通信系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)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(yù)算與系統(tǒng)級(jí)標(biāo)校過程二、關(guān)鍵元件的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試,2,一、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。 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。,3,二、關(guān)鍵元件的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試,仿真將關(guān)鍵的元件的測(cè)量特性代入該元件

2、的仿真模型,4,三、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(cè)量特征硬件原型上測(cè)出整個(gè)系統(tǒng)的許多性能指標(biāo)，還要進(jìn)行并行仿真完整原型一個(gè)經(jīng)驗(yàn)證的仿真模型預(yù)測(cè)生命終結(jié)。,5,四、生命周期測(cè)試,通信衛(wèi)星、海底電纜生命周期測(cè)試（Beginning of Life, BOL）將元件老化模型代入驗(yàn)證過的BOL模型，就得到系統(tǒng)BOL性能指標(biāo)。,6,7,仿真方法,時(shí)間驅(qū)動(dòng)（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(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(zhǎng)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?；旌向?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

4、速率采樣。,8,軟件,SYSTEM VIEW MATLAB SIMULINK C，C++ 其他領(lǐng)域: Flexsim…,9,課程報(bào)告(續(xù))-建議題目（不限于）,? 信道均衡技術(shù)仿真； ? 多載波調(diào)制與OFDM.仿真? 無(wú)線接入技術(shù)仿真 ? 多用戶無(wú)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

5、系統(tǒng)仿真? 擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真,10,cont,? 智能天線仿真? 空時(shí)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(cè)仿真? 協(xié)作通信仿真? 軟件無(wú)線電或者認(rèn)知無(wú)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(píng)估-art定量建模與估計(jì) science(科學(xué)-技術(shù)-工程-技藝）步驟：將給定問題映射為仿真模型。

6、把整個(gè)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(jì)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(duì)整個(gè)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(diǎn)）所用到的具體方法是定義明確的、嚴(yán)格的，并且在本質(zhì)上是算法可實(shí)現(xiàn)或可量化的。有限沖激響應(yīng)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(hào)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(gè)過程，建立通信

7、系統(tǒng)中不同功能“模塊”所實(shí)現(xiàn)的信號(hào)處理運(yùn)算的模型，以及產(chǎn)生通信系統(tǒng)不同工作點(diǎn)所需的輸入波形。分析波形以優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)或獲得性能指標(biāo),13,問題示例,移動(dòng)通信系統(tǒng)時(shí)變衰落中斷通信系統(tǒng)波形級(jí)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(duì)方框圖進(jìn)行簡(jiǎn)化和劃分。方

8、法論中最難的步驟之一是將設(shè)計(jì)和/或性能估計(jì)問題映射為仿真模型，實(shí)現(xiàn)的好壞決定了運(yùn)行仿真所需的機(jī)時(shí)和仿真結(jié)果的精度。,15,Step2,產(chǎn)生所有輸入波形或激勵(lì)信號(hào)的采樣值，來驅(qū)動(dòng)仿真模型。隨機(jī)過程的采樣值是用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的仿真期間，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的輸出被用作合適的模塊的輸入，以“驅(qū)動(dòng)”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(cè)量結(jié)果來驗(yàn)證仿真結(jié)果為了檢驗(yàn)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(cè)量結(jié)果來進(jìn)行驗(yàn)證還是必需的。,17,方法論,由于實(shí)際的通信系統(tǒng)通常太過復(fù)雜，無(wú)法對(duì)其整體進(jìn)行準(zhǔn)確的建模和仿真有多種方法可用來降低整個(gè)仿真問題的復(fù)雜度，使其占用的計(jì)算資源、所需的時(shí)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(dòng)通信系統(tǒng)中的兩個(gè)問題為例均衡器設(shè)計(jì)：決定抽頭數(shù)，抽頭間隔，和用于接收機(jī)均衡器中進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算所需的比特?cái)?shù)。系統(tǒng)性能評(píng)估：決定維持可接受性能級(jí)

