通信系統(tǒng)建模與仿真（基于MWORKS） 課件全套 第1-7章 緒論 -通信系統(tǒng)的應用開發(fā)實踐案例

第1章緒論通信的基本概念01目錄CONTENTS02通信系統(tǒng)03通信系統(tǒng)模型04通信系統(tǒng)類型05通信方式06通信系統(tǒng)的性能評價指標07通信系統(tǒng)仿真緒論

通信是人類社會發(fā)展的重要組成部分，它可以讓人們實現(xiàn)遠距離的信息交流。隨著科技的不斷進步，通信技術也得到了極大的發(fā)展。從最初的煙火信號、飛鴿傳書，到現(xiàn)在的移動通信、衛(wèi)星通信等，通信技術已經變得非常普及和便捷。通信系統(tǒng)建模與仿真是通信技術領域中的重要研究方向，它可以幫助人們更好地理解和設計通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)建模是指將通信系統(tǒng)的各個組成部分抽象成數(shù)學模型，仿真則是指通過計算機模擬真實世界的通信環(huán)境和信號傳輸過程，以驗證模型的正確性和優(yōu)化系統(tǒng)性能。本章將深入探討通信系統(tǒng)建模與仿真的相關技術和應用，介紹通信系統(tǒng)建模的基本原理和常用方法，以及仿真技術的理論基礎和實際應用。通過對通信系統(tǒng)建模和仿真技術的研究，我們可以更好地理解和應用通信技術，進一步推動通信技術的發(fā)展和進步。緒論通過本章的學習，讀者可以了解（或掌握）：通信的基本概念通信的基本方式通信系統(tǒng)的模型通信系統(tǒng)的類型通信系統(tǒng)的仿真通信的基本概念01通信的基本概念通信（Communication）是指信息發(fā)送者和接收者之間通過某種介質進行的信息傳輸。隨著信息化與智能化技術的發(fā)展與普及，信息與通信逐漸成為現(xiàn)代社會活動的根基。信息只有通過傳播交流才能發(fā)揮其價值，通信作為信息傳輸?shù)氖侄?，隨著計算機技術與微電子技術的發(fā)展，逐漸數(shù)字化、高度化、寬帶化、綜合化。在未來，通信將對人們生活的方方面面產生重大的影響，如經濟發(fā)展、生活方式、政治等。通信的基本概念

通信技術是當代生產力中非?；钴S的技術因素，通信最主要的目的是對信息進行傳輸。通信的發(fā)展可以追溯到人類社會的早期，最早的通信是通過聲音和手勢進行的，隨著人類社會的不斷發(fā)展，人們開始使用煙火、鼓聲等方式進行遠距離通信。在古代，人們還使用飛鴿傳書、驛站傳輸信息等方式進行通信。

隨著科技的不斷進步，通信技術也得到了極大的發(fā)展。19世紀末期，電報技術的出現(xiàn)使得信息傳輸速度得到了大幅提升。20世紀初期，電話技術的發(fā)展使得人們可以通過電話進行語音通信。20世紀中期，無線電技術的出現(xiàn)使得人們可以通過無線電波進行遠距離通信。20世紀末期，互聯(lián)網技術的出現(xiàn)使得人們可以通過網絡進行全球范圍內的信息交流。

在現(xiàn)代，通信技術已經變得非常普及和便捷。人們可以通過手機、電視、計算機等設備進行語音、視頻、文字等多種形式的通信。同時，通信技術的應用也越來越廣泛，涉及生產、生活、醫(yī)療、教育、金融等各個領域?？傊?，通信技術的發(fā)展是人類社會進步的重要標志之一，它不斷地推動著人類社會的發(fā)展和進步。1.1.1通信的發(fā)展通信的基本概念通信技術的發(fā)展史主要經歷了三個階段，分別是初級通信階段（以1839年電報的發(fā)明作為標志）、近代通信階段（以1948年信息論的提出作為標志）、現(xiàn)代通信階段（以20世紀80年代以后誕生的互聯(lián)網、光纖通信、移動通信等技術作為標志）。通信的基本概念1837年，美國人塞繆爾·摩爾斯（SamuelMorse）利用自己設計的電碼將信息轉換成一段電脈沖發(fā)送到目的地，在目的地再將其轉換為原來的信息，利用電信號作為傳輸信息的載體，開啟了人類通信技術發(fā)展的新時代。幾年后，塞繆爾·摩爾斯利用摩爾斯電碼發(fā)出了人類歷史上第一份電報，實現(xiàn)了長途電報通信。1864年，英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（J.C.Maxwell）提出了一套電磁理論，預言了電磁波的存在，提出電磁波與光都是以光速進行傳播的學說。1875年，德國人亞歷山大·格拉漢姆·貝爾（A.G.Bell）發(fā)明了電話機，在波士頓與紐約之間進行了長途電話的實驗，獲得了成功。1888年，德國物理學家海因里?！ず掌澓Ｒ蚶锵！ず掌潱℉.R.Hertz）發(fā)現(xiàn)了電磁波，證明了電磁理論。1895年，意大利無線電工程師伽利爾摩·馬可尼（GuglielmoMarconi）在英格蘭與據芬蘭之間進行了摩爾斯無限電信息通信的實驗，為后來移動通信的發(fā)展奠定了基礎。到了20世紀70年代，貝爾實驗室提出了蜂窩的概念。1992年，歐洲移動運營商們開啟了移動通信的商用時代，其從一開始的1G、2G一直發(fā)展到今天的5G移動通信。通信的基本概念從發(fā)明電報開始，通信技術快速發(fā)展，從同軸電纜到光導纖維，從固定電話、衛(wèi)星通信到移動手機，從模擬通信技術到數(shù)字通信技術。通信技術的每一次發(fā)展演進都極大提升了通信網絡的能力，擴展了通信的業(yè)務。如今，通信技術已經滲透到人們工作與生活的方方面面，深刻改變了人類社會的生活形態(tài)。通信的基本概念

