通信系统建模与仿真课件

通信系统建模与仿真通信系统建模与仿真电子与信息工程学院宦 海通信系统建模与仿真电子与信息工程学院概概 述述l教科书：Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析邵玉斌编著l课时安排l讲课：28学时l上机：20学时l考察方法l平时：20%l实验：30%l考试：50%概 述教科书：主要学习内容主要学习内容l系统建模与仿真的概述lMatlab软件的操作方法lSimulink模块的使用方法l基本通信模块的建模与分析l构建通信系统的仿真模型l模拟通信系统的建模仿真l模拟信号数字化l数字通信系统的建模仿真主要学习内容系统建模与仿真的概述第一章第一章 通信系统仿真的原理和方法论通信系统仿真的原理和方法论l1.1 通信系统仿真的现实意义 l1.2 计算机仿真的过程 l1.3 通信系统模型的分类 l1.4 通信系统仿真的方法 l1.5 通信系统仿真的优点和局限性 l1.6 系统建模仿真方法与仿真工具 第一章 通信系统仿真的原理和方法论1.1 通信系统仿真的现1.1 1.1 通信系统仿真的现实意义通信系统仿真的现实意义l随着数字通信技术的发展，特别是与计算机技术的相互融合，通信系统和信号处理技术变得越来越复杂。l强大的计算机辅助分析与设计工具和系统仿真方法作为将新的技术理论成果转换为实际产品的高效而低成本途径越来越受到业界的青睐。1.1 通信系统仿真的现实意义随着数字通信技术的发展，特别是1.1 1.1 通信系统仿真的现实意义通信系统仿真的现实意义l 其他应用领域 l建筑/城市规划l交通l医学 1.1 通信系统仿真的现实意义 其他应用领域 1.1 1.1 通信系统仿真的现实意义通信系统仿真的现实意义l军事领域l武器装备研制 l军事训练 l工业领域 l电力工业 l制造业 l汽车行业 1.1 通信系统仿真的现实意义军事领域1.1 1.1 通信系统仿真的现实意义通信系统仿真的现实意义l计算机辅助技术可划分为三大类：l基于理论分析的解析方法 l结合通信系统硬件原型和测试设备的计算机辅助仿真方法 l基于纯软件的系统仿真的方法1.1 通信系统仿真的现实意义计算机辅助技术可划分为三大类：1.1 1.1 通信系统仿真的现实意义通信系统仿真的现实意义l建模和仿真的作用和意义：l利用系统建模和软件仿真技术，我们几乎可以对所有的设计细节进行分层次的建模和评估。l通过仿真技术和方法，我们可以有效地将数学分析模型和经验模型结合起来。l利用系统仿真方法，可以迅速构建一个通信系统模型，提供一个便捷，高效和精确的评估平台。1.1 通信系统仿真的现实意义建模和仿真的作用和意义：1.2 1.2 计算机仿真的过程计算机仿真的过程l一、系统仿真的数学基础一、系统仿真的数学基础l仿真的定义：l仿真也称为模拟，在本质上，系统的计算机仿真就是根据物理系统的运行原理建立相应的数学描述并进行计算机数值求解的过程。l建模和仿真过程l建立系统数学模型或仿真模型。l编写系统的计算机仿真模型。l求解。l分析。1.2 计算机仿真的过程一、系统仿真的数学基础1.2 1.2 计算机仿真的过程计算机仿真的过程l关键问题：l求解算法 l算法的改进 l简化系统模型1.2 计算机仿真的过程关键问题：1.2 1.2 计算机仿真的过程计算机仿真的过程l二、计算机仿真的一般过程二、计算机仿真的一般过程l建立计算机程序（层次化的）。l执行仿真。l对仿真模型和仿真结果的检验。l仿真验证包含以下方面内容：l对仿真数学模型有效性的验证。l对计算机仿真模型（程序）的验证。l对仿真算法的验证。l仿真结果置信度分析1.2 计算机仿真的过程二、计算机仿真的一般过程1.2 1.2 计算机仿真的过程计算机仿真的过程1.2 计算机仿真的过程1.2 1.2 计算机仿真的过程计算机仿真的过程实例1.1试对空气中在重力作用下不同质量物体的下落过程进行建模和仿真。已知重力加速度 ，在初始时刻 时物体由静止开始坠落。