通信系统的计算机模拟第二讲

通信系统的计算机模拟 上一讲回顾l作业要求l仿真的概念l为什么要仿真l通信系统仿真示例l仿真的模型和分类l仿真的作用 l一、链路预算与系统级标校过程l二、关键元件的实现与测试 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。 二、关键元件的实现与测试仿真将关键的元件的测量特性代入该元件的仿真模型 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完整原型一个经验证的仿真模型预测生命终结。 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BOL性能指标。 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。 软件 SYSTEM VIEW MATLAB SIMULINK C，C+ 其他领域: Flexsim 课程报告(续)-建议题目（不限于）l 信道均衡技术仿真； l 多载波调制与OFDM.仿真l 无线接入技术仿真 l 多用户无线信道仿真.l 多业务通信系统仿真.l WCDMA、TDS-CDMA、CDMA2000或者Wimax仿真.l 自适应调制仿真.l MIMO 系统仿真 l 扩频系统仿真 contl 智能天线仿真l 空时处理仿真l 资源分配管理仿真l 通信干扰抑制仿真l 多用户检测仿真l 协作通信仿真l 软件无线电或者认知无线电仿真l 卫星通信仿真 l GPS仿真l GSM部分仿真l UWB仿真l 深空通信仿真 第二章 仿真方法论l 2.1 概述性能评估-art定量建模与估计 science(科学-技术-工程-技艺）l步骤：l将给定问题映射为仿真模型。 l把整个问题分解为一组小一些的问题。l选择一套合适的建模、仿真和估计方法，并将其用于解决这些子问题。l综合各子问题的解决结果以提供对整个问题的解决方案。 基本手段l为解决小一些的子问题（上面第三点）所用到的具体方法是定义明确的、严格的，并且在本质上是算法可实现或可量化的。l有限冲激响应线性滤波器，仿真方法就是定义明确的卷积和l通信系统的基本目的是处理波形和符号l通过产生和处理这些波形的采样值l通信系统仿真试图模拟这个过程，建立通信系统中不同功能“模块”所实现的信号处理运算的模型，以及产生通信系统不同工作点所需的输入波形。 l分析波形以优化设计参数或获得性能指标 问题示例l移动通信系统l时变l衰落l中断l通信系统波形级仿真的整体方法 Step1l系统方框图的描述开始l每一功能模块的合适的仿真模型，并通过互联这组所选模块（即它们的模型）来产生方框图。l在执行仿真前，我们为每一模块的参数（如滤波器的带宽）指定具体值或取值范围尽可能对方框图进行简化和划分。l方法论中最难的步骤之一是将设计和/或性能估计问题映射为仿真模型，实现的好坏决定了运行仿真所需的机时和仿真结果的精度。 Step2l产生所有输入波形或激励信号的采样值，来驱动仿真模型。l随机过程的采样值是用随机数发生器产生的l仿真期间，随机数发生器的输出被用作合适的模块的输入，以“驱动”仿真模型，并在各种功能模块的输出端产生采样值。 Step 3l用分析近似和界限或测量结果来验证仿真结果l为了检验所用的模型和方法并确立仿真结果的可信性,用一些测量结果来进行验证还是必需的。 方法论l由于实际的通信系统通常太过复杂，无法对其整体进行准确的建模和仿真l有多种方法可用来降低整个仿真问题的复杂度，使其占用的计算资源、所需的时间以及期望的精度都保持在一定范围之内l方法论。 方法论l将问题映射到仿真模型 l以移动通信系统中的两个问题为例l均衡器设计：决定抽头数，抽头间隔，和用于接收机均衡器中进行算术运算所需的比特数。l系统性能评估：决定维持可接受性能级别所需的l第一个问题：详细设计l第二个问题：性能评估l不同:建立系统哪一部分的模型、包含哪些细节、用什么建模方法、仿真方法、估计方法 0/bE N 方法论l系统要仿真部分的方框图l最终的仿真模型可通过简化初始方框图而产生 l递阶表示l划分与条件化l简化（近似，假设和各种简化） 递阶表示l递阶是在建模、软件设计和其他应用中降低复杂度的常用方法，开始于一个“系统”级模型并向下发展其他不同层，子系统层，元件层，物理（门级或电路）层l递阶中越底层的构建模块包含越多的细节，而越高层的模块则越抽象并负责模块的整体功能，直到更进一步有意义的分解变得不可能或没必要时 例 选择抽象程度l与仿真的目的一致的情况下，人们应该用尽可能高的抽象程度来进行仿真l降低复杂度和所需的仿真时间，越高级模型将具有越少的参数且越易于验证，越少的参数意味着模型能用越少的指标来刻画l巴特沃思滤波器的电路级模型包含12个或更多的元件值l相同的巴特沃思滤波器的高层传递函数只有2个参数：滤波器阶数和滤波器带宽 抽象表达l在系统级，仿真以最高抽象程度完成，使用诸如传递函数的“特性”模型而不是物理的模型。