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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,通信系统仿真原理,主讲 张天骐,教材：W.H.Tranter,etal 著，肖明波等译，姚彦等审校，通信系统仿真原理与无线应用，机械工业出版社，2023年6月,Email:/可通过Email答疑,Address:重庆邮电学院 通信与信息工程学院,信号处理教研中心逸夫楼4楼,Tel:62460045；,1,参考书目：,1.J.G.Proakis,M.Salchi,Contemporary Communication Systems Using MATLAB,PWS Publishing Company,1997.,2.周希元等译，通信系统仿真建模、方法和技术，国防工业出版社，2023。,3.李仲令，曹世文，葛造坤，现代通信系统仿真及应用，电子科技大学出版社，1998年3月。,4.王立宁，乐光新，詹菲著，MATLAB与通信仿真，人民邮电出版社，2023。,5.邓华编著，MATLAB通信仿真及应用实例详解，人民邮电出版社，2023。,6.孙屹主编，MATLAB通信仿真开发手册,国防工业出版社，2023。,通信系统仿真原理,2,现代通信系统在性能不断提高的同时也变得越来越简洁。,承受传统技术对通信系统进展分析和设计的方法已经存在很大的困难，而计算机仿真方法则由于其廉价性、高效性和灵敏性，成为了通信产业的主要设计和分析手段之一。,计算机仿真是进展通信与网络等方面科研时所必备的工具。,然而，目前很多学生都缺乏这个环节的系统训练，得出的仿真结果往往“可信度”较差，甚至将“仿真”做成了“仿假”、“造假”，蒙混过关，不能自原其说。,因此，有必要加强通信系统仿真的系统学习。,通信仿真必要性1,3,本课程不仅系统地介绍了通信系统尤其无线通信系统的设计建模、分析和仿真方法，而且还供给了大量很有参考价值的仿真实例。,本课程教材涉及的全部仿真程序都承受MATLAB编写，这不仅便利大家理解仿真的实现过程，还允许大家修改或使用这些代码来进展自己的仿真开发。几乎每一章后面都供给了大量的参考文献和经过细心设计的各类练习题。,本课程的系统学习可以更深入地理解“通信原理”和“无线通信”等等课程的内容，而且还可以把握必要的仿真技能，为下一阶段进入课题争论，以及毕业就业打下较好的根底。,通信仿真必要性2,4,通信系统仿真原理的课程要求,“通信系统仿真原理”是信息与通信工程各专业的一门实践性很强的专业根底课，它能很好地表达专业技术素养和动手力气。,该课的很多概念和根本理论往往要通过较多的上机仿真来消化、稳固、加深和拓宽。,因此，该门课程的根本要求是：读懂课本、熟读课本、理解原理、大量上机仿真。,目前实行的课程形式：1理论课，2上机课,期末成绩：寻常作业+期末论文设计成绩。,5,第0讲 绪论,第一章 绪论,1.1 性能评估方法,1.1.1 引言,1.1.2 分层观点,1.2 仿真方法：通信系统的波形级仿真,1.3 仿真在通信系统设计中的应用,1.4 仿真的进展历史,1.5 课程概要,6,在过去的几十年里，通信和信号处理系统的简洁度显著地提高了。与此同时，消逝了一系列新的技术，如用于数字信号处理的价格不高但速度很快的硬件、光纤光学器件、集成光学设备和单片微波集成电路，这些对通信系统的实现均有重要影响。,通信系统简洁度的提高使得用来分析和设计系统的时间和精力也相应提高了，然而在商用产品中引入新技术要求设计能够做到短时、高效、省力、经济，而这些要求只有通过使用强大的计算机帮助分析和设计工具才能实现。,引言0,7,近些年，大量的计算机帮助技术己经进展起来，并且己经应用于建模、分析、和设计通信系统。这些计算机帮助技术可以归纳为两大类：,一类是基于公式的方法，用计算机来计算简洁的公式；,另一类是基于仿真的方法，用计算机来仿真系统的波形或信号。其次类方法包含了波形级仿真常常结合着分析技术，是本课程的主题。