星座圖、直方圖。仿真能更容易也更經(jīng)濟(jì)地對(duì)各種假設(shè)情況進(jìn)行研究，仿真的主要作用不在于獲得數(shù)值而在于獲得深入的理解。7Why通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真2計(jì)算機(jī)不僅功能強(qiáng)大，而且價(jià)格便8Why這門課程前面的原因：仿真的好處與重要性已經(jīng)學(xué)習(xí)過通信原理、無線通信、matlab，還有必要嗎？仿真的可信度？仿真的基本概念仿真工具是基礎(chǔ)，方法論是重點(diǎn)進(jìn)入科研研究的需要選題、仿真、硬件等定位物理層、通信信號(hào)處理、協(xié)議仿真8Why這門課程前面的原因：仿真的好處與重要性9

復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)數(shù)據(jù)源產(chǎn)生一個(gè)符號(hào)序列dk

離散的二進(jìn)制通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)源是無記憶的，離散無記憶源調(diào)制器的作用是將源符號(hào)變換成波形發(fā)射機(jī)對(duì)調(diào)制器的輸出進(jìn)行放大9復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)數(shù)據(jù)源產(chǎn)生一個(gè)符號(hào)序列dk10復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)信道是系統(tǒng)中需要進(jìn)行精確建模的最復(fù)雜的部分（AWGN）信道。