10、別所需的第一個(gè)問題：詳細(xì)設(shè)計(jì)第二個(gè)問題：性能評(píng)估不同:建立系統(tǒng)哪一部分的模型、包含哪些細(xì)節(jié)、用什么建模方法、仿真方法、估計(jì)方法,,19,方法論,系統(tǒng)要仿真部分的詳細(xì)方框圖最終的仿真模型可通過簡(jiǎn)化初始方框圖而產(chǎn)生 遞階表示劃分與條件化簡(jiǎn)化（近似，假設(shè)和各種簡(jiǎn)化）,,20,遞階表示,遞階是在建模、軟件設(shè)計(jì)和其他應(yīng)用中降低復(fù)雜度的常用方法，開始于一個(gè)“系統(tǒng)”級(jí)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(jí)或電路）層

11、遞階中越底層的構(gòu)建模塊包含越多的細(xì)節(jié)，而越高層的模塊則越抽象并負(fù)責(zé)模塊的整體功能，直到更進(jìn)一步有意義的分解變得不可能或沒必要時(shí),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(yīng)該用盡可能高的抽象程度來進(jìn)行仿真降低復(fù)雜度和所需的仿真時(shí)間，越高級(jí)模型將具有越少的參數(shù)且越易于驗(yàn)證，越少的參數(shù)意味著模型能用越少的指標(biāo)來刻畫巴特沃思濾波器的電路級(jí)模型包含12個(gè)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(gè)參數(shù)：

12、濾波器階數(shù)和濾波器帶寬,24,抽象表達(dá),在系統(tǒng)級(jí)，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(gè)數(shù)字濾波器可以在比特級(jí)仿真，一個(gè)模擬濾波器可以在電路級(jí)仿真，較高級(jí)模型都是傳遞函數(shù)形式的，可由比特級(jí)或電路級(jí)仿真導(dǎo)出。在設(shè)計(jì)周期的前期，濾波器傳遞函數(shù)已被假設(shè)或“指定”，而傳遞函數(shù)的實(shí)際特性將在濾波器設(shè)計(jì)和仿真后得到。在設(shè)計(jì)周期的后期，測(cè)量－－》且測(cè)得的傳遞函數(shù)能用于較高級(jí)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(shí)際設(shè)計(jì)也是自項(xiàng)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(cè)量或仿真的）自底向上經(jīng)過遞階中的各層，有時(shí)可能要用不同的仿真來進(jìn)行更詳細(xì)的仿真－－“聯(lián)合仿真”。,25,劃分與條件化,將一個(gè)復(fù)雜問題劃分為一組相互關(guān)照但獨(dú)立的問題遞階處理的是不同級(jí)的抽象劃分通常處理同級(jí)的抽象，問題中可單獨(dú)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(dú)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(jì)具有非理想同步（時(shí)鐘和載波恢復(fù)）系統(tǒng)的差錯(cuò)率先在不同的時(shí)鐘和載波相應(yīng)差錯(cuò)值條件下，估計(jì)系統(tǒng)中差錯(cuò)的條件概率；然后仿真同步系統(tǒng)以獲得定時(shí)差錯(cuò)的分布；我們根據(jù)定時(shí)差錯(cuò)和相位差錯(cuò)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(shí)差錯(cuò)和相位差錯(cuò)的情況

15、下確定誤比特率（BER）的例子，運(yùn)用這個(gè)原理得,,,28,簡(jiǎn)化與近似,第一步，在初始方框圖模型中包括盡可能多的細(xì)節(jié)降低整個(gè)模型和子系統(tǒng)模型的復(fù)雜度這些方法包括忽略對(duì)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(jiǎn)化方法例：系統(tǒng)級(jí)性能評(píng)估問題，是緩慢時(shí)變的，且系統(tǒng)運(yùn)行在高信器噪比（S/N） ，可合理地預(yù)計(jì)同步差錯(cuò)很小，因而在性能估計(jì)時(shí)同步的影響可以忽略不計(jì)。并可將其從方框圖中刪去近似和假設(shè)廣泛用于簡(jiǎn)化仿真模型。最常使用