,由于性能估量及其折中争论是分析和设计通信系统的重要问题，所以我们将精力放在利用仿真来估量模拟通信系统和数字通信系统的性能上，重点放在数字通信系统方面。,引言1,8,通信系统的性能可以用基于公式的计算方法、波形级仿真或通过硬件样机争论和测量来估量得到。这种分类方法并不意味着这三种方法相互排斥，事实上，最好的方法常常是将这三种方法结合在一起使用。,以简化模型为根底的公式法对设计参数和系统性能之间的关系进展了大量的比较，在设计的早期阶段，这对概括性地争论设计空间是很有用的。,然而，除了一些抱负化和过于简洁化的例子外，要想仅仅利用设计空间所需的较高准确度的分析方法估量出简洁通信系统的性能是特殊困难的。,性能评估方法引言1,9,基于测量的性能估量，它通过硬件样机设计争论获得，是一种准确的、牢靠的方法，在设计的后期设计限定在一小的子模块上时，这种方法是很有效的。但是这种方法通常代价很高，很耗时，并且很不灵敏。明显在有很多可供选择的设计周期的早期阶段，这种方法并不行行。,用基于仿真的方法来估量性能时，系统可以用任何所期望的细节来模拟，它比公式法或测量法对设计空间的利用都好。用仿真法，人们很简洁将数学和阅历模型结合起来，并结合模块和真实信号的特点进展分析和设计。仿真波形也可用作测试信号来验证硬件的功能性。,性能评估方法引言2,10,基于仿真的方法可以为分析和设计通信和信号处理系统，建立快速的样机争论环境，在这种环境中，软件模型能够与硬件数据和真实的信号结合起来进展快速、高效、无误的设计。,仿真方法的主要缺点是计算简洁，这一点可以通过认真选择模型和仿真技术来降低。,本课程大局部内容是关于仿真模型和仿真技术的问题。,性能评估方法引言3,11,性能评估方法分层观点1,广义上讲，“通信系统”涵盖了全球通信网络、地球同步通信卫星、陆地微波传输系统、陆地移动通信系统，或一台个人计算机的内置调制解调器。常常用来描述通信系统的分层形式如图1.1所示。,这种表示法中的最高层是一通信网络，它由通信节点处理机通过通信链路或传输系统在下层表示互联而成。通信链路由一些单元组成，如调制器、编码器、滤波器、放大器、解码器、解调器，并且还包括其他一些能进展信号处理运算的部件。这些单元可以是模拟电路、数字电路，或运行在可编程数字信号处理器DSP上的算法。这些单元的具体状况表示在图1.1分层构造的底层。,12,图1.1通信系统的分层观点,13,有一些仿真技术可用来计算图1.1各层的性能。在网络层，网络上的数据包和信息流可以用大事发生器来仿真形成，性能测试如网络吞吐量、响应时间和资源利用可以作为网络参数的函数来估量求得。网络仿真用来建立处理机、协议和通信链路的标准。,通信链路层用来仿真在不同信道自由空间、电缆、光纤上带有信息的波形传输。对于数字传输系统，通信链路的性能用误码率来测量，误码率可利用仿真波形通过功能模块估量得到，功能模块有调制器、编码器、滤波器、放大器和信道等。,二者关系：网络仿真用来建立通信链路标准，链路级仿真用来验证链路设计是否符合标准，链路级仿真得到的性能参数可以输出到网络级仿真器来验证网络性能。,性能评估方法分层观点2,14,图1.1的底层的实现级仿真用来仿真诸如滤波器、均衡器等部件的实现，它们既可承受模拟技术，也可承受数字技术。电路仿真器如Spice或数字仿真器如HDL(硬件描述语言)用来仿真、验证部件的功能，刻画其行为特性。,链路级仿真用来建立实现标准，而实现级仿真用来供给反响到链路级的行为模式。滤波器的传输函数正是行为模式的一个例子。,本课程的重点放在通信链路图1.1的中间层的波形级仿真。,性能评估方法分层观点3,15,为了说明用于波形级仿真的方法，我们考虑如图1.2所示的通用数字通信系统的简化模型。这个模型只是给出了典型数字通信系统功能模块的一局部。,为便于争论，假设我们对系统的误码率性能感兴趣，它既是滤波器参数阶数和带宽的函数，也是非线性放大器饱和电平或峰值功率和工作点的函数，还是信号对两个高斯噪声源信噪比的函数。,系统的性能将由滤波器和非线性放大器所引入的信号失真和两个噪声源准备的。