消息（Message）是信息的物理表現(xiàn)形式，在不同的方面表示不同的含義。本書中，消息是指通信系統(tǒng)中傳輸?shù)膶ο?，它可以是語音、圖像、視頻、數(shù)據等。在通信中，消息需要被轉換成信號才能進行傳輸。消息可分為連續(xù)的消息與離散的消息，連續(xù)的消息是指狀態(tài)變化是連續(xù)的消息，如語音、音樂等，而離散的消息是指狀態(tài)變化是不連續(xù)的消息，其狀態(tài)是可數(shù)的，如符號、文字、計算機數(shù)據等。信息（Information）是指消息中包含的內容，信息是消息的內在表現(xiàn)形式。如天氣預報通過語音進行傳輸，即語音是消息，天氣預報的情況信息。在當今的社會中，信息是人類交流的寶貴的資源，有效地進行信息傳輸是至關重要的。在通信中，接收方需要對信號進行譯碼（解碼）、恢復，才能得到原始的信息。信號（Signal）是消息傳輸?shù)妮d體，信號具有多個參量，如頻率、相位、幅度等，消息攜載在信號的參量上。消息與信號的轉換通常通過各種傳感器實現(xiàn)。例如，聲音傳感器可以將聲波轉換為音頻電信號，溫度傳感器能將溫度轉換為溫度電信號，日常生活中的攝像設備可以將圖像轉換為視頻電信號。信號可用來表示圖像、文字等信息，從表現(xiàn)形式上可分為模擬信號與數(shù)字信號。1.1.2消息、信息與信號通信的基本概念其中，模擬信號（AnalogSignal）的信號參量在時間上的取值是連續(xù)的，如電壓、電流、電話發(fā)出的語音信號等。模擬信號有時候也可以稱為連續(xù)信號，在這里，連續(xù)的含義是指信號載荷的參量連續(xù)變化，即在某一個范圍內的取值是連續(xù)的，但在時間上不一定連續(xù)，圖1-1所示為幾種常見的模擬信號的波形。而數(shù)字信號（DigitalSignal）的信號參量在時間上的取值是離散的，如計算機的輸出信號等。(a)正弦波(c)阻尼震蕩波(d)指數(shù)衰減波(b)調幅波圖1-1模擬信號波通信的基本概念綜上所述，消息與信號、信息之間既存在聯(lián)系，又有差異，即消息是信息的物理表現(xiàn)形式，信息是消息的內涵，信號是消息的傳輸載體。此外，通信也可分為模擬通信和數(shù)字通信。由于與模擬通信相比，數(shù)字通信具有更多的優(yōu)點，包括更好的可靠性、抗干擾性能及靈活性等。因此數(shù)字通信得到了迅速的發(fā)展，正朝著智能化、自動化、綜合化的方向前進，為人們的生活和工作提供更加便捷、高效的通信服務。通信系統(tǒng)02通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)（CommunicationSystem）是用以完成信息傳輸過程的技術系統(tǒng)的總稱，是指用于傳輸信息的一系列設備、技術和方法。通信系統(tǒng)的基本組成部分包括信源、信道、信宿。其中，信源是指信息的來源，它可以是語音、圖像、數(shù)據等；信道是指信息在傳輸過程中所使用的載體，可以是電波、光波等；信宿是指用于接收和譯碼信息的設備?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)主要借助電磁波在自由空間的傳播或在導引介質中的傳輸機理來實現(xiàn)，通信系統(tǒng)分為無線通信系統(tǒng)與有線通信系統(tǒng)。無線通信系統(tǒng)通過無線協(xié)議實現(xiàn)通信，可以根據傳輸?shù)姆椒?、頻率，以及可傳輸?shù)姆秶M行分類，不同的無線通信系統(tǒng)的基本組成沒有太大差異，無線通信系統(tǒng)包括無限電通信系統(tǒng)、無線網絡通信系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng)等。有線通信系統(tǒng)是指利用光纖、金屬等介質傳輸信息的系統(tǒng)，在有線通信系統(tǒng)中，聲音、文字、圖像等以光或電的形式傳播，與無線通信系統(tǒng)不同的是，有線通信系統(tǒng)具有可靠性強、保密性強，不易受干擾等優(yōu)點，但一般建設的費用較高。通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)的目標是在傳輸過程中盡可能地維持信息的完整性、可靠性和保密性。為了實現(xiàn)這個目標，通信系統(tǒng)需要采用一系列技術和方法，包括編碼、調制、解調、差錯控制和加密等。編碼是指將原始信息轉換成數(shù)字信號，以便于傳輸和處理。調制是指將數(shù)字信號轉換成模擬信號，以適應信道傳輸?shù)囊?。解調是指將模擬信號轉換成數(shù)字信號，以便于接收和處理。差錯控制是指在傳輸過程中檢測和糾正傳輸中出現(xiàn)的錯誤。加密是指確保信息的安全，防止對信息的未經授權的訪問和使用。通信系統(tǒng)在現(xiàn)代社會中扮演著非常重要的角色。它為人們的生活和工作提供了高效、便捷的通信服務。通信系統(tǒng)廣泛應用于電信、互聯(lián)網、無線通信、衛(wèi)星通信、電視廣播等領域。隨著技術的發(fā)展和創(chuàng)新，通信系統(tǒng)正在不斷地向更快的速率、更廣的覆蓋范圍和更高的可靠性發(fā)展。未來，通信系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)揮其重要作用，為人類社會的進步和發(fā)展做出貢獻。通信系統(tǒng)模型03通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型是指用于描述通信系統(tǒng)的一種抽象模型。通信系統(tǒng)模型通常包括三個主要組成部分：信源、信道和信宿。通信系統(tǒng)模型通常采用信息論的方法進行描述。信息論是一種數(shù)學理論，用于研究信息的傳輸和處理。通信系統(tǒng)模型中的源、信道和接收器可以被視為信息論中的三個主要元素：輸入、信道和輸出。通信系統(tǒng)模型可用于分析和設計通信系統(tǒng)。通過對通信系統(tǒng)模型進行分析，可以確定通信系統(tǒng)的性能指標，如傳輸速率、誤碼率等?；谶@些性能指標，人們可以選擇適當?shù)募夹g和方法來滿足通信系統(tǒng)的要求。通信系統(tǒng)模型也可用于教學和科研。通信系統(tǒng)模型是通信理論的基礎，通過對通信系統(tǒng)模型的學習和研究，人們可以深入理解通信系統(tǒng)的工作原理和性能特點，為通信技術的發(fā)展和創(chuàng)新提供支持和指導?？傊?，通信系統(tǒng)模型是通信系統(tǒng)理論研究和應用的基礎，是通信技術發(fā)展的重要組成部分。通信系統(tǒng)模型通信的基本形式是指在信源與信宿之間建立信道來實現(xiàn)信息的傳輸，但由于原始信息的多元性，信息的傳輸方式有多種形式，可根據信息傳輸?shù)姆绞綐嫵赏ㄐ畔到y(tǒng)的模型，如圖1-2所示，通信系統(tǒng)基本模型一般由信源（發(fā)端設備）、信道（傳輸媒介）、信宿（收端設備）三部分組成，其中信道可能受到噪聲源的影響。1.3.1通信系統(tǒng)組成圖1-2通信系統(tǒng)基本模型通信系統(tǒng)模型1.信源信源是通信系統(tǒng)中的起點，指產生信息的設備或系統(tǒng)。信源產生的信息可以是語音、圖像、數(shù)據等。信源分為模擬信源與數(shù)字信源兩種，模擬信源（如電話、攝像機等）輸出連續(xù)的模擬信號，數(shù)字信源（如計算機等終端設備）輸出離散的數(shù)字信號。模擬信源可以通過采樣與量化操作轉換為數(shù)字信源。在通信過程中，信源與信宿的不同會對信息傳輸?shù)乃俾试斐捎绊?，不同的信源與信宿對傳輸系統(tǒng)的要求也不同。通信系統(tǒng)模型2.信宿信宿是相對于信源而言的，信宿為信息傳輸?shù)哪康牡兀切畔鬏斶^程中最后的環(huán)節(jié)，其功能與信源相反，即接收信息并將電信號還原成原始信息，同時對自身有用的信息加以利用，直接或間接地為某一目的服務，在信息的再生產過程中，能起到巨大的反饋作用。信宿可以是人，也可以是電視機、計算機、雷達等設備。在信宿處，接收到的信息需要進行譯碼和解壓縮等處理，以便于人們理解和使用。信宿的性能對于通信系統(tǒng)的通信質量和效率有重要的影響。通信系統(tǒng)模型3.發(fā)送設備和接收設備發(fā)送設備包括編碼器和調制器等。編碼器的主要作用是將模擬信號轉換為數(shù)字信號，并進行數(shù)據壓縮、加密等處理，以提高傳輸效率和信息的安全性。調制器的主要作用是將數(shù)字信號轉換為模擬信號，并進行調制，以適應信道傳輸?shù)囊?。調制器的主要參數(shù)包括頻率、幅度、相位和調制方式等，不同的調制方式對于不同的信道具有不同的適應性。接收設備包括譯碼器和解調器等。譯碼器的主要作用是將數(shù)字信號轉換為原始信息的形式，并進行譯碼，以便于人們理解和使用。解調器的主要作用是將模擬信號轉換為數(shù)字信號，并進行解調，以便于在接收端對信號進行處理。接收設備的性能對于通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性具有重要的影響。通信系統(tǒng)模型4.信道信道是信息在傳輸過程中所使用的物理介質，可以是電纜、光纖、無線電波等，如無線電話的信道就是電波傳輸時經過的空間，有線電話的信道是電纜。信道的主要作用是在信息的傳輸過程中提供傳輸介質，并對信息進行傳輸和傳導。信號在信道中傳輸時，一般會受到干擾、產生損耗。信道的主要參數(shù)包括帶寬、傳輸速率、信噪比、衰減和干擾等，這些參數(shù)對于通信系統(tǒng)的性能和可靠性具有重要的影響。通信系統(tǒng)模型在模擬通信系統(tǒng)中，模擬信號是指在通信過程中傳輸?shù)脑夹盘?，它并沒有經過數(shù)字化處理，保留了原始信號的連續(xù)性和精度。模擬信號的特點是其數(shù)值是連續(xù)變化的，可以采用無限多個值來表示。模擬信號的頻率和幅度可以隨著時間的變化而變化，可以表示復雜的信息和信號特征。模擬信號的處理和傳輸需要使用模擬電路和模擬信號處理技術，涉及的設備如濾波器、放大器、調制器等。模擬信號可以表示不同種類的信息，如語音、圖像、視頻等。例如，在廣播電視中，圖像和聲音以模擬信號的形式傳輸?shù)浇邮赵O備。模擬信號可以通過模擬信號發(fā)生器產生，模擬信號的產生需要考慮頻率、幅度和相位等參數(shù)，以便于在模擬通信系統(tǒng)中被傳輸和處理。需要注意的是，在數(shù)字通信系統(tǒng)中，需要對模擬信號進行數(shù)字化處理，將其轉換為離散的數(shù)字信號。數(shù)字信號具有一定的精度和采樣頻率，但無法完全反映原始信號的連續(xù)性，因此數(shù)字通信系統(tǒng)在信號傳輸和處理中存在一定的誤差和失真。1.3.2模擬通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型模擬信號具有以下優(yōu)點：（1）模擬信號的分辨率比數(shù)字信號更準確，在理想的情況下，模擬信號的分辨率趨于無限；（2）模擬信號在表現(xiàn)上更為直觀，相對更容易實現(xiàn)；（3）由于沒有量化誤差，模擬信號更能準確地描述真實物理量的具體值；（4）在對信號的處理方法上，處理模擬信號的環(huán)節(jié)相比數(shù)字信號更加簡單方便。通信系統(tǒng)模型模擬信號具有以下缺點：（1）模擬信號本身較弱，更容易被雜訊影響；（2）模擬信號無法進行遠距離傳輸，只能與距離較近的設備進行信息傳輸；（3）模擬信號的抗干擾能力較弱，在傳輸過程中容易受到各種噪音的干擾，從而使通信的質量與效率下降，極大影響信息傳輸?shù)臏蚀_性與完整性；（4）模擬信號的保密性較差，信息傳輸?shù)倪^程中容易被竊取，這使得模擬信號的傳輸在安全性方面較弱。通信系統(tǒng)模型圖1-3所示時模擬通信系統(tǒng)基本模型