16、的假設(shè)和近似包括時(shí)不變（穩(wěn)態(tài)）性質(zhì)和線性化。當(dāng)觀察時(shí)間足夠長(zhǎng)且輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍足夠在時(shí)，大多數(shù)實(shí)際的系統(tǒng)可能表現(xiàn)出時(shí)變和非線性，但在短時(shí)間段和低信號(hào)電平的情況下，它們?nèi)匀豢梢杂删€性時(shí)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?zhǔn)靜態(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(jiǎn)化方框圖。對(duì)中間波形興趣不大，其作用也很小。,29,單個(gè)模塊的建模,仿真模型應(yīng)接受一列按時(shí)間先后次序

17、排列的輸入波形的采樣，并依某個(gè)明確定義的傳輸特性產(chǎn)生一組按時(shí)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(gè)變換：,,30,單個(gè)模塊的建?！屯ǖ刃П硎?低通復(fù)等效表示所有信號(hào)和系統(tǒng)部件在計(jì)算上有優(yōu)勢(shì)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(hào)的低通等效表示和信號(hào)換來實(shí)現(xiàn)。確定性信號(hào)的低通等效是通過對(duì)其傅里葉變換變換獲功率譜密度是用地隨機(jī)信號(hào)的如果帶通頻譜在載波的兩

18、邊不對(duì)稱，低通等效表示在時(shí)域中取復(fù)數(shù)值。,,31,單個(gè)模塊的建?！蓸?通等效表示時(shí)，它們可以用相同時(shí)間間隔的采樣點(diǎn)來采樣和表示。要求的最小采樣率是理想低通信號(hào)（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(shí)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(shè)符號(hào)率的8至16倍。增加采樣率將計(jì)算量,,32,單個(gè)模塊的建?！€性與線性模型,非線性：判決反饋均衡器運(yùn)算、同步子系統(tǒng)中的非

19、線性運(yùn)算及對(duì)脈沖噪聲有意的限制等 功率放大器在接近其最大運(yùn)行率時(shí)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(duì)通信信號(hào)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(duì)具有非線性系統(tǒng)建立模型無(wú)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(huì)產(chǎn)生帶寬擴(kuò)展，將采樣率設(shè)置得足夠高以把握帶寬擴(kuò)展帶來的影響

20、。,,33,單個(gè)模塊的建?！獣r(shí)不變性,是否要采用時(shí)變模型取決于許多因素 系統(tǒng)的時(shí)不就部分的帶寬相比其變化速率可能非常緩慢某個(gè)長(zhǎng)期平均的特性而不是動(dòng)態(tài)特性。時(shí)變特性進(jìn)行仿真：運(yùn)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(shí)間的捕捉和跟蹤特性。仿真模型是帶時(shí)變抽頭增益的抽頭延時(shí)線，抽頭增益常建模為濾波隨機(jī)過程。時(shí)變性的影響譜擴(kuò)散，從而要求更高的采樣率。時(shí)變模塊的次序不能改變。,,34,單個(gè)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(shí)輸入和以前輸入,,35,單個(gè)模塊的建?！獣r(shí)域和頻域仿真,一個(gè)功能模塊或系統(tǒng)元件的輸入-輸出關(guān)系可以在時(shí)域頻域中進(jìn)行建模和仿真取決于最初規(guī)格說明時(shí)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(shí)域輸入采樣的內(nèi)部緩存器，要對(duì)存于器中的輸入向量作變換，然后進(jìn)行頻域處理?傅里葉反變換及輸出端緩存,,36,單個(gè)模塊的建?！獕K處理,模型可以實(shí)現(xiàn)為每次調(diào)用只接受和處理單個(gè)時(shí)域