空气对落体的影响可以忽略不计。1.2 计算机仿真的过程实例1.1试对空气中在重力作用下1.2 1.2 计算机仿真的过程计算机仿真的过程l（1）建立数学模型初始条件1.2 计算机仿真的过程（1）建立数学模型初始条件1.2 1.2 计算机仿真的过程计算机仿真的过程l（2）数学模型的解析分析1.2 计算机仿真的过程（2）数学模型的解析分析1.2 1.2 计算机仿真的过程计算机仿真的过程l（3）根据数学模型建立计算机仿真模型（编程）1.2 计算机仿真的过程（3）根据数学模型建立计算机仿真模型1.2 1.2 计算机仿真的过程计算机仿真的过程1.2 计算机仿真的过程1.2 1.2 计算机仿真的过程计算机仿真的过程1.2 计算机仿真的过程1.3 1.3 通信系统模型的分类通信系统模型的分类l1 1 按照系统层次分类按照系统层次分类l通信系统的最高层次描述是通信网络层次 可以进行对节点信息处理标准，通信协议以及通信链路拓扑结构的设计和验证工作。l在网络层次之下，是对通信节点和链路以及传输信号的具体化，称为链路层次模型。通过对输入输出波形或符号的仿真，来验证链路设计是否满足由网络层次仿真所要求的链路质量指标。l电路实现层次的模型。电路实现层次的仿真器，用来设计和验证电路系统是否达到了链路层次系统所要求的功能指标。1.3 通信系统模型的分类1 按照系统层次分类1.3 1.3 通信系统模型的分类通信系统模型的分类l2 2 按照信号类型分类按照信号类型分类l根据函数类型的不同可以将信号划分为模拟信号，数字信号，时间连续信号，时间离散信号等。l按照链路层通信系统仿真模型中流通的信号类型不同，可以将其划分为连续时间系统，离散时间系统，模拟系统，数字系统以及混合系统等。1.3 通信系统模型的分类2 按照信号类型分类1.3 1.3 通信系统模型的分类通信系统模型的分类l3 3 按照系统特征分类按照系统特征分类l恒参系统 l变参系统或时变系统 l确定系统 l随机系统 l无记忆系统 l有记忆系统或动态系统 1.3 通信系统模型的分类3 按照系统特征分类1.4 1.4 通信系统仿真的方法通信系统仿真的方法l1 1 基于动态系统模型的状态方程求解基于动态系统模型的状态方程求解方法方法l所谓动态系统建模，就是根据研究对象的物理模型找出相应的状态方程的过程。l所谓对动态系统的仿真，就是利用计算机来对所得出的状态方程进行数值求解的过程。1.4 通信系统仿真的方法1 基于动态系统模型的状态方程求解1.4 1.4 通信系统仿真的方法通信系统仿真的方法l实例1.2对乒乓球的弹跳过程进行仿真。忽略空气对球的影响，乒乓球垂直下落，落点为光滑的水平面，乒乓球接触落点立即反弹。如果不考虑弹跳中的能量损耗，则反弹前后的瞬时速率不变，但方向相反。如果考虑撞击损耗，则反弹速率有所降低。我们希望通过仿真得出乒乓球位移随时间变化的关系曲线1.4 通信系统仿真的方法实例1.2对乒乓球的弹跳过程进1.4 1.4 通信系统仿真的方法通信系统仿真的方法l数学模型l下落时l反弹瞬间1.4 通信系统仿真的方法数学模型1.4 1.4 通信系统仿真的方法通信系统仿真的方法1.4 通信系统仿真的方法1.4 1.4 通信系统仿真的方法通信系统仿真的方法l2 2 基于概率模型的蒙特卡罗方法基于概率模型的蒙特卡罗方法l蒙特卡罗（Monte Carlo）方法是一种基于随机试验和统计计算的数值方法，也称计算机随机模拟方法或统计模拟方法。l蒙特卡罗方法的数学基础是概率论中的大数定理和中心极限定理。1.4 通信系统仿真的方法2 基于概率模型的蒙特卡罗方法1.4 1.4 通信系统仿真的方法通信系统仿真的方法l应用蒙特卡罗方法主要有两部分工作l用蒙特卡罗方法模拟某一过程时，产生所需要的各种概率分布的随机变量。l用统计方法把模型的数字特征估计出来，从而得到问题的数值解，即仿真结果。1.4 通信系统仿真的方法应用蒙特卡罗方法主要有两部分工作1.4 1.4 通信系统仿真的方法通信系统仿真的方法l实例1.3试用蒙特卡罗方法求出半径为1的圆的面积。