在模擬通信系統(tǒng)模型中，包含兩種重要的變換。一是信息與基帶信號之間的變換，完成這個變換的組成部分是信源和信宿；二是基帶信號與已調信號之間的變換，完成這個變換的組成部分通常是調制器與解調器。模擬通信系統(tǒng)在歷史上曾經占據主導地位，但隨著數(shù)字化通信的迅速發(fā)展，現(xiàn)有的大多數(shù)模擬通信系統(tǒng)已逐漸被數(shù)字通信系統(tǒng)所取代，信息通信正朝著數(shù)字化的方向發(fā)展。圖1-3模擬通信系統(tǒng)基本模型通信系統(tǒng)模型在數(shù)字通信系統(tǒng)中，數(shù)字信號的特點是其數(shù)值是離散的，只能取有限個值，這些值通常以二進制的形式進行表示。數(shù)字信號的頻率和幅度都是離散的，可以通過一定的采樣頻率和量化精度來表示。數(shù)字信號的處理和傳輸需要使用數(shù)字電路和數(shù)字信號處理技術，涉及的設備如濾波器、數(shù)字調制器、解調器等。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，數(shù)字信號可以表示不同種類的信息，如語音、圖像、視頻等。例如，在手機通信中，人的聲音經過麥克風采集后，需要被轉換為數(shù)字信號，然后通過數(shù)字通信系統(tǒng)進行傳輸，最終在接收端被譯碼和播放；在數(shù)字電視中，圖像和聲音也以數(shù)字信號的形式被傳輸給接收設備。數(shù)字信號可以通過數(shù)字信號發(fā)生器產生，數(shù)字信號的產生需要考慮信號的采樣頻率、量化精度和編碼方式等參數(shù)，以便于在數(shù)字通信系統(tǒng)中進行傳輸和處理。1.3.3數(shù)字通信系統(tǒng)模型通信系統(tǒng)模型數(shù)字信號具有以下優(yōu)點：（1）數(shù)字信號的抗干擾能力較強。由于數(shù)字信號的取值為離散值，在信號傳輸?shù)倪^程中遇到持續(xù)的噪聲干擾時，當信噪比惡化時，在適當?shù)木嚯x采用判決再生的方法可生成沒有噪聲干擾的信號，與模擬信號相比可應用于長距離的信息傳輸；（2）相比模擬信號，數(shù)字信號的加密處理在實現(xiàn)方面較為容易。經過數(shù)字變換后的信號可以用簡單的加解密運算進行信號處理；（3）數(shù)字信號能夠適應多種通信業(yè)務要求，可應用于多種綜合業(yè)務。其采用數(shù)字傳輸?shù)姆绞?，通過數(shù)字交換設備進行數(shù)字交換，實現(xiàn)傳輸與交換的綜合；（4）數(shù)字信號便于存儲、交換，易于被計算機接收和處理。數(shù)字信號的二進制形式與計算機中信號的形式一致，便于利用計算機實現(xiàn)對數(shù)字信號的存儲與交換，聯(lián)網后可使通信網絡在計算機的管理維護下更加智能；（5）數(shù)字信號可采用時分多路復用進行傳輸，通信設備便于集成化、微型化；（6）數(shù)字信號的安全性、保密性相比模擬信號更高通信系統(tǒng)模型需要注意的是，在模擬通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)氖悄M信號，而在數(shù)字通信系統(tǒng)中，傳輸?shù)氖菙?shù)字信號。數(shù)字信號雖然可以通過對模擬信號進行采樣、量化和編碼等處理得到，但數(shù)字信號的處理和傳輸需要使用數(shù)字電路和數(shù)字信號處理技術，以保證其質量和可靠性。圖1-4所示是數(shù)字通信系統(tǒng)基本模型。圖1-4數(shù)字通信系統(tǒng)基本模型通信系統(tǒng)模型信源編碼（SourceCoding）在數(shù)字通信系統(tǒng)模型中有兩個基本功能，一是將數(shù)字信號進行壓縮處理，即數(shù)據壓縮，減少冗余，通過某種壓縮編碼技術對碼元數(shù)目進行縮減，從而降低碼元的速率。二是將信源的模擬信號轉換為電信號，完成模/數(shù)（A/D）轉換，以實現(xiàn)數(shù)字化傳輸。

數(shù)字信號在傳輸?shù)倪^程，往往由于各種原因（如噪聲）在傳輸?shù)臄?shù)據流中產生誤碼，在信道編碼（ChannelCoding）環(huán)節(jié)對信息碼元進行相應的處理，對可能出現(xiàn)的差錯進行控制，組成所謂“抗干擾編碼”。在信息的接收端，信道譯碼按照相應的逆規(guī)則進行譯碼，對錯誤進行糾正，從而提高信息傳輸?shù)挠行耘c通信系統(tǒng)的可靠性。

在信息傳輸?shù)倪^程中，加密（Encryption）是十分重要的環(huán)節(jié)。即為了保護正在傳輸信息的安全，為被傳輸?shù)臄?shù)字序列添加密碼，在信息的接收端對接收到的數(shù)字序列進行解密（Decryption），從而得到原始信息。

數(shù)字調制是指將數(shù)字基帶的信號頻譜遷移到高頻處，形成適合在信道中傳輸?shù)膸ㄐ盘枴；镜臄?shù)字調制方式有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）等，在信息的接收端通過相干解調或者非相干解調對數(shù)字的基帶信號進行還原。通過調制，使信號特性與信道特性相匹配，在加解密過程中，提高信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

通信系統(tǒng)類型04通信系統(tǒng)類型1.按信源分類由1.3節(jié)的介紹可知，在通信系統(tǒng)中，可根據信源，即流通的信號類型劃分通信系統(tǒng)類型，如模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)等。如果在系統(tǒng)中流通的信號類型不止一種，則稱該系統(tǒng)為混合通信系統(tǒng)。1.4.1分類方式通信系統(tǒng)類型2.按信號特征分類在現(xiàn)實的通信系統(tǒng)建模仿真操作中，人們通常不關心系統(tǒng)的內部構造及函數(shù)運行的原理，而關心通過給定的參數(shù)及輸入函數(shù)，系統(tǒng)給出了什么樣的輸出，是否可以滿足實驗的要求。對于給定的輸入，參數(shù)如果不隨著時間而變化，則稱該系統(tǒng)為恒參系統(tǒng)，如果隨著時間的變化參數(shù)產生變化，則稱該系統(tǒng)為變參系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的參數(shù)隨著時間的變化是確定的，則稱該系統(tǒng)為確定系統(tǒng)，如果系統(tǒng)參數(shù)是服從隨機分布的隨機過程，則稱該系統(tǒng)為隨機系統(tǒng)。隨機系統(tǒng)自身帶有很強的隨機性和不確定性。在通信建模仿真中，在數(shù)學上，模型的表示方法一般為系統(tǒng)的輸入、系統(tǒng)的輸出及系統(tǒng)固有的函數(shù)關系。通信系統(tǒng)類型如果對于自變量的每個值，系統(tǒng)的輸出僅僅取決于當前時刻系統(tǒng)的輸入，則稱該系統(tǒng)為無記憶系統(tǒng)，在無記憶系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出與以往的輸入無關，如純電阻系統(tǒng)。反之，如果系統(tǒng)具有保留或存儲不是當前時刻輸入信息的功能，即系統(tǒng)的輸出可能為歷史輸入信息，則稱該系統(tǒng)為記憶系統(tǒng)，又稱動態(tài)系統(tǒng)，如電容系統(tǒng)。在數(shù)學上，無記憶系統(tǒng)的輸入x(t)和輸出y(t)的關系可表示為y(t)=f[x(t)]，其中t表示時間。對于記憶系統(tǒng)，若輸入和輸出在時間和取值上是離散的，則為離散記憶系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入和輸出的關系需用差分方程來表示；若輸入和輸出在時間和取值上是連續(xù)的，則為連續(xù)記憶系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入和輸出的關系需用微分方程來表示，方程的系數(shù)即為系統(tǒng)的參數(shù)。若系統(tǒng)只有一個輸入信號和一個輸出信號，則稱為單輸入單輸出系統(tǒng)（Single-InputSingle-Output，SISO）或單變量系統(tǒng)，若系統(tǒng)有兩個及以上的輸入和兩個及以上的輸出，則稱該系統(tǒng)為多輸入輸出系統(tǒng)（Multi-UserMultiple-InputMultiple-Output，MIMO）或多變量系統(tǒng)。對于記憶系統(tǒng)，若輸入信號和輸出信號中同時存在連續(xù)信號和離散信號，則需要同時用微分方程與差分方程進行表示。我們把表示系統(tǒng)狀態(tài)的方程組稱為系統(tǒng)的狀態(tài)方程，如果微分方程或差分方程是線性系統(tǒng)的，則把它們稱為線性狀態(tài)方程。在數(shù)學中，通常用矩陣來表達線性狀態(tài)方程。通信系統(tǒng)類型3.按網絡層次分類網絡層：在通信系統(tǒng)中，最高層次為網絡層。在網絡層中，通信系統(tǒng)由傳輸系統(tǒng)、信號處理點（通信節(jié)點）及將這些節(jié)點連接起來的通信鏈路組成。在網絡層中，對信息流的控制與分配是建模仿真的主要目標，通信信號的具體傳輸過程通常不被關心，網絡層次設計和分析的主要工作是對于傳輸協(xié)議的優(yōu)化與驗證。鏈路層：鏈路層位于網絡層下面，鏈路層的任務是對通信節(jié)點與傳輸信號的具體化。通信鏈路由調制器、解調器、編碼器、濾波器、放大器、傳輸信道、譯碼器等元素構成，這些元素在通信鏈路中負責信號的處理與傳輸。在鏈路層中，我們通常研究和考察信號的傳輸過程、信號處理所用的算法對傳輸質量的影響等，并不關心算法和傳輸過程中具體的實現(xiàn)方法是什么。在通信網絡中，鏈路層的模型分析與仿真設計的主要任務是：設計編譯碼算法，分析算法對傳輸?shù)目煽啃?、容量、錯誤率的影響，對算法的有效性進行調制。

