通信系統(tǒng)的計算機模擬第二講.ppt

1、1,通信系統(tǒng)的計算機模擬,第二講,2,上一講回顧,作業(yè)要求 仿真的概念 為什么要仿真 通信系統(tǒng)仿真示例 仿真的模型和分類 仿真的作用 一、鏈路預(yù)算與系統(tǒng)級標(biāo)校過程 二、關(guān)鍵元件的實現(xiàn)與測試,3,一、鏈路預(yù)算與系統(tǒng)級標(biāo)校過程,設(shè)計需求：吞吐率、差錯率、中斷概率以及對帶寬、功率、重量、復(fù)雜度/成本、系統(tǒng)預(yù)期工作的信道和系統(tǒng)生命周期等的約束。 目標(biāo)是確定系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)值，以便同時滿足性能目標(biāo)和設(shè)計約束。,4,二、關(guān)鍵元件的實現(xiàn)與測試,仿真將關(guān)鍵的元件的測量特性代入該元件的仿真模型,5,三、完成硬件原型與驗證仿真模型,整個系統(tǒng)的硬件原型以及與之對應(yīng)的仿真模型 仿真模型包括仿真中大部分元件的測量特征

2、 硬件原型上測出整個系統(tǒng)的許多性能指標(biāo)，還要進行并行仿真 完整原型一個經(jīng)驗證的仿真模型預(yù)測生命終結(jié)。,6,四、生命周期測試,通信衛(wèi)星、海底電纜 生命周期測試（Beginning of Life, BOL）將元件老化模型代入驗證過的BOL模型，就得到系統(tǒng)BOL性能指標(biāo)。,7,8,仿真方法,時間驅(qū)動（單速度、多速率或可變速率采樣）：該增量等于采樣頻率的倒數(shù)，每個模型能根據(jù)新仿真時鐘的值來更新模型狀態(tài)“do循環(huán)”“for循環(huán)”。 事件驅(qū)動：事件驅(qū)動的仿真可把時鐘往前撥任意時間長度，到為下一個關(guān)心的事件所安排的時間，系統(tǒng)中每個功能模塊根據(jù)新仿真時間的值更新模型狀態(tài)。需要內(nèi)插和重采樣，并帶來一些跟時間安

3、排相關(guān)的額外開銷。 混合驅(qū)動。對通信系統(tǒng)仿真而言，最常用的還是帶單速率或多速率采樣的時間驅(qū)動仿真。如果信號帶寬具有很寬的可變范圍，這種系統(tǒng)的仿真就要用多速率采樣。,9,軟件,SYSTEM VIEW MATLAB SIMULINK C，C+ 其他領(lǐng)域: Flexsim,10,課程報告(續(xù))-建議題目（不限于）, 信道均衡技術(shù)仿真； 多載波調(diào)制與OFDM.仿真 無線接入技術(shù)仿真 多用戶無線信道仿真. 多業(yè)務(wù)通信系統(tǒng)仿真. WCDMA、TDS-CDMA、CDMA2000或者Wimax仿真. 自適應(yīng)調(diào)制仿真. MIMO 系統(tǒng)仿真 擴頻系統(tǒng)仿真,11,cont, 智能天線仿真 空時處理仿真 資源分配管理

4、仿真 通信干擾抑制仿真 多用戶檢測仿真 協(xié)作通信仿真 軟件無線電或者認(rèn)知無線電仿真 衛(wèi)星通信仿真 GPS仿真 GSM部分仿真 UWB仿真 深空通信仿真,12,第二章 仿真方法論,2.1 概述 性能評估-art 定量建模與估計 science (科學(xué)-技術(shù)-工程-技藝） 步驟： 將給定問題映射為仿真模型。 把整個問題分解為一組小一些的問題。 選擇一套合適的建模、仿真和估計方法，并將其用于解決這些子問題。 綜合各子問題的解決結(jié)果以提供對整個問題的解決方案。,13,基本手段,為解決小一些的子問題（上面第三點）所用到的具體方法是定義明確的、嚴(yán)格的，并且在本質(zhì)上是算法可實現(xiàn)或可量化的。 有限沖激響應(yīng)線性