并与理论值对比。1.4 通信系统仿真的方法实例1.3试用蒙特卡罗方法求出1.4 1.4 通信系统仿真的方法通信系统仿真的方法1.4 通信系统仿真的方法1.4 1.4 通信系统仿真的方法通信系统仿真的方法1.4 通信系统仿真的方法1.4 1.4 通信系统仿真的方法通信系统仿真的方法l3 3 混合方法混合方法l仿真中同时使用了基于数值计算的状态方程求解方法和基于统计计算的蒙特卡罗方法,称为混合方法。l由于通信系统是一种工作在随机噪声环境下的动态系统，所以一般的对通信系统的仿真方法就是一种确定方程求解与统计计算相互结合的混合方法。1.4 通信系统仿真的方法3 混合方法1.4 1.4 通信系统仿真的方法通信系统仿真的方法l实例1.4实际物理试验中，当我们让一个乒乓球垂直下落到一个完全水平的玻璃板上后，乒乓球不断弹跳，直到能量耗尽。我们要建立更加接近真实的物理环境的弹跳模型，就必须考虑被忽视的微小的扰动因素,根据大数定理，在数学上我们就可以将水平作用力建模为一个高斯随机变量。我们将实例1.2推广到三维空间中的情况。1.4 通信系统仿真的方法实例1.4实际物理试验中，当我1.4 1.4 通信系统仿真的方法通信系统仿真的方法1.4 通信系统仿真的方法1.4 1.4 通信系统仿真的方法通信系统仿真的方法1.4 通信系统仿真的方法1.5 1.5 通信系统仿真的优点和局限性通信系统仿真的优点和局限性l优点：l难以使用解析法求解的情况下系统仿真手段就成为了一个极为有效的工具。l利用仿真技术往往可以绕过艰深的甚至是不可能的数学解析求解，而较为轻易地获得问题的数值结果。l在对现代通信系统新协议、新算法和新的体系结构的设计和性能评估中，只能通过仿真来检验所考察的对象，以验证有关的假设，评价算法的性能。l仿真技术也是理解原理，验证理论，进行探索和发现的有效途径。1.5 通信系统仿真的优点和局限性优点：1.5 1.5 通信系统仿真的优点和局限性通信系统仿真的优点和局限性l局限性：l模型的建立、验证和确认比较困难。l对实际系统的建模的原理和方法不当使得与实际系统的差别较大。l建模过程中忽略了部分次要因素，使得模型仿真结果偏离实际系统。l仿真试验时间太短。给结果分析带来较大误差。l随机变量的概率分布类型或参数选取不当。l仿真输出结果的统计误差。l计算机字长、编码和应用算法也会影响仿真结果。1.5 通信系统仿真的优点和局限性局限性：1.6 1.6 系统建模仿真方法与仿真工具系统建模仿真方法与仿真工具l现代仿真平台和编程语言环境的基本特征l简便高效的仿真描述语言。l层次化和模块化建模的能力。l可视化的建模方式。l软件硬件协同仿真的能力。l交互性和图形环境。l跨平台和可移植性。1.6 系统建模仿真方法与仿真工具现代仿真平台和编程语言环境1.6 1.6 系统建模仿真方法与仿真工具系统建模仿真方法与仿真工具l仿真环境的构成和要求仿真环境的构成和要求l模块库。l模块编辑和配置器。l仿真管理器。l后处理部分。l文件和数据库管理。l帮助文档。1.6 系统建模仿真方法与仿真工具仿真环境的构成和要求1.6 1.6 系统建模仿真方法与仿真工具系统建模仿真方法与仿真工具l常用仿真工具的选择常用仿真工具的选择l网络层次的建模：lOPNET，NS l链路层次的仿真：lMatlab/Simulink，Systemview，Scilab以及C，C+l电路实现层次的仿真：lSpice，VHDL1.6 系统建模仿真方法与仿真工具常用仿真工具的选择MATLABOPNETNS2界面友好性主要是代码GUI、代码Tcl script拓扑结构配置主要是代码GUI，配置方便Tcl script代码编程支持的构件库丰富的工具箱丰富的构件库丰富的组件模块执行效率低较高较高主要应用场合科学计算，矩阵运算通信、网络仿真网络协议仿真、IP网络入门难度一般较难难使用成本较高高免费MATLABOPNETNS2界面友好性主要是代码GUI、代码