通信系統(tǒng)類型電路層：在通信系統(tǒng)的設備方面，鏈路層中的元素可采用硬件實現(xiàn)，也可以軟硬件結合，形成軟硬件的混合體，還可以僅采用相同功能的軟件實體，而不再僅僅采用純硬件系統(tǒng)（如傳統(tǒng)的電路）來實現(xiàn)。例如，對信號進行處理的數(shù)字電弧、模擬電路等，就是對鏈路層模型中元素的具體化，即電路層模型。對于電路實現(xiàn)，在通信模型中，人們通常更關心具體功能的實現(xiàn)，如電路硬件的設計、算法的分析及程序函數(shù)的設計等，而不關心通信系統(tǒng)的性能指標。綜上所述，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，對網絡層進行研究和建模仿真的目的是解決系統(tǒng)規(guī)劃及通信網絡全局的性能設計問題，具體為通信傳輸協(xié)議的設計與分析，如何協(xié)調網絡數(shù)據流量、信息負載均衡及網絡協(xié)議最大化等，但不關心通信節(jié)點之間的信號如何傳輸。而對于鏈路層上的通信系統(tǒng)建模，節(jié)點傳輸?shù)男阅苁且芯康闹饕獑栴}，如調制解調方式、編譯碼問題、傳輸性能等，但不關心信號處理的具體實現(xiàn)。在電路層中，研究對象為信號單元的具體處理實現(xiàn)及優(yōu)化，對于硬件、算法的采用都要進行考慮，包括指標要求及輸出的波形實現(xiàn)，但不關心上層的系統(tǒng)性能指標。通信系統(tǒng)類型對于通信網絡中的不同層次的模型，使用的建模和仿真技術也有所不同。在網絡層中，通常首先通過事件驅動的仿真軟件對信息流及數(shù)據流在網絡中的流動過程進行仿真，并根據仿真的結果對諸如響應時間、網絡的吞吐量、資源利用率等指標進行估計，以此作為設計節(jié)點處理器速度、緩沖區(qū)大小及多種網絡參數(shù)的設計依據。根據網絡層模型的仿真結果，可以完成對通信協(xié)議及通信鏈路中的拓撲結構等的設計和驗證的工作。在鏈路層中，通常針對不同物理信道中的信息傳輸問題進行研究。其中，物理信道包含有線信道、光纖信道、自由空間等。對數(shù)字通信系統(tǒng)進行模型仿真的指標通常為傳輸?shù)乃俾始氨忍劐e誤率等，對于模型中的模塊，如調制器、解調器、濾波器、信道等僅進行功能的描述。在電路層中，通過對輸入、輸出信息的仿真來驗證通信鏈路的設計是否滿足仿真所要求的鏈路質量指標。通常使用模擬電路仿真語言SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）與數(shù)字系統(tǒng)仿真語言HDL（HardwareDescriptionLanguage）等，對電路系統(tǒng)的性能進行處理，驗證其是否達到了鏈路層系統(tǒng)所要求的功能指標。例如，若鏈路層給出濾波器的帶寬等指標，則電路層需要通過仿真來研究設計的濾波器是否滿足系統(tǒng)要求。通信系統(tǒng)類型4.其他常見的分類方式根據傳輸方式、通信業(yè)務、復用方式、傳輸介質等分類方式，可將通信系統(tǒng)分為多種類型，如表1-1所示。

表1-1通信系統(tǒng)的常見分類下面詳細介紹幾種常見的通信系統(tǒng)，主要有光纖通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)、數(shù)據通信系統(tǒng)、多路通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)類型

光纖即光導纖維，光纖通信系統(tǒng)（Optical-fiberCommunicationSystem，OCS）以光波為信息載體，以純度極高的玻璃拉制成的光導纖維作為傳輸介質，經過光電變換，通過光來將信息從一處傳輸至另一處。光纖通信系統(tǒng)主要由三部分組成，分別負責光的發(fā)送、光的接收與光的傳輸。在光的發(fā)送部分，有光源、光端機等，光的傳輸部分以光纖為載體，經長距離光纖的微弱信號通過中繼器進行放大，形成一定強度的光信號，光纖是光纜的一部分。光檢測器是光的接收部分的主要組成設備，如圖1-5所示1.4.2光纖通信系統(tǒng)圖1-5光纖通信系統(tǒng)組成通信系統(tǒng)類型按照光纖波長，光纖通信系統(tǒng)可劃分為短波長光纖通信系統(tǒng)、長波長光纖通信系統(tǒng)與超長波長光纖通信系統(tǒng)；按照光線特點，光纖通信系統(tǒng)可劃分多模光纖通信系統(tǒng)與單模光纖通信系統(tǒng)；按照信號傳輸?shù)男问剑饫w通信系統(tǒng)可劃分為光纖數(shù)字通信系統(tǒng)和光纖模擬通信系統(tǒng)，其他類型的光纖通信系統(tǒng)還有外差光纖通信系統(tǒng)、全光通信系統(tǒng)、波分復用通信系統(tǒng)等。其中，光纖數(shù)字通信系統(tǒng)傳輸數(shù)字信號，抗干擾能力較強；而光纖模擬通信系統(tǒng)傳輸模擬信號，適用于短距離傳輸和模擬電視圖像信號的傳輸；外差光纖通信系統(tǒng)的光的接收部分靈敏度較高，但通信容量大，設備較為復雜；全光通信系統(tǒng)不需要進行光電轉換，通信的質量較高；波分復用通信系統(tǒng)可在一根光纖上傳輸多個載波信號，通信質量好，成本較低。通信系統(tǒng)類型通俗地講，衛(wèi)星通信（SatelliteCommunicationSystem，SCS）就是以衛(wèi)星作為中繼轉發(fā)微波信號，是在地球上（包括地面、低層大氣中等）多個無線電通信站間進行的通信，衛(wèi)星通信實質上也是一種微波通信。衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要由空間分系統(tǒng)、跟蹤遙測以及指令分系統(tǒng)、通信地球站分系統(tǒng)等組成。衛(wèi)星通信的目的是實現(xiàn)對地面信息的全覆蓋，具有通信范圍大的優(yōu)點，即只要在衛(wèi)星發(fā)射電波的覆蓋范圍內，任何兩點之間都可以進行通信。衛(wèi)星通信不容易受到自然災害的影響，其可靠性較高，只要在地球站設置電路即可開通，電路的設置較為靈活，可同時在多處接收信息，實現(xiàn)多址通信，同一信道可在不同方向進行多址連接。其中，空間分系統(tǒng)組成如圖1-6所示。1.4.3衛(wèi)星通信系統(tǒng)圖1-6空間分系統(tǒng)組成衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過先進的空間與電子技術，解決信號傳播時延帶來的影響，保證衛(wèi)星高度穩(wěn)定與高可靠性的工作。通信系統(tǒng)類型微波通信系統(tǒng)（MicrowaveCommunicationSystem，MCS）由交換機、數(shù)字終端機、微波終端站、微波中繼站、微波分路站等組成，利用波長在1mm～1m之間的電磁波——微波進行通信，具有傳輸容量大、通信質量好且可遠距離傳輸?shù)奶攸c，普遍適用于各種專用通信網絡，圖1-7為數(shù)字微波通信系統(tǒng)基本組成。1.4.4微波通信系統(tǒng)圖1-7數(shù)字微波通信系統(tǒng)基本組成通信系統(tǒng)類型數(shù)據通信系統(tǒng)（DataCommunicationSystem，DCS）通過通信線路將分布在各地的數(shù)據終端設備與計算機系統(tǒng)連接起來，從而實現(xiàn)數(shù)據信息的傳輸、交換、存儲和處理。數(shù)據通信系統(tǒng)是計算機與通信的集合，其將多個獨立的計算機系統(tǒng)連接起來，便于計算機資源的共享。典型的數(shù)據通信系統(tǒng)由三部分組成，分別是中央計算機系統(tǒng)、數(shù)據終端設備、數(shù)據電路，如圖1-8所示。1.4.5數(shù)據通信系統(tǒng)圖1-8數(shù)據通信系統(tǒng)基本組成通信系統(tǒng)類型數(shù)據通信系統(tǒng)根據處理數(shù)據形式的不同，可分為聯(lián)機實時系統(tǒng)、遠程批量處理系統(tǒng)和分時處理系統(tǒng)三類。聯(lián)機實時系統(tǒng)將從終端輸入的數(shù)據在中央計算機系統(tǒng)上進行處理，并將處理結果直接返回數(shù)據終端設備，適用于對實時性要求較高的場景。聯(lián)機實時系統(tǒng)能夠處理隨機產生的大量數(shù)據，適用場景如訂票系統(tǒng)、氣象觀測系統(tǒng)、情報收集系統(tǒng)等。遠程批量處理系統(tǒng)獲取結果的方式有兩種，一是從中央計算機系統(tǒng)外圍設備作業(yè)中獲取，二是從數(shù)據終端設備向中央計算機系統(tǒng)投入作業(yè)從而獲取。分時處理系統(tǒng)根據將中央計算機系統(tǒng)劃分的時間片，使數(shù)據終端設備按照時間片的形式依次輪流使用中央計算機系統(tǒng)。其特點是一臺中央計算機可以同時連接多個控制臺，聯(lián)機用戶同時使用計算機，以會話形式控制作業(yè)的運行。通信系統(tǒng)類型多路通信指用一條公共信道建立兩條或多條獨立傳輸信道的通信方式，采用多路通信方式的系統(tǒng)稱為多路通信系統(tǒng)（MultiplexCommunicationSystem，MCS）。為了充分利用通信信道，降低通信成本，增大傳輸容量，許多通信系統(tǒng)采用多路通信方式。在多路通信系統(tǒng)中，信道的發(fā)送端、接收端采用多路復用終端設備，發(fā)送端的若干個端口輸入互不相關的各路信號，對信號進行適當?shù)淖儞Q處理后將其合并送入信道。接收端將合成的信號還原為彼此互不干擾的各路信號，再由不同端口輸出。在公共信道中，由于發(fā)送端設備輸出的信號的參量有區(qū)別，因此各路信號在傳輸中互不干擾。根據頻率和時間的參量不同，多路通信系統(tǒng)可分為頻分多路通信系統(tǒng)、時分多路通信系統(tǒng)、碼分多路通信系統(tǒng)，其中碼分多路通信系統(tǒng)是將各路信號用不同的碼型結構序列組成的多路通信系統(tǒng)。1.4.6多路通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)模型不同類型多路通信系統(tǒng)的特點如下：（1）頻分多路通信系統(tǒng)設備較簡單，但對信道的線性要求較高，不需要嚴格同步，但需要避免產生非線性互調干擾；（2）時分多路通信系統(tǒng)對信道的線性要求較低，但對同步系統(tǒng)的精度要求較高；（3）碼分多路通信系統(tǒng)的保密性較強，各路的連接變換較為靈活，同樣對同步系統(tǒng)的精度要求較高，抗窄頻帶干擾能力較強。通信方式05通信方式在選擇通信方式時，一般從不同的角度考慮，通信方式一般有以下幾種分類。

