通信系統(tǒng)建模與仿真01課件

通信系統(tǒng)建模與仿真電子與信息工程學(xué)院宦海概述教科書：Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析邵玉斌編著課時安排講課：28學(xué)時上機：20學(xué)時考察方法平時：20%實驗：30%考試：50%主要學(xué)習(xí)內(nèi)容系統(tǒng)建模與仿真的概述Matlab軟件的操作方法Simulink模塊的使用方法基本通信模塊的建模與分析構(gòu)建通信系統(tǒng)的仿真模型模擬通信系統(tǒng)的建模仿真模擬信號數(shù)字化數(shù)字通信系統(tǒng)的建模仿真第一章通信系統(tǒng)仿真的原理和方法論1.1通信系統(tǒng)仿真的現(xiàn)實意義

1.2計算機仿真的過程

1.3通信系統(tǒng)模型的分類

1.4通信系統(tǒng)仿真的方法

1.5通信系統(tǒng)仿真的優(yōu)點和局限性

1.6系統(tǒng)建模仿真方法與仿真工具

1.1通信系統(tǒng)仿真的現(xiàn)實意義隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，特別是與計算機技術(shù)的相互融合，通信系統(tǒng)和信號處理技術(shù)變得越來越復(fù)雜。強大的計算機輔助分析與設(shè)計工具和系統(tǒng)仿真方法作為將新的技術(shù)理論成果轉(zhuǎn)換為實際產(chǎn)品的高效而低成本途徑越來越受到業(yè)界的青睞。1.1通信系統(tǒng)仿真的現(xiàn)實意義

其他應(yīng)用領(lǐng)域建筑/城市規(guī)劃交通醫(yī)學(xué)1.1通信系統(tǒng)仿真的現(xiàn)實意義軍事領(lǐng)域武器裝備研制軍事訓(xùn)練工業(yè)領(lǐng)域電力工業(yè)制造業(yè)汽車行業(yè)1.1通信系統(tǒng)仿真的現(xiàn)實意義計算機輔助技術(shù)可劃分為三大類：基于理論分析的解析方法結(jié)合通信系統(tǒng)硬件原型和測試設(shè)備的計算機輔助仿真方法基于純軟件的系統(tǒng)仿真的方法1.1通信系統(tǒng)仿真的現(xiàn)實意義建模和仿真的作用和意義：利用系統(tǒng)建模和軟件仿真技術(shù)，我們幾乎可以對所有的設(shè)計細節(jié)進行分層次的建模和評估。通過仿真技術(shù)和方法，我們可以有效地將數(shù)學(xué)分析模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)合起來。利用系統(tǒng)仿真方法，可以迅速構(gòu)建一個通信系統(tǒng)模型，提供一個便捷，高效和精確的評估平臺。1.2計算機仿真的過程一、系統(tǒng)仿真的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)仿真的定義：仿真也稱為模擬，在本質(zhì)上，系統(tǒng)的計算機仿真就是根據(jù)物理系統(tǒng)的運行原理建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述并進行計算機數(shù)值求解的過程。建模和仿真過程建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型或仿真模型。編寫系統(tǒng)的計算機仿真模型。求解。分析。1.2計算機仿真的過程關(guān)鍵問題：求解算法算法的改進簡化系統(tǒng)模型1.2計算機仿真的過程二、計算機仿真的一般過程建立計算機程序（層次化的）。執(zhí)行仿真。對仿真模型和仿真結(jié)果的檢驗。仿真驗證包含以下方面內(nèi)容：對仿真數(shù)學(xué)模型有效性的驗證。對計算機仿真模型（程序）的驗證。對仿真算法的驗證。仿真結(jié)果置信度分析1.2計算機仿真的過程1.2計算機仿真的過程〔實例1.1〕試對空氣中在重力作用下不同質(zhì)量物體的下落過程進行建模和仿真。已知重力加速度，在初始時刻時物體由靜止開始墜落?？諝鈱β潴w的影響可以忽略不計。1.2計算機仿真的過程（1）建立數(shù)學(xué)模型初始條件1.2計算機仿真的過程（2）數(shù)學(xué)模型的解析分析1.2計算機仿真的過程（3）根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立計算機仿真模型（編程）1.2計算機仿真的過程1.2計算機仿真的過程1.3通信系統(tǒng)模型的分類1按照系統(tǒng)層次分類通信系統(tǒng)的最高層次描述是通信網(wǎng)絡(luò)層次

可以進行對節(jié)點信息處理標準，通信協(xié)議以及通信鏈路拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計和驗證工作。在網(wǎng)絡(luò)層次之下，是對通信節(jié)點和鏈路以及傳輸信號的具體化，稱為鏈路層次模型。