最佳接收機(jī)匹配濾波器輸出采樣判決易于解析處理的10復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)11復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)表示一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)的平均能量，跟波形集合相關(guān)聯(lián)，為加性信道噪聲的單邊功率譜密度K:參數(shù)取決于波形的相關(guān)程度。FSK,K=1PSK相差為弧度，使得信號(hào)為逆相關(guān)，k=211復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)表示一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)的平均12為什么該系統(tǒng)是易于解析處理的？AWGN信道接收機(jī)是線性的，通過分析，我們可以計(jì)算出作為接收端濾波器參數(shù)函數(shù)的誤比特率（BER），并可求出對(duì)應(yīng)于最小BER的濾波器參數(shù)值。數(shù)據(jù)源為無記憶的，理想的符號(hào)同步。仿真易于解析處理的系統(tǒng)是否也有作用呢？很可能是一個(gè)更復(fù)雜的系統(tǒng)的基本構(gòu)成模塊。易于解析處理的系統(tǒng)，可以開發(fā)出仿真代碼，這種系統(tǒng)能直接進(jìn)行分析，開發(fā)出的仿真能很容易得到驗(yàn)證。可以根據(jù)待研究系統(tǒng)的建模需求，數(shù)據(jù)源、調(diào)制器、信道或接收機(jī)進(jìn)行修改，起點(diǎn)是正確無誤的。12為什么該系統(tǒng)是易于解析處理的？AWGN信道接收機(jī)是線性13需繁瑣解析處理的系統(tǒng)增加了非線性放大器引入諧波與交調(diào)失真，頻譜拓展帶通濾波器，中心頻率等于所期望的載波頻率，作用就是減少非線性帶來的諧波與互調(diào)失真。13需繁瑣解析處理的系統(tǒng)增加了非線性放大器14問題調(diào)制器與HPA后面的濾波器導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)間擴(kuò)散從而在時(shí)間上濾波后的信號(hào)不再局限在符號(hào)周期內(nèi)，將引起符號(hào)間干擾（ISI）。在解調(diào)第i個(gè)符號(hào)時(shí)必須考慮的前續(xù)符號(hào)的數(shù)目，取決于濾波器輸出信號(hào)的記憶。第i個(gè)符號(hào)的差錯(cuò)概率取決于前k個(gè)符號(hào)14問題調(diào)制器與HPA后面的濾波器導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)間擴(kuò)散15問題二進(jìn)制的情況，2K個(gè)長度為k的不同序列AWGN信道，這個(gè)差錯(cuò)概率都是Q函數(shù)，可以直接計(jì)算每一個(gè)Q函數(shù)的值，但是計(jì)算過程很繁瑣，因而經(jīng)常會(huì)用到仿真的方法。噪聲注入點(diǎn)到統(tǒng)計(jì)量采集點(diǎn)之間的系統(tǒng)是線性的15問題二進(jìn)制的情況，2K個(gè)長度為k的不同序列AWGN信道，16半解析方法Vk均值，因?yàn)樵肼暃]有經(jīng)過HPA，因此無噪聲條件下仿真確定Vk方差：解析確定，等于Nk方差信道為高斯信道時(shí)，可以獲得Vk的概率密度函數(shù)16半解析方法Vk均值，因?yàn)樵肼暃]有經(jīng)過HPA，因此無噪聲條17難以解析處理的系統(tǒng)兩（單）跳衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器建模非線性大功率放大器（HPA），濾波器濾掉非線性造成的帶外諧波失真衛(wèi)星信道模型上行鏈路和下行鏈路噪聲17難以解析處理的系統(tǒng)兩（單）跳衛(wèi)星通信系統(tǒng)18why難以解析處理？即使假設(shè)上行鏈路和下行鏈路噪聲都是高斯過程，接收端的噪聲還是很難確定下行鏈路噪聲只通過系統(tǒng)的線性部分上行鏈路噪聲通過了系統(tǒng)的非線性部分無法獲得Vk概率密度函數(shù)的精確知識(shí)，差錯(cuò)概率就無法求出，仿真是一個(gè)必備的基本工具。18why難以解析處理？即使假設(shè)上行鏈路和下行鏈路噪聲都是高19仿真的多學(xué)科特點(diǎn)仿真問題理論框架線性系統(tǒng)理論確定線性系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的方法，時(shí)域（系統(tǒng)沖激響應(yīng)）和頻域（系統(tǒng)傳遞函數(shù)）表示系統(tǒng)模型19仿真的多學(xué)科特點(diǎn)仿真問題理論框架20仿真的多學(xué)科特點(diǎn)通信原理理解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、仿真可以用來確定合適的系統(tǒng)參數(shù)值就必須了解參數(shù)值的實(shí)際范圍，正常運(yùn)行和結(jié)果的合理性，深入理解適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)特性也很有必要20仿真的多學(xué)科特點(diǎn)通信原理理解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、仿真可以用來確定21仿真的多學(xué)科特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)元器件（如濾波器）的離散時(shí)間近似組成。數(shù)值分析和DSP密切相關(guān)，數(shù)值積分，微分、插值和曲線擬和21仿真的多學(xué)科特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)元器件（如濾波器22仿真的多學(xué)科特點(diǎn)概率通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)通常以概率形式表示。隨機(jī)過程理論數(shù)論開發(fā)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的工具。計(jì)算機(jī)科學(xué)表示信號(hào)采樣值的字長和字格式會(huì)影響仿真精度。22仿真的多學(xué)科特點(diǎn)概率通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)通常以概率形式表示23仿真的多學(xué)科特點(diǎn)估計(jì)理論的工具和概念仿真結(jié)果的有效性進(jìn)行評(píng)估。重復(fù)仿真得出的數(shù)值每次都會(huì)不同，無偏估計(jì)器是指估計(jì)均值等于欲測數(shù)量的那種估計(jì)器，一致估計(jì)是指估計(jì)的方差隨著仿真時(shí)間增加而減小的那種估計(jì)。23仿真的多學(xué)科特點(diǎn)估計(jì)理論的工具和概念仿真結(jié)果的有效性進(jìn)行24模型建立仿真模型要點(diǎn)：模型要足夠詳細(xì)、要建模的系統(tǒng)的基本特征不能過于復(fù)雜。考慮解析模型和仿真模型這兩種不同類型的模型是有益的。建模的首要和最重要的步驟是確定模型要描述的物理元器件的特征和工作特性，解析模型以方程或方程組的形式給出。從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。24模型建立仿真模型25模型三種模型：系統(tǒng)模型、設(shè)備模型和過程模型不同抽象程度的模型，考慮信道模型，我們將看到信道可以用波形級(jí)方法來建模，模型對(duì)波形采樣值進(jìn)行處理基于符號(hào)而非波形采樣值的離散馬爾可夫過程，馬爾可夫信道模型通常還將調(diào)制器、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)也納入信道中基于幀BLER的離散馬爾可夫過程25模型三種模型：系統(tǒng)模型、設(shè)備模型和過程模型26確定性與隨機(jī)性仿真確定性：固定電路的仿真隨機(jī)性：數(shù)字通信系統(tǒng)，其接收信號(hào)由發(fā)送信號(hào)和隨機(jī)噪聲疊加而成。BPSKAWGN確定性仿真，分析和確定性仿真都會(huì)給出一個(gè)數(shù)值結(jié)果，這一點(diǎn)是很重要的。每次作分析，都會(huì)得到同一個(gè)數(shù)。而每次進(jìn)行確定性仿真，也會(huì)獲得相同的結(jié)果隨機(jī)性仿真，仿真給出結(jié)果是隨機(jī)變量的一個(gè)樣本26確定性與隨機(jī)性仿真確定性：固定電路的仿真確定性仿真，分析27一個(gè)確定性仿真的實(shí)例完全確定性仿真是深入理解通信系統(tǒng)工作特性的重要工具由于鑒相器的非線性特性，在捕獲模式下對(duì)鎖相環(huán)作分析很復(fù)雜。在給定各種環(huán)路參數(shù)和輸入信號(hào)指標(biāo)的前提下，捕獲信號(hào)所需時(shí)間是鎖相環(huán)的一個(gè)重要性能參數(shù)。解析求解這個(gè)問題需要解非線性方程。因此，我們轉(zhuǎn)而考慮仿真方法。