根據系統(tǒng)結構，可將通信方式分為三類，分別是點對點通信、點對多點通信、多點之間通信。其中，點對點通信又稱專線通信。點對點通信可以實現(xiàn)網內任意兩個用戶之間的信息交換，在點對點通信中，只有1個用戶可以發(fā)送消息，1個用戶可以收到消息。如今的點對點通信大部分是全雙工通信。點對多點通信用于在一個發(fā)送方與多個接收方之間進行通信。在點對多點通信中，發(fā)送方可以同時向多個接收方發(fā)送數(shù)據，而接收方可以從發(fā)送方接收到相同的數(shù)據。多點之間通信又稱網通信。在多點之間通信中，存在多個發(fā)送方與接收方，由發(fā)送方發(fā)送的數(shù)據包被鏈路上相應的多個目標設備接收和處理。1.5.1按照系統(tǒng)結構分類通信方式根據信息的傳輸方向與時間進行分類，可將通信方式可分為三種，分別是單工通信、半雙工通信及全雙工通信。單工通信的信道是單向信道，指信息只能單方向進行傳輸。發(fā)送端與接收端的身份是固定的，發(fā)送端發(fā)送信息，接收端接收信息，信息的傳輸是單向進行的，單工通信的示例如無線廣播通信、遙控器通信等。在半雙工通信中，同一時間內只允許一方發(fā)送信息、一方接收信息，即通信雙方不能同時發(fā)送和接收信息，如對講機之間的通信便是半雙工通信。在全雙工通信中，允許數(shù)據在兩個方向同時進行傳輸，發(fā)送方與接收方可以同時傳輸信息。全雙工通信方式要求通信信道為雙向信道，全雙工通信的示例如電話線之間的通信、計算機與外接鍵盤的通信等。1.5.2依照信息傳輸方向與時間分類通信方式按照數(shù)字通信中信號代碼排序方式的不同，可將通信方式分為串行通信與并行通信。在串行通信中，數(shù)字信號序列按照時間順序在信道上一個接一個地傳輸，每一位數(shù)據占有固定的時間長度，適用于計算機與計算機之間、外設設備之間的遠距離通信。在并行通信中，數(shù)字信號序列以成組的方式進行傳輸，且在多條信道上并行、同時傳輸。數(shù)字通信一般采用串行通信的方式，因為并行通信對傳輸線纜的要求較高，線路成本也是串行通信的若干倍，同時，在傳輸頻率方面，串行通信的表現(xiàn)更佳。1.5.4按照通信網絡的形式分類

按照通信網絡的形式進行分類，可將通信方式分為直通方式、分支方式和交換方式。在直通方式中，終端之間的線路是專用的；在分支方式中，終端之間無法直通信息，必須連接中轉站，經中轉站轉接后傳輸信息；在交換方式中，需要對終端之間的線路進行連接，通過程序進行數(shù)據交換，是通過終端之間交換設備進行線路交換的一種通信方式，兼具實時與延時兩種選擇。1.5.3按照數(shù)據碼元傳輸?shù)臅r序分類通信系統(tǒng)的性能評價指標06通信系統(tǒng)的性能評價指標通信系統(tǒng)的性能評價指標主要分為兩部分，分別是信息傳輸?shù)挠行耘c可靠性。有效性是指傳輸一定的信息量所消耗的信道中帶寬與時間的多少，可靠性是指信息傳輸?shù)臏蚀_程度，因此，有效性與可靠性是相互矛盾的。在實際的通信系統(tǒng)應用中，通常是在一定的有效性指標下，盡量提高通信系統(tǒng)的傳輸質量，或在一定的可靠性指標下，使信息的傳輸速率盡可能提高。在信道容量一定時，可靠性與有效性可以適當進行相互交換。1.6.1有效性在通信模擬系統(tǒng)的信源信號的傳輸中，傳輸所需寬帶越小，頻帶利用率就越高，即通信的有效性越高，其中，信號的帶寬與調制的方式有關。評估有效性指標的依據是信息的傳輸速率，傳輸速率可分為碼元傳輸速率與信息傳輸速率。通信系統(tǒng)的性能評價指標

通信系統(tǒng)的性能評價指標

通信系統(tǒng)的性能評價指標

在通信系統(tǒng)正常工作時，用于評估系統(tǒng)可靠性指標的是差錯率，差錯率也有兩種表示方法，分別是誤碼率與誤信率。模擬通信系統(tǒng)的可靠性通常使用信息接收端輸出信號與噪聲功率比（S/N）來度量，它可以表示信號經過傳輸后的保真程度與抗噪聲能力。1.6.2可靠性通信系統(tǒng)的性能評價指標

通信系統(tǒng)仿真07通信系統(tǒng)仿真現(xiàn)實中通信系統(tǒng)的組成與功能都相對復雜，在對原有的通信系統(tǒng)進行功能上的改造或升級時，一般需要對其先進行建模與仿真，在仿真模型的基礎上進行設計與分析，并根據仿真的結果衡量方案設計的可行性，對方案的細節(jié)進行修改，調整參數(shù)配置與系統(tǒng)位置，以達到理想狀態(tài)，從中選擇最可行的方案應用到實際通信系統(tǒng)的改造中。通過通信系統(tǒng)仿真，我們能將數(shù)字和經驗模型深入結合，根據信號與真實設備的特點對通信系統(tǒng)進行設計與分析，能夠更大限度利用現(xiàn)有的設計空間，進而降低設計與研發(fā)的成本。1.7.1通信系統(tǒng)仿真的概念和意義通信系統(tǒng)仿真

通信系統(tǒng)的仿真一般分為三個步驟，分別是仿真建模、仿真實驗和仿真分析。通信系統(tǒng)仿真是一個螺旋式的過程，因此，每個步驟可能要進行多次可能才能確定最終的仿真結果，以下為通信系統(tǒng)仿真的具體工作。