通過對輸入輸出波形或符號的仿真，來驗證鏈路設(shè)計是否滿足由網(wǎng)絡(luò)層次仿真所要求的鏈路質(zhì)量指標。電路實現(xiàn)層次的模型。電路實現(xiàn)層次的仿真器，用來設(shè)計和驗證電路系統(tǒng)是否達到了鏈路層次系統(tǒng)所要求的功能指標。1.3通信系統(tǒng)模型的分類2按照信號類型分類根據(jù)函數(shù)類型的不同可以將信號劃分為模擬信號，數(shù)字信號，時間連續(xù)信號，時間離散信號等。按照鏈路層通信系統(tǒng)仿真模型中流通的信號類型不同，可以將其劃分為連續(xù)時間系統(tǒng)，離散時間系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)，數(shù)字系統(tǒng)以及混合系統(tǒng)等。1.3通信系統(tǒng)模型的分類3按照系統(tǒng)特征分類恒參系統(tǒng)變參系統(tǒng)或時變系統(tǒng)確定系統(tǒng)隨機系統(tǒng)無記憶系統(tǒng)有記憶系統(tǒng)或動態(tài)系統(tǒng)1.4通信系統(tǒng)仿真的方法1基于動態(tài)系統(tǒng)模型的狀態(tài)方程求解方法所謂動態(tài)系統(tǒng)建模，就是根據(jù)研究對象的物理模型找出相應(yīng)的狀態(tài)方程的過程。所謂對動態(tài)系統(tǒng)的仿真，就是利用計算機來對所得出的狀態(tài)方程進行數(shù)值求解的過程。1.4通信系統(tǒng)仿真的方法〔實例1.2〕對乒乓球的彈跳過程進行仿真。忽略空氣對球的影響，乒乓球垂直下落，落點為光滑的水平面，乒乓球接觸落點立即反彈。如果不考慮彈跳中的能量損耗，則反彈前后的瞬時速率不變，但方向相反。如果考慮撞擊損耗，則反彈速率有所降低。我們希望通過仿真得出乒乓球位移隨時間變化的關(guān)系曲線1.4通信系統(tǒng)仿真的方法數(shù)學(xué)模型下落時反彈瞬間1.4通信系統(tǒng)仿真的方法1.4通信系統(tǒng)仿真的方法2基于概率模型的蒙特卡羅方法蒙特卡羅（MonteCarlo）方法是一種基于隨機試驗和統(tǒng)計計算的數(shù)值方法，也稱計算機隨機模擬方法或統(tǒng)計模擬方法。蒙特卡羅方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是概率論中的大數(shù)定理和中心極限定理。1.4通信系統(tǒng)仿真的方法應(yīng)用蒙特卡羅方法主要有兩部分工作用蒙特卡羅方法模擬某一過程時，產(chǎn)生所需要的各種概率分布的隨機變量。用統(tǒng)計方法把模型的數(shù)字特征估計出來，從而得到問題的數(shù)值解，即仿真結(jié)果。1.4通信系統(tǒng)仿真的方法〔實例1.3〕試用蒙特卡羅方法求出半徑為1的圓的面積。并與理論值對比。1.4通信系統(tǒng)仿真的方法1.4通信系統(tǒng)仿真的方法1.4通信系統(tǒng)仿真的方法3混合方法仿真中同時使用了基于數(shù)值計算的狀態(tài)方程求解方法和基于統(tǒng)計計算的蒙特卡羅方法,稱為混合方法。由于通信系統(tǒng)是一種工作在隨機噪聲環(huán)境下的動態(tài)系統(tǒng)，所以一般的對通信系統(tǒng)的仿真方法就是一種確定方程求解與統(tǒng)計計算相互結(jié)合的混合方法。1.4通信系統(tǒng)仿真的方法〔實例1.4〕實際物理試驗中，當我們讓一個乒乓球垂直下落到一個完全水平的玻璃板上后，乒乓球不斷彈跳，直到能量耗盡。我們要建立更加接近真實的物理環(huán)境的彈跳模型，就必須考慮被忽視的微小的擾動因素,根據(jù)大數(shù)定理，在數(shù)學(xué)上我們就可以將水平作用力建模為一個高斯隨機變量。我們將實例1.2推廣到三維空間中的情況。1.4通信系統(tǒng)仿真的方法1.4通信系統(tǒng)仿真的方法1.5通信系統(tǒng)仿真的優(yōu)點和局限性優(yōu)點：難以使用解析法求解的情況下系統(tǒng)仿真手段就成為了一個極為有效的工具。利用仿真技術(shù)往往可以繞過艱深的甚至是不可能的數(shù)學(xué)解析求解，而較為輕易地獲得問題的數(shù)值結(jié)果。在對現(xiàn)代通信系統(tǒng)新協(xié)議、新算法和新的體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計和性能評估中，只能通過仿真來檢驗所考察的對象，以驗證有關(guān)的假設(shè)，評價算法的性能。仿真技術(shù)也是理解原理，驗證理論，進行探索和發(fā)現(xiàn)的有效途徑。1.5通信系統(tǒng)仿真的優(yōu)點和局限性局限性：模型的建立、驗證和確認比較困難。對實際系統(tǒng)的建模的原理和方法不當使得與實際系統(tǒng)的差別較大。建模過程中忽略了部分次要因素，使得模型仿真結(jié)果偏離實際系統(tǒng)。仿真試驗時間太短。給結(jié)果分析帶來較大誤差。隨機變量的概率分布類型或參數(shù)選取不當。仿真輸出結(jié)果的統(tǒng)計誤差。計算機字長、編碼和應(yīng)用算法也會影響仿真結(jié)果。1.6系統(tǒng)建模仿真方法與仿真工具現(xiàn)代仿真平臺和編程語言環(huán)境的基本特征簡便高效的仿真描述語言。層次化和模塊化建模的能力?？梢暬慕７绞?。軟件硬件協(xié)同仿真的能力。交互性和圖形環(huán)境?？缙脚_和可移植性。1.6系統(tǒng)建模仿真方法與仿真工具仿真環(huán)境的構(gòu)成和要求模塊庫。模塊編輯和配置器。仿真管理器。后處理部分。文件和數(shù)據(jù)庫管理。幫助文檔。1.6系統(tǒng)建模仿真方法與仿真工具常用仿真工具的選擇網(wǎng)絡(luò)層次的建模：OPNET，NS鏈路層次的仿真：Matlab/Simulink，Systemview，Scilab以及C，C++電路實現(xiàn)層次的仿真：Spice，VHDLMATLABOP