27一個(gè)確定性仿真的實(shí)例完全確定性仿真是深入理解通信系統(tǒng)工28一個(gè)確定性仿真的實(shí)例完全確定性仿真是深入理解通信系統(tǒng)工作特性的重要工具5Hz阻尼因子0.70728一個(gè)確定性仿真的實(shí)例完全確定性仿真是深入理解通信系統(tǒng)工29一個(gè)隨機(jī)性仿真的實(shí)例Goal：BER蒙特卡羅方法輸入大量符號(hào)計(jì)算輸出的錯(cuò)誤符號(hào)誤比特率比特差錯(cuò)概率，誤碼率是誤碼概率的一致性估計(jì)29一個(gè)隨機(jī)性仿真的實(shí)例Goal：BER蒙303031仿真的作用通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段主要用在性能評(píng)估和設(shè)計(jì)權(quán)衡研究（參數(shù)優(yōu)化）；測試過程和基準(zhǔn)的設(shè)定、生命終結(jié)預(yù)測、現(xiàn)場系統(tǒng)布置后出現(xiàn)異常狀況的調(diào)查。系統(tǒng)設(shè)計(jì)“自頂至底”硬件實(shí)現(xiàn)通常是“自底至頂”進(jìn)行。31仿真的作用通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段32一、鏈路預(yù)算與系統(tǒng)級(jí)標(biāo)校過程

設(shè)計(jì)需求：吞吐率、差錯(cuò)率、中斷概率以及對(duì)帶寬、功率、重量、復(fù)雜度/成本、系統(tǒng)預(yù)期工作的信道和系統(tǒng)生命周期等的約束。基本概念：調(diào)制方式、編碼與均衡技術(shù)（如果有必要）確定指標(biāo)：A級(jí)指標(biāo)的參數(shù)值，比如功率級(jí)、帶寬和調(diào)制指數(shù)。32一、鏈路預(yù)算與系統(tǒng)級(jí)標(biāo)校過程設(shè)計(jì)需求：吞吐率、差錯(cuò)率、33一、鏈路預(yù)算與系統(tǒng)級(jí)標(biāo)校過程