1.7.2通信系統(tǒng)仿真的一般流程通信系統(tǒng)仿真（1）仿真建模，即根據實際的通信系統(tǒng)建立通信系統(tǒng)仿真模型的過程，是通信系統(tǒng)建模的關鍵步驟，因為仿真模型的質量與后續(xù)的仿真結果的優(yōu)劣是直接關聯(lián)的，所以應在建模時確保數(shù)據與結構的真實性和準確性。（2）仿真實驗是以系統(tǒng)技術、數(shù)學理論及應用理論等為基礎，以計算機與各種物理效應設備為工具，進行的一系列針對仿真模型的測試。在仿真實驗的過程中，通常需要對模型的輸入信號的參數(shù)值進行多次修改，分別觀察與分析仿真模型在不同輸入信號下表現(xiàn)出來的結果與性能。在進行仿真實驗時，通常選擇具有代表性的輸入信號，以便能夠從多角度更加全面地分析仿真模型的性能。（3）仿真分析是通信系統(tǒng)仿真的最后一步。經過仿真建模與仿真實驗后，我們獲得了充足的系統(tǒng)的數(shù)據與性能，在仿真分析的過程中，通過對這些原始系統(tǒng)數(shù)據進行分析與處理，我們可獲得衡量系統(tǒng)性能的尺度，如最大值、最小值、方差、標準差等，從而得出對于仿真模型的性能的全面評價，進而將其應用到實際的通信系統(tǒng)中。通信系統(tǒng)仿真需要注意的是，即使對以上每個步驟的操作都嚴格把控，仿真的結果與理想狀態(tài)之間依然可能存在誤差，因為在仿真實驗的過程中，輸入信號具有隨機性，無法避免誤差。在仿真分析的過程中，如果用戶認為仿真結果不夠理想，應當修改最開始的仿真模型數(shù)據，多次重復進行仿真實驗。下面通過一個實例來演示通信系統(tǒng)仿真的基本步驟?！纠?-1】根據萬有引力可知，常規(guī)物體只在重力的作用下會進行初速度為0的運動，稱為自由落體運動。自由落體運動是一種理想狀態(tài)下的物理模型。下面我們利用Syslab（MWORKS.Syslab是一個科學計算軟件，將在第2章具體介紹）提供的圖像處理功能對該運動過程進行仿真，以便更好地觀察自由落體的運動過程。首先，給出通信系統(tǒng)仿真建模所需數(shù)據參數(shù)。一個小球在離地面30m的高度自由下落，其中，重力加速度為10m/s2，空氣阻力忽略不計。請分析，經過多長時間小球能到達地面，并繪制小球在自由落體過程中的高度、速度曲線。通信系統(tǒng)仿真數(shù)學模型首先設置一個時間最大值tmax=6，接著定義繪制曲線所需的記號點和時間間隔，如dt=0.1，t=0:dt:tmax,其中t表示從0到tmax的時間里，每隔0.1s建立一個時間變量，然后寫出小球的高度、速度的表達式。仿真模型設計根據數(shù)學模型可知，小球的自由落體運動為加速度運動，每一時刻的運動不相同，繪制其高度與速度曲線的Syslab代碼如下。通信系統(tǒng)仿真（1）繪制小球的高度曲線。tmax=6;#時間最大值dt=0.1;#記號點t=0:dt:tmax;;#時間間隔x=30.-5.*t.^2;#小球高度v=10.*t;#速度a=10;#加速度figure(1);plot(t,x,"-o");grid("on");title("小球的高度",fontsize=15);xlabel(raw"時間/s",fontsize=15);ylabel(raw"高度/m",fontsize=15);通信系統(tǒng)仿真運行程序，結果如圖1-9所示，記錄了隨著時間變化的小球的高度。圖1-9小球的高度曲線通信系統(tǒng)仿真（2）繪制小球的速度曲線。tmax=6;#時間最大值dt=0.1;#記號點t=0:dt:tmax;;#時間間隔x=30.-5.*t.^2;#高度v=10.*t;#速度a=10;#加速度figure(2);plot(t,v,"-o");grid("on");title("小球的速度",fontsize=15);xlabel(raw"時間/s",fontsize=15);ylabel(raw"速度/m·s^-1",fontsize=15);通信系統(tǒng)仿真運行程序，結果如圖1-10所示，記錄了隨著時間變化的小球的速度。圖1-10小球的速度曲線通信系統(tǒng)仿真

【例1-2】對乒乓球的彈跳過程進行仿真，忽略空氣阻力對乒乓球的影響。乒乓球的運功狀態(tài)為垂直下落，忽略平面對乒乓球的摩擦力，乒乓球接觸落點后立即反彈，考慮彈跳中的能量損耗，反彈前后的瞬時速率不變，方向相反；考慮撞擊損耗，速率降低。請通過仿真得出乒乓球位移隨時間變化的曲線。

數(shù)學模型首先設置乒乓球的重力加速度、質量、初始速度與開始時所在的位置，設置起始時間t0=0、彈跳損耗系數(shù)K=0.65，設置前進的步數(shù)與步長，并令水平方向的速度為1。

仿真模型根據數(shù)學模型，乒乓球做彈跳運動，繪制乒乓球位移隨時間變化的關系曲線的代碼如下。通信系統(tǒng)仿真

仿真模型根據數(shù)學模型，乒乓球做彈跳運動，繪制乒乓球位移隨時間變化的關系曲線的代碼如下。

tmax=6;#時間最大值g=9.8;#重力加速度

v0=0;#初始速度y0=1;#初始位置m=1;#乒乓球的質量t0=0;#起始時間K=0.65;#彈跳損耗系數(shù)N=1000;#仿真的總前進步數(shù)dt=0.005;#步長v=v0;y=y0;vx=1;#水平方向速度

x=0;fork=1:N#乒乓球的運動過程計算ify>0

v=v-g*dt;y=y+v*dt;

elsey=-K.*v*dt;v=-K.*v-g*dt;endx=x+vx*dt;holdonplot(x,y,"o");xlabel("時間/s");ylabel("位移/m");axis([-21001]);end通信系統(tǒng)仿真運行程序，結果如圖1-11所示，記錄了隨著時間變化的乒乓球的位移。圖1-11乒乓球位移隨時間變化的曲線緒論本章小結通信的目的是傳輸信息，信息是消息的內涵，消息是信息的物理表現(xiàn)形式。信號是消息的傳輸載體，信號根據信號參量的取值是否連續(xù)可分為模擬信號與數(shù)字信號。通信系統(tǒng)有不同的分類方式，按照信道中所傳輸?shù)男盘柺悄M信號還是數(shù)字信號可將通信系統(tǒng)分為數(shù)字通信系統(tǒng)與模擬通信系統(tǒng)。如今，數(shù)字通信系統(tǒng)已成為當前通信技術的主流。數(shù)字通信系統(tǒng)相較于模擬通信系統(tǒng)，其抗干擾能力強、差錯可控，同時可將來自不同信源的信號綜合起來一起傳輸，易于集成、成本較低。其缺點是對于同步的要求較高，占用帶寬大。

按照信息的傳輸方向與時間的關系，通信方式可分為單工通信、半雙工通信與全雙工通信，根據數(shù)據碼元的排列順序，通信方式可分為串行通信與并行通信。

評價通信系統(tǒng)性能的兩個重要指標是有效性與可靠性，兩者互相矛盾又在一定程度上相互統(tǒng)一。模擬通信系統(tǒng)中的有效性根據帶寬進行衡量，可靠性根據輸出信噪比進行衡量，數(shù)字通信系統(tǒng)的有效性依據頻帶利用率進行衡量，可靠性依據誤碼率、誤信率進行衡量。