,仿真方法：通信系统的波形级仿真1,16,图1.2仿真实例,17,由于存在非线性放大器和滤波器，对系统性能的解析评估很困难。带限滤波器带来码间干扰，且在非线性放大器前噪声的消逝导致了非高斯和非加性效应，这些因素对于描述和分析都是很困难的。,可以承受一些近似的估量：无视滤波器前级非线件的影响，合并第一噪声源和其次噪声源，并且认为这两个噪声源是加性高斯的。这些简化尽管对于具体的性能分析是不准确的，但是对获得系统性能的“一阶”估量是特殊有用的。,通过以下的步骤可以估量误码率：,1产生输入过程波形的采样值源输出和两个噪声过程。,2用滤波器和非线性放大器模型处理输入的采样值，产生系统输出的采样值。,3通过比较输入序列的仿真值和输出波形来估量误码率。,仿真方法：通信系统的波形级仿真2,18,图1.2给出了仿真波形及灵敏度误码率曲线，说明白测量性能误码率和设计参数之间的关系。这些参数包括诸如放大器的工作点和接收滤波器的带宽等。接收滤波器带宽越小，噪声影响越小，但信号失真变大。相应地，接收滤波器带宽变大则会导致较大的噪声功率，但信号失真较小。依据图1.2所示的灵敏度误码率曲线就可以选择“最优”带宽值。,我们留意到，仿真波形可以特殊近似实际系统中存在的波形。因此，将仿真波形用作实际系统中的测试信号也是可行的，就像用真实信号来“驱动”仿真局部一样。而且，这种波形级上的强对应性，便于把设备特性的测量值，例如滤波器频率响应或放大器传输特性，用在仿真中。,仿真方法：通信系统的波形级仿真3,19,仿真在通信系统工程设计的各个阶段都起着特殊重要的作用，无论是从早期的概念设计，还是实现、测试、使用等各个阶段。,典型的设计过程是从“概念定义”的阶段开头的。在该阶段中设计者强调顶层标准，如信息率和性能要求。任何通信系统的性能都由两个重要因素把握：信噪比SNR和累积信号失真量。通常，两者是相互联系的，并且相互限制。以图1.2中的系统举例来说，滤波器带宽同时影响信噪比和失真。,一般，用一个链路预算的表格来跟踪全部影响信噪比SNR的因素。,仿真在通信系统设计中的应用1,20,仿真在通信系统设计中的应用2,系统设计者从备选系统和一列设计参数开头。在设计早期，通过使用简洁模型和先验学问来估量信噪比和信号退化。,例如，计算SNR，一个滤波器建模为确定带宽的抱负低通滤波器，由实际滤波器产生的失真可以被指定一个等效的退化，比方说2.0dB信噪比。,假设开头设计的备选系统到达了性能要求，那么就进展下一个阶段设计，否则备选系统的设计方法必需转变例如，增加滤波器或者转变编码译码器，同时失真参数必需改进。,21,设计的下一个阶段是对子系统和部件的指标进一步细化，并验证信息失真。仿真在本阶段中特殊重要。,例如，假设一个滤波器被定为带宽-时间积为0.7的三阶Buttorworth滤波器，我们用抱负的低通滤波器代替，在链路预算中有2.0dB的信号失真，那么波形级的仿真，就可用来计算滤波器所引入的失真程度。假设通过仿真得到的值小于2.0dB，那么降低的差值就可以放宽对其他部件的性能要求。否则，多出差值就需要从其它部件性能指标中获得。,仿真既灵敏又有效，并且常是评价折衷争论和建立硬件研发的具体指标的惟一方法。,仿真在通信系统设计中的应用3,22,硬件设计的初始步骤包括制作和测试具有风险性和创新性技术的重要部件或子系统，这些硬件样机部件的性能测量值用来验证仿真中系统端到端性能。,在这步中，仿真涉及到将要建立的部件的模型以及已经建立并且通过测试的部件的实际特性。假设仿真得到了令人满足的结果，那么就可以制作余下的部件，整个系统的样机硬件就可以进展“连接”和测试。否则，就需要修改指标，并且局部设计就要重新进展,仿真在通信系统设计中的应用4,23,一旦系统硬件样机完成，就对其进展测试，并将测试结果与仿真结果进展比较。硬件指标与仿真结果相近的程度是推断仿真是否“有效”的标准。,有效的仿真模型利用关键部件的
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