目標(biāo)是確定系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)值，以便同時(shí)滿足性能目標(biāo)和設(shè)計(jì)約束系統(tǒng)性能是信噪比（SNR或等價(jià)地Eb/N0）和通信鏈路中所有元件引入的總失真的函數(shù)鏈路預(yù)算的過程來確定，鏈路預(yù)算主要是功率計(jì)算，要考慮發(fā)送功率、天線增益、路徑損耗、功率增益以及放大器和濾波器的噪聲S/N或范圍33一、鏈路預(yù)算與系統(tǒng)級(jí)標(biāo)校過程目標(biāo)是確定系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參34預(yù)算過程因?yàn)闊o法制造理想元件，放大器和濾波器等元器件的實(shí)際實(shí)現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生非理想特性，引起信號(hào)失真，首先以理想元件計(jì)算系統(tǒng)性能，然后包括一項(xiàng)“實(shí)現(xiàn)損耗”有時(shí)實(shí)現(xiàn)損耗也叫通信或失真參數(shù)，比如濾波器帶寬，可能影響系統(tǒng)中多處噪聲的功率，這又反過來會(huì)影響鏈路預(yù)算。34預(yù)算過程因?yàn)闊o法制造理想元件，放大器和濾波器等元器件的實(shí)35預(yù)算過程封閉的、平衡的？系統(tǒng)性能指標(biāo)，模擬系統(tǒng)為均方誤差，數(shù)字系統(tǒng)是誤碼率，理想系統(tǒng)的公式計(jì)算誤比特率等指標(biāo)鏈路預(yù)算不封閉或不平衡，就是修改A級(jí)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)損耗甚至系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并重作鏈路預(yù)算。通過詳細(xì)的仿真，可以精確估計(jì)性能指標(biāo)和驗(yàn)證非理想實(shí)現(xiàn)造成的性能降級(jí)，如果鏈路預(yù)算通過仿真驗(yàn)證還是封閉的，就可以進(jìn)入設(shè)計(jì)過程的下一階段35預(yù)算過程封閉的、平衡的？36二、關(guān)鍵元件的實(shí)現(xiàn)與測試新信號(hào)處理算法和新硬件，僅造出了幾個(gè)關(guān)鍵元件，要測試整個(gè)系統(tǒng)的硬件是不可能的仿真中將待測的元件測量特性代入該元件的仿真模型通過系統(tǒng)仿真評(píng)估關(guān)鍵元件是否滿足設(shè)計(jì)要求36二、關(guān)鍵元件的實(shí)現(xiàn)與測試新信號(hào)處理算法和新硬件，僅造出了37三、完成硬件原型與驗(yàn)證仿真模型

整個(gè)系統(tǒng)的硬件原型以及與之對(duì)應(yīng)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(gè)系統(tǒng)的許多性能指標(biāo)，還要進(jìn)行并行仿真獲得一個(gè)經(jīng)驗(yàn)證的仿真模型，預(yù)測生命終結(jié)。37三、完成硬件原型與驗(yàn)證仿真模型整個(gè)系統(tǒng)的硬件原型以及與38四、生命周期測試通信衛(wèi)星、海底電纜生命周期測試（BeginningofLife,BOL）將元件老化模型代入驗(yàn)證過的BOL模型，就得到系統(tǒng)EOL性能指標(biāo)38四、生命周期測試通信衛(wèi)星、海底電纜39仿真方法時(shí)間驅(qū)動(dòng)（單速度、多速率或可變速率采樣）：該增量等于采樣頻率的倒數(shù)，每個(gè)模型能根據(jù)新仿真時(shí)鐘的值來更新模型狀態(tài)“do循環(huán)”“for循環(huán)”。事件驅(qū)動(dòng)：事件驅(qū)動(dòng)的仿真可把時(shí)鐘往前撥任意時(shí)間長度，到為下一個(gè)關(guān)心的事件所安排的時(shí)間，系統(tǒng)中每個(gè)功能模塊根據(jù)新仿真時(shí)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(shí)間安排相關(guān)的額外開銷。混合驅(qū)動(dòng)。對(duì)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(shí)間驅(qū)動(dòng)仿真。如果信號(hào)帶寬具有很寬的可變范圍，這種系統(tǒng)的仿真就要用多速率采樣。39仿真方法時(shí)間驅(qū)動(dòng)（單速度、多速率或可變速率采樣）：該增量40仿真軟件MATLAB（物理層仿真、信號(hào)處理）OPNET（協(xié)議仿真和業(yè)務(wù)仿真）