通常，碼元傳輸速率在數(shù)值上小于或等于信息傳輸速率，碼元傳輸速率決定了發(fā)送信號時所需的傳輸帶寬。緒論習題11．通信系統(tǒng)的組成部分是什么？2．信號有哪幾種，它們的特點是什么？3．通信系統(tǒng)仿真的定義是什么？4．通信系統(tǒng)仿真的一般流程是什么？5．通信系統(tǒng)仿真中的信道模型是什么？解釋不同類型的信道模型如何影響仿真結果。6．仿真結果的準確性對于通信系統(tǒng)仿真非常重要。列舉至少三個因素，這些因素可能會影響仿真結果的準確性。7．在通信系統(tǒng)仿真中，如何表示數(shù)字信號？解釋一下模擬信號與數(shù)字信號之間的區(qū)別。8．什么是調制？為什么在數(shù)字通信系統(tǒng)中需要進行調制？請簡要描述調制的基本原理和分類。9．什么是信道編碼？為什么在數(shù)字通信系統(tǒng)中需要進行信道編碼？請簡要描述最常見的信道編碼方案和它們的特點。10．什么是信道容量？它與什么因素有關？請簡要描述如何計算信道容量及如何提高信道容量。THANKSMWORKS科學計算與系統(tǒng)建模仿真基礎MWORKS.Sysplorer建模與仿真03目錄CONTENTSMWORKS概述0102科學計算與Julia語言MWORKS概述01MWORKS產品家族MWORKS是由一個基于科學計算與統(tǒng)一數(shù)學表達的智能設計與仿真驗證平臺，提供完整的系統(tǒng)研制產品體系。MWORKS將虛擬仿真、數(shù)據可視化和建模集中在一個自主可控的環(huán)境中，內置強大完備的模型庫與工具箱，支持理論、實驗、仿真、數(shù)據四種范式，目前已經過大量工程驗證，可為裝備數(shù)字化工程與裝備元宇宙建設提供全生命周期支持。MWORKS產品家族包括三大核心軟件及一系列擴展工具箱，MWORKS是整個仿真建模與科學計算體系的底座，它為體系中其他工具的工業(yè)軟件提供了集成環(huán)境。MWORKS.Syslab、MWORKS.Syslink和MWORKS.Sysplorer稱為MWORKS三大軟件。MWORKS產品家族MWORKS.Syslab是一個科學計算軟件，是MWORKS平臺基于高性能計算語言Julia構造的一個支持高效的科學與工程計算的環(huán)境，為高級程序設計交互式編程提供了功能完備的環(huán)境，內置科學計算函數(shù)庫，可應用在機器學習、數(shù)據分析、算法設計等多個領域，并實現(xiàn)數(shù)據可視化。MWORKS.Syslink是一個系統(tǒng)設計協(xié)同與模型管理軟件，在系統(tǒng)研制過程中提供協(xié)同建模，支持模型的云端仿真、模型管理、Web模型可視化等多種產品功能，為基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）環(huán)境中的數(shù)據模型及相關工件提供協(xié)同管理解決方案。MWORKS.Sysplorer是一個系統(tǒng)建模仿真驗證軟件，基于多領域統(tǒng)一建模規(guī)范Modelica，全面支持各種數(shù)學函數(shù)及矩陣計算模型，為系統(tǒng)建模、編譯分析、求解計算提供了有效的技術支撐。支持基于物理拓撲結構的系統(tǒng)模型集成與驗證，在減少產品設計的缺陷、驗證產品設計的方案、優(yōu)化產品性能和提高系統(tǒng)設計的復用度等方面具有重要價值。MWORKS產品家族在MWORKS三大軟件的基礎上，同元軟控為用戶提供了包含豐富資源的擴展工具箱MWORKS.Toolbox，目前，MWORKS產品的工具箱已涵蓋模型優(yōu)化與標定、實驗設計、故障仿真、頻率估算、功能模型接口（FunctionalMock-upInterface，F(xiàn)MI）、分布式聯(lián)合仿真與KineTrans等多個專業(yè)領域，豐富實用的功能可滿足多樣化的工業(yè)軟件開發(fā)需求。MWORKS.Library模型庫是同元軟控經過大量工程驗證推出的一個設計、仿真一體化模型庫，目前已覆蓋液壓、控制、動力學、電氣多個專業(yè)領域，應用在航空航天、能源動力、車輛機械等多個行業(yè)，支持系統(tǒng)、子系統(tǒng)、單機多個模式的工業(yè)軟件設計仿真驗證。MWORKS的發(fā)展及特點1998年，同元軟控團隊早期在華中科技大學CAD國家工程中心開展工作，創(chuàng)始人陳立平教授從事CAD約束求解引擎開發(fā)，團隊自1998年起開始研究多體動力學，模仿國外軟件進行機械專業(yè)建模仿真軟件的設計，并仿照ADAMS和RecurDyn開發(fā)了原型。2001年，同元軟控團隊了解到Modelica多領域統(tǒng)一建模，該技術誕生于1997年，基于其開放性和規(guī)范性的特點，該技術被應用在機械、電子、控制、液壓等多個領域。2004年，團隊進一步進行原型系統(tǒng)的開發(fā)，包括Modelica編譯器、求解器、代碼生成器、數(shù)據可視化建模工具的原型，在Modelica多領域統(tǒng)一規(guī)模關鍵技術研究的基礎上，花了兩年時間進行了原型的研究。2006年，初步的建模仿真原型被推出，團隊走向專業(yè)化，開始了正式產品的研發(fā)。2009年，同元軟控推出系統(tǒng)仿真軟件MWORKS，支持Modelica多體模型庫，行業(yè)應用之路正式開啟。目前，MWORKS在系統(tǒng)仿真設計、協(xié)同建模與模型管理方面已實現(xiàn)對一系列工業(yè)軟件的替代和超越，為多個國家級大型工程提供了技術支持與服務保障?？茖W計算與Julia語言02變量與常量在Julia語言中，變量相當于一個標識符與值的綁定（如x=1）。變量的命名規(guī)則如下：（1）區(qū)分大小寫字母；（2）不能將數(shù)字作為變量名的首字符，變量名中不能包含空格符、換行符、制表符；（3）可以使用數(shù)學符號作為變量名；（4）不能使用Julia中的單詞關鍵字作為變量名。函數(shù)的命名規(guī)則與變量的命名規(guī)則一致，用戶在自定義函數(shù)時也應避免其與Julia語言中的內置函數(shù)重名。變量與常量表Julia中的單詞關鍵字類型示例程序定義abstract、primitive、type、struct、function、macro、new權限聲明global、local、mutable、const、outer定義模塊module、baremodule、using、import、export控制流程where、for、while、break、continue、if、elseif、else、in、return代碼塊定義begin、quote、let、end、do錯誤處理catch、finally、try表示值false、true變量與常量在Julia語言中，通常使用const來定義常量（如constx,y=1,2）。根據Julia語言的語法規(guī)則，在全局定義中，應使用常量，在局部定義中，應使用變量。Julia語言中的常量分為多種類型。Julia語言中的常量類型類型示例整型1，2，-1，-2浮點型0．1，0.2，-0.1，-0.2有理數(shù)型1/3，-1/3字符型“a”，“b”，“c”字符串型“hello”，“world”復數(shù)型1+2im，1-2im，-1+2im八進制數(shù)型0o11，0o19十六進制數(shù)型0xaa，-0x33矩陣運算矩陣運算是MWORKS.Syslab中最重要的計算，因為MWORKS.Syslab在進行科學計算時，大部分的計算都建立在矩陣的基礎上。MWORKS.Syslab提供了多種矩陣運算類型，包含矩陣的算術運算、關系運算與邏輯運算。矩陣的算術運算遵循的規(guī)則與普通算術運算相同，包括運算符的優(yōu)先順序，但其乘除運算與普通運算存在差異。MWORKS.Syslab除提供了運算符實現(xiàn)運算外，還提供了一些矩陣運算相關函數(shù)以供用戶使用。在對矩陣元素群進行運算時與將矩陣作為整體進行運算時在符號上有區(qū)別，需在運算符號前加“.”表示運算為矩陣元素群運算。針對矩陣元素群，MWORKS.Syslab提供了幾乎所有的初等函數(shù)，這些函數(shù)分別作用于矩陣的每個元素。程序流程控制1.順序結構順序結構是程序設計中最基礎的結構，按照解決問題的順序依次編寫相應的語句即可，符合一般的邏輯思維習慣，執(zhí)行順序為自上而下，是任何一個算法都離不開的基本結構?！纠?-5】使用MWORKS.Syslab順序結構，計算兩數(shù)之和與乘積。julia>a=1;b=2;s=a+b;p=a*b;julia>s3julia>p2程序流程控制2．選擇結構選擇結構通?；谝粋€條件表達式的結果來確定程序的執(zhí)行路徑。條件表達式通常是一個邏輯表達式，其結果為真（true）或假（false）。根據條件表達式的結果，選擇結構可以決定執(zhí)行哪個代碼塊。在選擇結構中，常用的控制語句是條件語句（ConditionalStatement），其中最常見的是if語句。if語句根據條件表達式的結果選擇性地執(zhí)行特定的代碼塊。if語句通常具有以下形式：

if條件表達式:

#如果條件為真，執(zhí)行這里的代碼塊

else:

#如果條件為假，執(zhí)行這里的代碼塊程序流程控制2．選擇結構【例2-6】編寫一個程序，接收一個整數(shù)作為輸入，判斷該整數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)，并輸出相應的提示信息。num=parse(Int64,readline())ifnum%2==0println("$num是偶數(shù)。")elseprintln("$num是奇數(shù)。")endjulia>22是偶數(shù)julia>55是奇數(shù)程序流程控制3．循環(huán)結構循環(huán)結構有三個特點：重復性、判斷性、函數(shù)性。在一個循環(huán)結構中，總有一個步驟要重復執(zhí)行若干次，而且每次的操作完全相同。每個循環(huán)結構都包含一個終止條件，循環(huán)變量在函數(shù)執(zhí)行中也起著至關重要的作用。在Julia中主要提供兩種循環(huán)方式：while循環(huán)和for循環(huán)。程序流程控制3．循環(huán)結構循環(huán)結構有三個特點：重復性、判斷性、函數(shù)性。在一個循環(huán)結構中，總有一個步驟要重復執(zhí)行若干次，而且每次的操作完全相同。每個循環(huán)結構都包含一個終止條件，循環(huán)變量在函數(shù)執(zhí)行中也起著至關重要的作用。在Julia中主要提供兩種循環(huán)方式：while循環(huán)和for循環(huán)。程序流程控制3．循環(huán)結構while語句一般格式如下：while條件表達式#循環(huán)體end 當條件表達式的值為真時，執(zhí)行循環(huán)體；當條件表達式的值為假時，終止該循環(huán)。【例2-7】利用while循環(huán)計算1～50的和。julia>sum=0i=1whilei<=50sum+=ii+=1endjulia>print(sum)1275程序流程控制3．循環(huán)結構for語句一般格式如下：for迭代變量=可迭代數(shù)集（便利操作符“=”、“in”、“∈”等價，任選其一，可帶的內容包括集合、數(shù)組、列表等）#循環(huán)體end其中，迭代變量是用于迭代訪問可迭代數(shù)集中的元素的變量，可迭代數(shù)集可以是集合、數(shù)組、列表或其他可迭代的數(shù)據結構。在每次迭代時，循環(huán)體代碼塊會被執(zhí)行一次。在循環(huán)體中，你可以執(zhí)行任意的操作，包括條件判斷、計算、打印輸出等。循環(huán)體執(zhí)行完畢后，程序將返回到循環(huán)的開頭，繼續(xù)下一次迭代，直到遍歷完所有的元素。當所有元素都被迭代完畢后，程序將跳出循環(huán)，繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)后的代碼。程序流程控制3．循環(huán)結構【例2-8】利用for循環(huán)計算1～50的和。julia>sum=0fori=1:50sum+=iendjulia>print(sum)1275程序流程控制3．循環(huán)結構在進行運算時，與循環(huán)結構一起使用的還有break語句和continue語句。break語句表示強制退出循環(huán)，在多層循環(huán)嵌套時，只退出當前所在的那層循環(huán)，continue語句表示讓循環(huán)跳過當前迭代，強制進入下一層循環(huán)的迭代，在多層循環(huán)嵌套時只影響所在層，不影響內層或外層的循環(huán)結構。break語句與continue語句在for循環(huán)和while循環(huán)中的使用方式相同?！纠?-10】編寫程序，求在50～100之間第一個能被9整除的整數(shù)。julia>fori=50:100ifi%9==0print(i)break;endend54腳本文件腳本文件類似于DOS操作系統(tǒng)中的批處理文件，它可以將不同的命令組合起來，并按確定的順序自動連續(xù)地執(zhí)行，用戶可通過文本編輯器創(chuàng)建腳本文件，運行腳本文件后，所產生的變量都保存在MWORKS.Syslab工作空間中。

編寫腳本文件，實現(xiàn)圖像繪制圖形繪制數(shù)據可視化是MWORKS.Syslab中Julia語言的基礎語法，使用繪圖可以實現(xiàn)數(shù)據的可視化。例如，可在MWORKS.Syslab中創(chuàng)建腳本文件，使用圖形、圖像函數(shù)以編程的方式顯示數(shù)據的分布；又如，可以通過比較多組數(shù)據，跟蹤數(shù)據隨時間發(fā)生的變化更改或顯示數(shù)據。表2-8列出了MWORKS.Syslab中的圖形繪制函數(shù)。

表2-8MWORKS.Syslab中的圖形繪制函數(shù)函數(shù)描述plot繪制二維線圖stairs繪制階梯圖errorbar繪制含誤差條的線圖area填充區(qū)二維繪圖loglog繪制雙對數(shù)刻度圖semilogx繪制半對數(shù)圖（x軸有對數(shù)刻度）semiology繪制半對數(shù)圖（y軸有對數(shù)刻度）fplot繪制表達式或函數(shù)fimplicit繪制隱函數(shù)histogram2繪制二元直方圖meshgrid2繪制二維網格boxchart繪制箱線圖scatter繪制散點圖spy繪制可視化矩陣的稀疏模式plotmatrix繪制散點圖矩陣pie繪制餅圖heatmap繪制熱圖sortx對熱圖行中的元素進行排序sorty對熱圖列中的元素進行排序wordcloud使用文本數(shù)據繪制文字云圖bar繪制條形圖barh繪制水平條形圖pareto繪制帕累托圖stem繪制針狀圖polarlpot在極坐標中繪制線條polarscatter繪制極坐標中的散點圖polarhistogram繪制極坐標中的直方圖ezpolar易用的極坐標繪圖函數(shù)contour繪制矩陣的等高線圖contourf填充的二維等高線圖fcontour繪制等高線圖形繪制1．二維圖形繪制1）基本繪圖函數(shù)在MWOERKS.Syslab中，最常用的繪圖函數(shù)為plot，plot函數(shù)用于繪制二維線圖。、【例2-12】繪制三條余弦曲線，每條曲線之間存在較小的相移。第一條余弦曲線使用藍色虛線，帶圓形標記。第二條余弦曲線使用綠色實線，不帶標記。第三條余弦曲線使用黃色星號標記。x=0:pi/10:2*piy1=cos.(x)y2=cos.(x.-0.25)y3=cos.(x.-0.5)figure()plot(x,y1,"b--o",x,y2,"g",x,y3,"y*")運行程序，結果如圖所示。圖形繪制1．二維圖形繪制2）特殊圖形繪制在MWORKS.Syslab中，使用繪圖函數(shù)可以繪制一些特殊的圖形，如直方圖、散點圖、餅圖等。（1）直方圖：基于分類為25個等距bin（直方圖柱狀條）的200個隨機數(shù)繪制二元直方圖，代碼如下：x=randn(200,1)y=randn(200,1)nbins=25h=histogram2(x,y,nbins)（2）散點圖：繪制散點圖，其中x為0～2之間的100個等距值，y為帶隨機干擾的余弦值，代碼如下：x=LinRange(0,2*pi,100)y=cos.(x)+randn(100)scatter(x,y)

圖形繪制2）特殊圖形繪制（3）繪制餅圖并指定格式表達式，以使每個標簽顯示小數(shù)點后三位數(shù)，標簽中要包含百分號，請在表達式末尾指定"%%"，代碼如下：X=[1/3,2/3]pie(X,autopct="%.3f%%")（4）階梯圖：基于在0～2之間的20個均勻分布的值，繪制正弦階梯圖，代碼如下：X=LinRange(0,2*pi,20);Y=cos.(X);figure()stairs(Y)

（5）條形圖：繪制四個條形組，每組包含三個條形，代碼如下：y=[135;246;468;579]bar(y)（6）針狀圖：創(chuàng)建一個包含?2π和2π之間的100個數(shù)值的針狀圖，代碼如下：Y=LinRange(-2*pi,2*pi,100);stem(Y)

圖形繪制1．二維圖形繪制3）圖形修飾MWORKS.Syslab提供了多種圖形修飾函數(shù)，可用于標注坐標軸、給圖形添加圖例等，圖形修飾函數(shù)如表2-11所示。

表2-11圖形修飾函數(shù)函數(shù)說明xlabel(‘string’)為x軸添加標簽ylabel(‘string’)為y軸添加標簽title(‘string’)添加標題legend(‘string’)給圖形添加圖例gtext(‘string’)使用鼠標將文本添加到圖窗Axis([Xmin,Xmax,Ymin,Ymax])設置坐標軸范圍和縱橫比圖形繪制2．三維圖形繪制1）三維曲線繪制在MWORKS.Syslab提供的三維繪圖函數(shù)中，plot3函數(shù)的語法與二維繪制函數(shù)中的plot類似?！纠?-13】將t定義為由介于0和10π之間的值組成的向量，將st和ct定義為t的正弦值和余弦值向量，繪制st、ct和t。t=0:pi/50:10*pi;st=sin.(t);ct=cos.(t);l=plot3(st,ct,t);運行程序，結果如圖所示。

圖形繪制2．三維圖形繪制2）三維曲面繪制在MWORKS.Syslab的三維曲面繪制中，存在兩個自變量X、Y和一個因變量Z，繪制三維曲面即為在X-Y平面上建立網絡坐標，每個網絡坐標點與它對應的Z坐標所確定的一組三維數(shù)據就定義了曲面上的一個點?！纠?-14】在X-Y平面上建立坐標網絡，繪制一個基于X和Y的三維曲面，其中曲面的高度由sin(X)和cos(Y)的和給出。X,Y=meshgrid2(1:0.5:5,1:10)Z=sin.(X)+cos.(Y)figure()ax=subplot(projection="3d")surf(ax,X,Y,Z)運行程序，結果如圖所示。

圖形繪制2）三維曲面繪制【例2-15】三維特殊圖形繪制。創(chuàng)建一個由峰值組成的維度為20×20的矩陣并顯示該三維曲面。figure()X,Y,Z=peaks(10)surf(X,Y,Z)title("Peaks")運行程序，結果如圖所示?！纠?-16】在X-Y平面上建立坐標網絡，繪制一個基于X和Y的三維網絡曲面圖，其中高度用Z來表示。X,Y=meshgrid2(-8:0.5:8,-8:0.5:8)R=sqrt.(X.^2.+Y.^2).+eps()Z=sin.(R)./Rm=mesh(X,Y,Z)運行程序，結果如圖所示。

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