5、濾波器，仿真方法就是定義明確的卷積和 通信系統(tǒng)的基本目的是處理波形和符號 通過產(chǎn)生和處理這些波形的采樣值 通信系統(tǒng)仿真試圖模擬這個過程，建立通信系統(tǒng)中不同功能“模塊”所實現(xiàn)的信號處理運算的模型，以及產(chǎn)生通信系統(tǒng)不同工作點所需的輸入波形。 分析波形以優(yōu)化設(shè)計參數(shù)或獲得性能指標(biāo),14,問題示例,移動通信系統(tǒng) 時變 衰落 中斷 通信系統(tǒng)波形級仿真的整體方法,15,Step1,系統(tǒng)方框圖的描述開始 每一功能模塊的合適的仿真模型，并通過互聯(lián)這組所選模塊（即它們的模型）來產(chǎn)生方框圖。 在執(zhí)行仿真前，我們?yōu)槊恳荒K的參數(shù)（如濾波器的帶寬）指定具體值或取值范圍盡可能對方框圖進行簡化和劃分。 方法論中最難的步驟

6、之一是將設(shè)計和/或性能估計問題映射為仿真模型，實現(xiàn)的好壞決定了運行仿真所需的機時和仿真結(jié)果的精度。,16,Step2,產(chǎn)生所有輸入波形或激勵信號的采樣值，來驅(qū)動仿真模型。 隨機過程的采樣值是用隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的 仿真期間，隨機數(shù)發(fā)生器的輸出被用作合適的模塊的輸入，以“驅(qū)動”仿真模型，并在各種功能模塊的輸出端產(chǎn)生采樣值。,17,Step 3,用分析近似和界限或測量結(jié)果來驗證仿真結(jié)果 為了檢驗所用的模型和方法并確立仿真結(jié)果的可信性,用一些測量結(jié)果來進行驗證還是必需的。,18,方法論,由于實際的通信系統(tǒng)通常太過復(fù)雜，無法對其整體進行準(zhǔn)確的建模和仿真 有多種方法可用來降低整個仿真問題的復(fù)雜度，使其占用

7、的計算資源、所需的時間以及期望的精度都保持在一定范圍之內(nèi) 方法論。,19,方法論,將問題映射到仿真模型 以移動通信系統(tǒng)中的兩個問題為例 均衡器設(shè)計：決定抽頭數(shù)，抽頭間隔，和用于接收機均衡器中進行算術(shù)運算所需的比特數(shù)。 系統(tǒng)性能評估：決定維持可接受性能級別所需的 第一個問題：詳細設(shè)計 第二個問題：性能評估 不同:建立系統(tǒng)哪一部分的模型、包含哪些細節(jié)、用什么建模方法、仿真方法、估計方法,20,方法論,系統(tǒng)要仿真部分的詳細方框圖 最終的仿真模型可通過簡化初始方框圖而產(chǎn)生 遞階表示 劃分與條件化 簡化（近似，假設(shè)和各種簡化）,21,遞階表示,遞階是在建模、軟件設(shè)計和其他應(yīng)用中降低復(fù)雜度的常用方法，開始

8、于一個“系統(tǒng)”級模型并向下發(fā)展其他不同層，子系統(tǒng)層，元件層，物理（門級或電路）層 遞階中越底層的構(gòu)建模塊包含越多的細節(jié)，而越高層的模塊則越抽象并負(fù)責(zé)模塊的整體功能，直到更進一步有意義的分解變得不可能或沒必要時,22,例,23,24,選擇抽象程度,與仿真的目的一致的情況下，人們應(yīng)該用盡可能高的抽象程度來進行仿真 降低復(fù)雜度和所需的仿真時間，越高級模型將具有越少的參數(shù)且越易于驗證，越少的參數(shù)意味著模型能用越少的指標(biāo)來刻畫 巴特沃思濾波器的電路級模型包含12個或更多的元件值 相同的巴特沃思濾波器的高層傳遞函數(shù)只有2個參數(shù)：濾波器階數(shù)和濾波器帶寬,25,抽象表達,在系統(tǒng)級，仿真以最高抽象程度完成，使用