SPW（物理層仿真，系統(tǒng)級(jí)仿真有優(yōu)勢(shì)）

SystemViewC,C++(物理層模塊仿真）

NS2（協(xié)議仿真）40仿真軟件41課程要求及規(guī)劃ProjectMATLABOPNET題目（給定范圍自選）要求仿真分析中文注釋41課程要求及規(guī)劃Project42課程報(bào)告-建議題目（不限于）?信道均衡技術(shù)仿真?TURBO編解碼仿真?多載波調(diào)制與OFDM.仿真?無線接入技術(shù)仿真?多用戶無線信道仿真.?多業(yè)務(wù)通信系統(tǒng)仿真.?WCDMA、TDS-CDMA、CDMA2000或者Wimax仿真.?自適應(yīng)調(diào)制仿真.?MIMO系統(tǒng)仿真?擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真42課程報(bào)告-建議題目（不限于）?信道均衡技術(shù)仿真43通信系統(tǒng)仿真吳偉民電子與信息工程系139710832511通信系統(tǒng)仿真吳偉民44引論模擬（仿真）？Simulation/emulation仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實(shí)過程，以尋求對(duì)真實(shí)過程的認(rèn)識(shí)。它所遵循的基本原則是相似性原理。RepresentationoftheoperationorfeaturesofoneprocessorsystemthroughtheuseofanotherComputerScienceToimitatethefunctionof(anothersystem),asbymodificationstohardwareorsoftwarethatallowtheimitatingsystemtoacceptthesamedata,executethesameprograms,andachievethesameresultsastheimitatedsystem.模擬：上層的、軟件的仿真：底層的、硬件的2引論模擬（仿真）？Simulation/emulation45以通信系統(tǒng)理論、隨機(jī)過程與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和仿真軟件為工具，對(duì)現(xiàn)實(shí)通信系統(tǒng)或未來通信系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的理論和方法。系統(tǒng)仿真由三個(gè)要素構(gòu)成：系統(tǒng)、模型和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是問題的本源；實(shí)驗(yàn)是解決問題達(dá)到目的的手段；系統(tǒng)模型是連接系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)之間的橋梁。計(jì)算機(jī)仿真通信系統(tǒng)仿真基本概念3以通信系統(tǒng)理論、隨機(jī)過程與統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和優(yōu)化理論為基礎(chǔ)46計(jì)算機(jī)仿真三個(gè)活動(dòng)：

系統(tǒng)建模、仿真建模、仿真實(shí)驗(yàn)：4計(jì)算機(jī)仿真三個(gè)活動(dòng)：

系統(tǒng)建模、仿真建模、仿真實(shí)驗(yàn)：47應(yīng)用系統(tǒng)仿真的情況

“最后的方法”1．不存在完整的數(shù)學(xué)公式，或者還沒有一套解答數(shù)學(xué)模型公式的方法。2．需要對(duì)系統(tǒng)或過程進(jìn)行長期運(yùn)行的比較。3．系統(tǒng)還處于設(shè)計(jì)階段，并沒有真正建立起來，進(jìn)行多個(gè)方案的比較擇優(yōu)4．在真實(shí)系統(tǒng)上做實(shí)驗(yàn)會(huì)破壞系統(tǒng)的運(yùn)行。5．需做多次試驗(yàn)時(shí)，很難保證每次的操作條件都相同，因而無法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做出正確的判斷。6．試驗(yàn)費(fèi)用太大或有危險(xiǎn)性。5應(yīng)用系統(tǒng)仿真的情況48Why通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真1現(xiàn)代通信系統(tǒng)的復(fù)雜性通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所處的環(huán)境系統(tǒng)特性：功率和帶寬有限系統(tǒng)要求：高速數(shù)據(jù)復(fù)雜的調(diào)制和脈沖成形技術(shù)，差錯(cuò)控制、接收端的高級(jí)信號(hào)處理技術(shù)。高速數(shù)據(jù)同步要求變得更嚴(yán)格，接收機(jī)也更復(fù)雜更惡劣的環(huán)境中，多跳非線性放大器干擾多徑和陰影衰落。不能夠解析處理6Why通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真1現(xiàn)代通信系統(tǒng)的復(fù)雜性49Why通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真2計(jì)算機(jī)不僅功能強(qiáng)大，而且價(jià)格便宜計(jì)算機(jī)方法的發(fā)展另一個(gè)動(dòng)機(jī)：深入理解系統(tǒng)特性的有價(jià)值的工具。好的仿真跟在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)很類似，多點(diǎn)測量，參數(shù)研究，可以任意改動(dòng)濾波器帶寬和信噪比（SNR）等參數(shù)，而且還能很快地觀測到這些改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響。時(shí)域波形、信號(hào)譜圖、眼圖、信號(hào)星座圖、直方圖。仿真能更容易也更經(jīng)濟(jì)地對(duì)各種假設(shè)情況進(jìn)行研究，仿真的主要作用不在于獲得數(shù)值而在于獲得深入的理解。7Why通信系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真2計(jì)算機(jī)不僅功能強(qiáng)大，而且價(jià)格便50Why這門課程前面的原因：仿真的好處與重要性已經(jīng)學(xué)習(xí)過通信原理、無線通信、matlab，還有必要嗎？仿真的可信度？仿真的基本概念仿真工具是基礎(chǔ)，方法論是重點(diǎn)進(jìn)入科研研究的需要選題、仿真、硬件等定位物理層、通信信號(hào)處理、協(xié)議仿真8Why這門課程前面的原因：仿真的好處與重要性51