22、采樣或一個(gè)N個(gè)時(shí)域采樣組成的塊當(dāng)調(diào)用開銷很大時(shí)，采用塊或向量處理的方法在計(jì)算會(huì)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(yùn)算會(huì)引入一個(gè)N*Ts 秒的時(shí)延。由于大的處理時(shí)延，在反饋環(huán)中包含塊輸入-輸出模型會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果非線性模型交織在一起，則對(duì)于非線性元件回復(fù)到逐個(gè)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(gè)模塊的建?！儾介L(zhǎng)處理,如果一個(gè)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(duì)應(yīng)帶寬相一致的速率來采樣和處理每個(gè)信號(hào)，而這會(huì)顯著提高計(jì)算效率。變步長(zhǎng)處理也常用于改善計(jì)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(zhǎng)?統(tǒng)一步長(zhǎng)（緩存、轉(zhuǎn)換）,,38,單個(gè)模塊的建?！獏?shù)確定,仿真的一個(gè)主要應(yīng)用是設(shè)計(jì)優(yōu)化?歸結(jié)為找到一些重要參數(shù)的量?jī)?yōu)值，接收器濾波器帶寬放大器工作點(diǎn)用于接收器的量化級(jí)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(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)在外部

24、可見?“外部旋鈕”可用于在仿真過程中復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)。給定模型的參數(shù)個(gè)數(shù)。參數(shù)越少，參數(shù)值的測(cè)量和驗(yàn)證就變得越簡(jiǎn)單。,,39,單個(gè)模塊的建模——與其他模塊的接口,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(hào)類型、塊大小、步長(zhǎng)、多速率采樣、不同塊中不一致的參數(shù),,40,隨機(jī)過程建模與仿真,假設(shè)已經(jīng)獲得一個(gè)具有最高抽象程度和最少?gòu)?fù)雜的系統(tǒng)模型建模和產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)仿真模型的輸入波形（信號(hào)、

25、噪聲及干擾）波形級(jí)仿真的基本目標(biāo)是模擬系統(tǒng)中的波形及計(jì)算波形保真度的一些指標(biāo)波形或激勵(lì)的建模和仿真是很重要的信號(hào)、噪聲、干擾 隨機(jī)過程 平穩(wěn)性假設(shè),41,平穩(wěn)隨機(jī)過程的表達(dá),平穩(wěn)隨機(jī)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(gè)著名例外，它完全由二階分布定義（均值自相關(guān)函數(shù)）用于驅(qū)動(dòng)仿真的隨機(jī)過程的采樣值是用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)列,42,隨機(jī)過程建模與仿

26、真——高斯近似,簡(jiǎn)化了激勵(lì)的產(chǎn)生。高斯近似，大量噪聲疊加與高斯隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的輸出完全相同。,43,隨機(jī)過程建模與仿真——等效過程表示,隨機(jī)過程X（t），經(jīng)過n個(gè)模塊輸出Y(t)簡(jiǎn)單地插入一個(gè)表示Y（t）采樣值的序列，從而無(wú)須產(chǎn)生和處理X（t）通過n個(gè)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(jī)過程建模與仿真——慢過程和快過程,許多帶寬或“時(shí)間常數(shù)”差別很大的隨機(jī)現(xiàn)象

27、。一個(gè)隨機(jī)過程的的帶寬與另一個(gè)相差很大，差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，分開仿真多速率采樣，,45,性能估計(jì)仿真,仿真的主要目標(biāo)之一就是性能估計(jì)模擬通信系統(tǒng)，輸出信噪比（s/N）對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)誤比特率（BER）或幀差錯(cuò)率（FER）信噪比是數(shù)字通信系統(tǒng)第二重要的性能指標(biāo),而是讓N個(gè)符號(hào)通過系統(tǒng)并計(jì)數(shù)發(fā)生差錯(cuò)的個(gè)數(shù)來估計(jì)。BER差錯(cuò)概率如果延時(shí)不完全正確，延時(shí)模塊由長(zhǎng)度可變的延時(shí)線來實(shí)現(xiàn)。延時(shí)通常量化為采樣周期的整數(shù)倍。,46,練習(xí),IEEE j