9、諸如傳遞函數(shù)的“特性”模型而不是物理的模型。 一個數(shù)字濾波器可以在比特級仿真，一個模擬濾波器可以在電路級仿真，較高級模型都是傳遞函數(shù)形式的，可由比特級或電路級仿真導(dǎo)出。 在設(shè)計周期的前期，濾波器傳遞函數(shù)已被假設(shè)或“指定”， 而傳遞函數(shù)的實際特性將在濾波器設(shè)計和仿真后得到。 在設(shè)計周期的后期，測量且測得的傳遞函數(shù)能用于較高級的仿真，但外部接口和參數(shù)相同。 和建模過程一樣，通信系統(tǒng)的實際設(shè)計也是自項下經(jīng)過不同層，規(guī)格向下經(jīng)過遞階的各層，而特性（在較低層測量或仿真的）自底向上經(jīng)過遞階中的各層，有時可能要用不同的仿真來進行更詳細的仿真“聯(lián)合仿真”。,26,劃分與條件化,將一個復(fù)雜問題劃分為一組相互關(guān)照

10、但獨立的問題 遞階處理的是不同級的抽象 劃分通常處理同級的抽象， 問題中可單獨仿真的并且結(jié)果可聯(lián)合的不同方面 條件化是與劃分非常相似的另一種方法：我們只是固定整理系統(tǒng)某部分的條件或狀態(tài)，并在條件變量或狀態(tài)的不同取值下仿真系統(tǒng)的其余部分 系統(tǒng)的受條件化部分單獨仿真，然后從第一部分得到的結(jié)果將根據(jù)第二部分獲得的條件變量的分布來作平均。,27,條件化例子,估計具有非理想同步（時鐘和載波恢復(fù)）系統(tǒng)的差錯率 先在不同的時鐘和載波相應(yīng)差錯值條件下，估計系統(tǒng)中差錯的條件概率； 然后仿真同步系統(tǒng)以獲得定時差錯的分布； 我們根據(jù)定時差錯和相位差錯的分布作平均,（2-1）,28,條件化例子,按照條件期望值，就有,

11、出現(xiàn)定時差錯和相位差錯的情況下確定誤比特率（BER）的例子，運用這個原理得,29,簡化與近似,第一步，在初始方框圖模型中包括盡可能多的細節(jié) 降低整個模型和子系統(tǒng)模型的復(fù)雜度 這些方法包括忽略對所研究的問題沒什么大影響的模塊 使用近似方法和聯(lián)合模型的簡化方法 例：系統(tǒng)級性能評估問題，是緩慢時變的，且系統(tǒng)運行在高信器噪比（S/N） ，可合理地預(yù)計同步差錯很小，因而在性能估計時同步的影響可以忽略不計。 并可將其從方框圖中刪去 近似和假設(shè)廣泛用于簡化仿真模型。最常使用的假設(shè)和近似包括時不變（穩(wěn)態(tài)）性質(zhì)和線性化。 當(dāng)觀察時間足夠長且輸入信號動態(tài)范圍足夠在時，大多數(shù)實際的系統(tǒng)可能表現(xiàn)出時變和非線性，但在短

12、時間段和低信號電平的情況下，它們?nèi)匀豢梢杂删€性時不變模型很好地近似。 系統(tǒng)參數(shù)是緩變的，在仿真區(qū)間內(nèi)是固定不變的?！?準(zhǔn)靜態(tài)的”帶寬差別明顯的過程的形象，線性近似用于非線性元件。 許多線性系統(tǒng)的原理來簡化方框圖。 對中間波形興趣不大，其作用也很小。,30,單個模塊的建模,仿真模型應(yīng)接受一列按時間先后次序排列的輸入波形的采樣，并依某個明確定義的傳輸特性產(chǎn)生一組按時間先后次序排列的輸出采樣。 子系統(tǒng)或元件（模塊）的仿真模型是具有如下形式的一個變換：,31,單個模塊的建模低通等效表示,低通復(fù)等效表示所有信號和系統(tǒng)部件在計算上有優(yōu)勢 低通等效：把帶通頻譜從載波頻率移到f0；模塊的線性模型可由輸入、輸出