復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)數(shù)據(jù)源產(chǎn)生一個(gè)符號(hào)序列dk

離散的二進(jìn)制通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)源是無記憶的，離散無記憶源調(diào)制器的作用是將源符號(hào)變換成波形發(fā)射機(jī)對(duì)調(diào)制器的輸出進(jìn)行放大9復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)數(shù)據(jù)源產(chǎn)生一個(gè)符號(hào)序列dk52復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)信道是系統(tǒng)中需要進(jìn)行精確建模的最復(fù)雜的部分（AWGN）信道。

最佳接收機(jī)匹配濾波器輸出采樣判決易于解析處理的10復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)53復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)表示一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)的平均能量，跟波形集合相關(guān)聯(lián)，為加性信道噪聲的單邊功率譜密度K:參數(shù)取決于波形的相關(guān)程度。FSK,K=1PSK相差為弧度，使得信號(hào)為逆相關(guān)，k=211復(fù)雜性示例

易于解析處理的系統(tǒng)表示一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)的平均54為什么該系統(tǒng)是易于解析處理的？AWGN信道接收機(jī)是線性的，通過分析，我們可以計(jì)算出作為接收端濾波器參數(shù)函數(shù)的誤比特率（BER），并可求出對(duì)應(yīng)于最小BER的濾波器參數(shù)值。數(shù)據(jù)源為無記憶的，理想的符號(hào)同步。仿真易于解析處理的系統(tǒng)是否也有作用呢？很可能是一個(gè)更復(fù)雜的系統(tǒng)的基本構(gòu)成模塊。易于解析處理的系統(tǒng)，可以開發(fā)出仿真代碼，這種系統(tǒng)能直接進(jìn)行分析，開發(fā)出的仿真能很容易得到驗(yàn)證。可以根據(jù)待研究系統(tǒng)的建模需求，數(shù)據(jù)源、調(diào)制器、信道或接收機(jī)進(jìn)行修改，起點(diǎn)是正確無誤的。12為什么該系統(tǒng)是易于解析處理的？AWGN信道接收機(jī)是線性55需繁瑣解析處理的系統(tǒng)增加了非線性放大器引入諧波與交調(diào)失真，頻譜拓展帶通濾波器，中心頻率等于所期望的載波頻率，作用就是減少非線性帶來的諧波與互調(diào)失真。13需繁瑣解析處理的系統(tǒng)增加了非線性放大器56問題調(diào)制器與HPA后面的濾波器導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)間擴(kuò)散從而在時(shí)間上濾波后的信號(hào)不再局限在符號(hào)周期內(nèi)，將引起符號(hào)間干擾（ISI）。在解調(diào)第i個(gè)符號(hào)時(shí)必須考慮的前續(xù)符號(hào)的數(shù)目，取決于濾波器輸出信號(hào)的記憶。第i個(gè)符號(hào)的差錯(cuò)概率取決于前k個(gè)符號(hào)14問題調(diào)制器與HPA后面的濾波器導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)間擴(kuò)散57問題二進(jìn)制的情況，2K個(gè)長度為k的不同序列AWGN信道，這個(gè)差錯(cuò)概率都是Q函數(shù)，可以直接計(jì)算每一個(gè)Q函數(shù)的值，但是計(jì)算過程很繁瑣，因而經(jīng)常會(huì)用到仿真的方法。噪聲注入點(diǎn)到統(tǒng)計(jì)量采集點(diǎn)之間的系統(tǒng)是線性的15問題二進(jìn)制的情況，2K個(gè)長度為k的不同序列AWGN信道，58半解析方法Vk均值，因?yàn)樵肼暃]有經(jīng)過HPA，因此無噪聲條件下仿真確定Vk方差：解析確定，等于Nk方差信道為高斯信道時(shí)，可以獲得Vk的概率密度函數(shù)16半解析方法Vk均值，因?yàn)樵肼暃]有經(jīng)過HPA，因此無噪聲條59難以解析處理的系統(tǒng)兩（單）跳衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器建模非線性大功率放大器（HPA），濾波器濾掉非線性造成的帶外諧波失真衛(wèi)星信道模型上行鏈路和下行鏈路噪聲17難以解析處理的系統(tǒng)兩（單）跳衛(wèi)星通信系統(tǒng)60why難以解析處理？即使假設(shè)上行鏈路和下行鏈路噪聲都是高斯過程，接收端的噪聲還是很難確定下行鏈路噪聲只通過系統(tǒng)的線性部分上行鏈路噪聲通過了系統(tǒng)的非線性部分無法獲得Vk概率密度函數(shù)的精確知識(shí)，差錯(cuò)概率就無法求出，仿真是一個(gè)必備的基本工具。