l一个数字滤波器可以在比特级仿真，一个模拟滤波器可以在电路级仿真，较高级模型都是传递函数形式的，可由比特级或电路级仿真导出。l在设计周期的前期，滤波器传递函数已被假设或“指定”，l而传递函数的实际特性将在滤波器设计和仿真后得到。l在设计周期的后期，测量且测得的传递函数能用于较高级的仿真，但外部接口和参数相同。 l和建模过程一样，通信系统的实际设计也是自项下经过不同层，规格向下经过递阶的各层，而特性（在较低层测量或仿真的）自底向上经过递阶中的各层，有时可能要用不同的仿真来进行更详细的仿真“联合仿真”。 划分与条件化l将一个复杂问题划分为一组相互关照但独立的问题l递阶处理的是不同级的抽象l划分通常处理同级的抽象，l问题中可单独仿真的并且结果可联合的不同方面l条件化是与划分非常相似的另一种方法：我们只是固定整理系统某部分的条件或状态，并在条件变量或状态的不同取值下仿真系统的其余部分l系统的受条件化部分单独仿真，然后从第一部分得到的结果将根据第二部分获得的条件变量的分布来作平均。 条件化例子l估计具有非理想同步（时钟和载波恢复）系统的差错率l先在不同的时钟和载波相应差错值条件下，估计系统中差错的条件概率；l然后仿真同步系统以获得定时差错的分布；l我们根据定时差错和相位差错的分布作平均 ( , ) ( , ) ( , ) XY XYE g X Y g x y f x y dxdy| y ( , ) ( | ) ( )x yg x y f x y dx f y dy （2-1） 条件化例子l按照条件期望值，就有出现定时差错和相位差错的情况下确定误比特率（BER）的例子，运用这个原理得 | ( , ) ( , )XY Y X YE g X Y E E g X Y Pr | , ( , ) E TP Error f d d ( , ) ( ) (T T Tf f f ） 简化与近似l第一步，在初始方框图模型中包括尽可能多的细节l降低整个模型和子系统模型的复杂度l这些方法包括忽略对所研究的问题没什么大影响的模块l使用近似方法和联合模型的简化方法l例：系统级性能评估问题，是缓慢时变的，且系统运行在高信器噪比（S/N） ，可合理地预计同步差错很小，因而在性能估计时同步的影响可以忽略不计。l并可将其从方框图中删去l近似和假设广泛用于简化仿真模型。最常使用的假设和近似包括时不变（稳态）性质和线性化。l当观察时间足够长且输入信号动态范围足够在时，大多数实际的系统可能表现出时变和非线性，但在短时间段和低信号电平的情况下，它们仍然可以由线性时不变模型很好地近似。 l系统参数是缓变的，在仿真区间内是固定不变的。“l准静态的”带宽差别明显的过程的形象，线性近似用于非线性元件。l许多线性系统的原理来简化方框图。l对中间波形兴趣不大，其作用也很小。 单个模块的建模 l仿真模型应接受一列按时间先后次序排列的输入波形的采样，并依某个明确定义的传输特性产生一组按时间先后次序排列的输出采样。l子系统或元件（模块）的仿真模型是具有如下形式的一个变换： 1 2 , 1, , , 1, , ; ; , , qy k y k y k mF x k j x k j x k j n k p p p 单个模块的建模低通等效表示l低通复等效表示所有信号和系统部件在计算上有优势l低通等效：把带通频谱从载波频率移到f0；模块的线性模型可由输入、输出信号的低通等效表示和信号换来实现。l确定性信号的低通等效是通过对其傅里叶变换变换获l功率谱密度是用地随机信号的l如果带通频谱在载波的两边不对称，低通等效表示在时域中取复数值。 单个模块的建模采样l通等效表示时，它们可以用相同时间间隔的采样点来采样和表示。l要求的最小采样率是理想低通信号（或系统）带宽的两倍。l频率函数不一定限制在有限带宽，这时采样率通常取某一些带宽度量（如3dB带宽）的8至16倍。l在数字系统中，采样率通常设符号率的8至16倍。 l增加采样率将计算量 单个模块的建模线性与线性模型l非线性：l判决反馈均衡器运算、同步子系统中的非线性运算及对脉冲噪声有意的限制等 l功率放大器在接近其最大运行率时表现出来的线性特性。l近似大多数非线性特性可以建模为对通信信号具有线性影响， l有必要在系统中包含非线性仿真模型（QAM） 。 