18why難以解析處理？即使假設(shè)上行鏈路和下行鏈路噪聲都是高61仿真的多學(xué)科特點(diǎn)仿真問題理論框架線性系統(tǒng)理論確定線性系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的方法，時(shí)域（系統(tǒng)沖激響應(yīng)）和頻域（系統(tǒng)傳遞函數(shù)）表示系統(tǒng)模型19仿真的多學(xué)科特點(diǎn)仿真問題理論框架62仿真的多學(xué)科特點(diǎn)通信原理理解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、仿真可以用來確定合適的系統(tǒng)參數(shù)值就必須了解參數(shù)值的實(shí)際范圍，正常運(yùn)行和結(jié)果的合理性，深入理解適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)特性也很有必要20仿真的多學(xué)科特點(diǎn)通信原理理解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、仿真可以用來確定63仿真的多學(xué)科特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)元器件（如濾波器）的離散時(shí)間近似組成。數(shù)值分析和DSP密切相關(guān)，數(shù)值積分，微分、插值和曲線擬和21仿真的多學(xué)科特點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)元器件（如濾波器64仿真的多學(xué)科特點(diǎn)概率通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)通常以概率形式表示。隨機(jī)過程理論數(shù)論開發(fā)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的工具。計(jì)算機(jī)科學(xué)表示信號(hào)采樣值的字長和字格式會(huì)影響仿真精度。22仿真的多學(xué)科特點(diǎn)概率通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)通常以概率形式表示65仿真的多學(xué)科特點(diǎn)估計(jì)理論的工具和概念仿真結(jié)果的有效性進(jìn)行評(píng)估。重復(fù)仿真得出的數(shù)值每次都會(huì)不同，無偏估計(jì)器是指估計(jì)均值等于欲測數(shù)量的那種估計(jì)器，一致估計(jì)是指估計(jì)的方差隨著仿真時(shí)間增加而減小的那種估計(jì)。23仿真的多學(xué)科特點(diǎn)估計(jì)理論的工具和概念仿真結(jié)果的有效性進(jìn)行66模型建立仿真模型要點(diǎn)：模型要足夠詳細(xì)、要建模的系統(tǒng)的基本特征不能過于復(fù)雜。考慮解析模型和仿真模型這兩種不同類型的模型是有益的。建模的首要和最重要的步驟是確定模型要描述的物理元器件的特征和工作特性，解析模型以方程或方程組的形式給出。從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。24模型建立仿真模型67模型三種模型：系統(tǒng)模型、設(shè)備模型和過程模型不同抽象程度的模型，考慮信道模型，我們將看到信道可以用波形級(jí)方法來建模，模型對(duì)波形采樣值進(jìn)行處理基于符號(hào)而非波形采樣值的離散馬爾可夫過程，馬爾可夫信道模型通常還將調(diào)制器、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)也納入信道中基于幀BLER的離散馬爾可夫過程25模型三種模型：系統(tǒng)模型、設(shè)備模型和過程模型68確定性與隨機(jī)性仿真確定性：固定電路的仿真隨機(jī)性：數(shù)字通信系統(tǒng)，其接收信號(hào)由發(fā)送信號(hào)和隨機(jī)噪聲疊加而成。BPSKAWGN確定性仿真，分析和確定性仿真都會(huì)給出一個(gè)數(shù)值結(jié)果，這一點(diǎn)是很重要的。每次作分析，都會(huì)得到同一個(gè)數(shù)。而每次進(jìn)行確定性仿真，也會(huì)獲得相同的結(jié)果隨機(jī)性仿真，仿真給出結(jié)果是隨機(jī)變量的一個(gè)樣本26確定性與隨機(jī)性仿真確定性：固定電路的仿真確定性仿真，分析69一個(gè)確定性仿真的實(shí)例完全確定性仿真是深入理解通信系統(tǒng)工作特性的重要工具由于鑒相器的非線性特性，在捕獲模式下對(duì)鎖相環(huán)作分析很復(fù)雜。在給定各種環(huán)路參數(shù)和輸入信號(hào)指標(biāo)的前提下，捕獲信號(hào)所需時(shí)間是鎖相環(huán)的一個(gè)重要性能參數(shù)。解析求解這個(gè)問題需要解非線性方程。因此，我們轉(zhuǎn)而考慮仿真方法。

27一個(gè)確定性仿真的實(shí)例完全確定性仿真是深入理解通信系統(tǒng)工70一個(gè)確定性仿真的實(shí)例完全確定性仿真是深入理解通信系統(tǒng)工作特性的重要工具5Hz阻尼因子0.70728一個(gè)確定性仿真的實(shí)例完全確定性仿真是深入理解通信系統(tǒng)工71一個(gè)隨機(jī)性仿真的實(shí)例Goal：BER蒙特卡羅方法輸入大量符號(hào)計(jì)算輸出的錯(cuò)誤符號(hào)誤比特率比特差錯(cuò)概率，誤碼率是誤碼概率的一致性估計(jì)29一個(gè)隨機(jī)性仿真的實(shí)例Goal：BER蒙723073仿真的作用通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段主要用在性能評(píng)估和設(shè)計(jì)權(quán)衡研究（參數(shù)優(yōu)化）；測試過程和基準(zhǔn)的設(shè)定、生命終結(jié)預(yù)測、現(xiàn)場系統(tǒng)布置后出現(xiàn)異常狀況的調(diào)查。系統(tǒng)設(shè)計(jì)“自頂至底”硬件實(shí)現(xiàn)通常是“自底至頂”進(jìn)行。31仿真的作用通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段74一、鏈路預(yù)算與系統(tǒng)級(jí)標(biāo)校過程

設(shè)計(jì)需求：吞吐率、差錯(cuò)率、中斷概率以及對(duì)帶寬、功率、重量、復(fù)雜度/成本、系統(tǒng)預(yù)期工作的信道和系統(tǒng)生命周期等的約束。基本概念：調(diào)制方式、編碼與均衡技術(shù)（如果有必要）確定指標(biāo)：A級(jí)指標(biāo)的參數(shù)值，比如功率級(jí)、帶寬和調(diào)制指數(shù)。32一、鏈路預(yù)算與系統(tǒng)級(jí)標(biāo)校過程設(shè)計(jì)需求：吞吐率、差錯(cuò)率、75一、鏈路預(yù)算與系統(tǒng)級(jí)標(biāo)校過程

目標(biāo)是確定系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)值，以便同時(shí)滿足性能目標(biāo)和設(shè)計(jì)約束系統(tǒng)性能是信噪比（SNR或等價(jià)地Eb/N0）和通信鏈路中所有元件引入的總失真的函數(shù)鏈路預(yù)算的過程來確定，鏈路預(yù)算主要是功率計(jì)算，要考慮發(fā)送功率、天線增益、路徑損耗、功率增益以及放大器和濾波器的噪聲S/N或范圍33一、鏈路預(yù)算與系統(tǒng)級(jí)標(biāo)校過程目標(biāo)是確定系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參76預(yù)算過程因?yàn)闊o法制造理想元件，放大器和濾波器等元器件的實(shí)際實(shí)現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生非理想特性，引起信號(hào)失真，首先以理想元件計(jì)算系統(tǒng)性能，然后包括一項(xiàng)“實(shí)現(xiàn)損耗”有時(shí)實(shí)現(xiàn)損耗也叫通信或失真參數(shù)，比如濾波器帶寬，可能影響系統(tǒng)中多處噪聲的功率，這又反過來會(huì)影響鏈路預(yù)算。34預(yù)算過程因?yàn)闊o