l有多种系统方法能对具有非线性系统建立模型l无记忆功率序列非线性模型l带记忆的频率选择性非线性模型l非线性微分子方程。l非线性模型分为两大类：输入-输出块模型和非线性微分方程。l非线性特会产生带宽扩展，将采样率设置得足够高以把握带宽扩展带来的影响。 单个模块的建模时不变性l是否要采用时变模型取决于许多因素 l系统的时不就部分的带宽相比其变化速率可能非常缓慢l某个长期平均的特性而不是动态特性。l时变特性进行仿真：l运行于快衰落信道下突发模式的通信系统中，同步子系统时间的捕捉和跟踪特性。l仿真模型是带时变抽头增益的抽头延时线，抽头增益常建模为滤波随机过程。 l时变性的影响l谱扩散，从而要求更高的采样率。l时变模块的次序不能改变。 单个模块的建模记忆性l频率选择性特性和记忆性是同义的l取决于瞬时输入和以前输入 单个模块的建模时域和频域仿真l一个功能模块或系统元件的输入-输出关系可以在时域频域中进行建模和仿真l取决于最初规格说明l时域采样来表示输入和输出。l频域模型（如用快速傅里叶变换仿真的滤波器）需要时域输入采样的内部缓存器，要对存于器中的输入向量作变换，然后进行频域处理傅里叶反变换及输出端缓存 单个模块的建模块处理l模型可以实现为每次调用只接受和处理单个时域采样或一个N个时域采样组成的块l当调用开销很大时，采用块或向量处理的方法在计算会更为有效，其中模型调用的输入向量的大小为N。l所以块运算会引入一个N*Ts 秒的时延。l由于大的处理时延，在反馈环中包含块输入-输出模型会产生错误的结果l非线性模型交织在一起，则对于非线性元件回复到逐个采样的处理是有必要的， l块处理考虑调度（大小不同的块） 单个模块的建模变步长处理l如果一个系统模型中包含的过程和现象的带宽特别巨大，那么在仿真中就要采用多速率采样。l多速率采样以与对应带宽相一致的速率来采样和处理每个信号，而这会显著提高计算效率。l变步长处理也常用于改善计算效率。l数值积分子程序，来求解线性和非线性微分方程。l变步长统一步长（缓存、转换） 单个模块的建模参数确定l仿真的一个主要应用是设计优化l 归结为找到一些重要参数的量优值，l接收器滤波器带宽 l放大器工作点l用于接收器的量化级数的最优值等l模型必须确定合适的参数并且使得关键的设计参数在外部可见“外部旋钮”可用于在仿真过程中复调整设计参数。l给定模型的参数个数。参数越少，参数值的测量和验证就变得越简单。 单个模块的建模与其他模块的接口l仿真框架和/或用户必须确保一致性和兼容性l明确定义、文档齐全的接口l不一致的根源：不同的处理域、信号类型、块大小、步长、多速率采样、不同块中不一致的参数 随机过程建模与仿真 l假设已经获得一个具有最高抽象程度和最少复杂的系统模型l建模和产生驱动仿真模型的输入波形（信号、噪声及干扰）l波形级仿真的基本目标是模拟系统中的波形及计算波形保真度的一些指标l波形或激励的建模和仿真是很重要的l信号、噪声、干扰 随机过程 l平稳性假设 平稳随机过程的表达l平稳随机过程由多维概率分布来表征l但多维概率分布难以给出，不容易产生具有任意n维分布的平稳过程的采样值。l平稳高斯过程是个著名例外，它完全由二阶分布定义（均值自相关函数）l用于驱动仿真的随机过程的采样值是用随机数发生器产生的随机数列 随机过程建模与仿真高斯近似l简化了激励的产生。l高斯近似，大量噪声叠加与高斯随机数发生器的输出完全相同。 随机过程建模与仿真等效过程表示l随机过程X（t），经过n个模块输出Y(t)l简单地插入一个表示Y（t）采样值的序列，从而无须产生和处理X（t）通过n个块的的采样值l X（t）高斯，模块线性Y(t)分析得到l Or 仿真得到，并用于等效过程表示 随机过程建模与仿真慢过程和快过程l许多带宽或“时间常数”差别很大的随机现象。l一个随机过程的的带宽与另一个相差很大，差几个数量级，分开仿真l多速率采样， 性能估计仿真 l仿真的主要目标之一就是性能估计l模拟通信系统，输出信噪比（s/N）l对于数字通信系统误比特率（BER）或帧差错率（FER）l信噪比是数字通信系统第二重要的性能指标而是让N个符号通过系统并计数发生差错的个数来估计。BER差错概率如果延时不完全正确，延时模块由长度可变的延时线来实现。延时通常量化为采样周期的整数倍。 练习l IEEE journal on Selected Areas in Communications周期性地出版有关计算机辅助通信系统建模和分析的专刊。从这个主题出版于1984年1月的首期开始，查找随后的所有有关于这个主题的专刊。济览这些专刊中文章的观点并写一篇短的论文概括：l用仿真解决的仿真和设计问题的类型l过去25年中不同的仿真方法和方法的演化l过去25年中仿真框架演化