13、信號的低通等效表示和信號換來實現(xiàn)。 確定性信號的低通等效是通過對其傅里葉變換變換獲 功率譜密度是用地隨機信號的 如果帶通頻譜在載波的兩邊不對稱，低通等效表示在時域中取復(fù)數(shù)值。,32,單個模塊的建模采樣,通等效表示時，它們可以用相同時間間隔的采樣點來采樣和表示。 要求的最小采樣率是理想低通信號（或系統(tǒng)）帶寬的兩倍。 頻率函數(shù)不一定限制在有限帶寬，這時采樣率通常取某一些帶寬度量（如3dB帶寬）的8至16倍。 在數(shù)字系統(tǒng)中，采樣率通常設(shè)符號率的8至16倍。 增加采樣率將計算量,33,單個模塊的建模線性與線性模型,非線性： 判決反饋均衡器運算、同步子系統(tǒng)中的非線性運算及對脈沖噪聲有意的限制等 功率放大

14、器在接近其最大運行率時表現(xiàn)出來的線性特性。 近似大多數(shù)非線性特性可以建模為對通信信號具有線性影響， 有必要在系統(tǒng)中包含非線性仿真模型（QAM） 。 有多種系統(tǒng)方法能對具有非線性系統(tǒng)建立模型 無記憶功率序列非線性模型 帶記憶的頻率選擇性非線性模型 非線性微分子方程。 非線性模型分為兩大類：輸入-輸出塊模型和非線性微分方程。 非線性特會產(chǎn)生帶寬擴展，將采樣率設(shè)置得足夠高以把握帶寬擴展帶來的影響。,34,單個模塊的建模時不變性,是否要采用時變模型取決于許多因素 系統(tǒng)的時不就部分的帶寬相比其變化速率可能非常緩慢 某個長期平均的特性而不是動態(tài)特性。 時變特性進行仿真： 運行于快衰落信道下突發(fā)模式的通信系

15、統(tǒng)中，同步子系統(tǒng)時間的捕捉和跟蹤特性。 仿真模型是帶時變抽頭增益的抽頭延時線，抽頭增益常建模為濾波隨機過程。 時變性的影響 譜擴散，從而要求更高的采樣率。 時變模塊的次序不能改變。,35,單個模塊的建模記憶性,頻率選擇性特性和記憶性是同義的 取決于瞬時輸入和以前輸入,36,單個模塊的建模時域和頻域仿真,一個功能模塊或系統(tǒng)元件的輸入-輸出關(guān)系可以在時域頻域中進行建模和仿真 取決于最初規(guī)格說明 時域采樣來表示輸入和輸出。 頻域模型（如用快速傅里葉變換仿真的濾波器）需要時域輸入采樣的內(nèi)部緩存器，要對存于器中的輸入向量作變換，然后進行頻域處理傅里葉反變換及輸出端緩存,37,單個模塊的建模塊處理,模型可

16、以實現(xiàn)為每次調(diào)用只接受和處理單個時域采樣或一個N個時域采樣組成的塊 當(dāng)調(diào)用開銷很大時，采用塊或向量處理的方法在計算會更為有效，其中模型調(diào)用的輸入向量的大小為N。 所以塊運算會引入一個N*Ts 秒的時延。 由于大的處理時延，在反饋環(huán)中包含塊輸入-輸出模型會產(chǎn)生錯誤的結(jié)果 非線性模型交織在一起，則對于非線性元件回復(fù)到逐個采樣的處理是有必要的， 塊處理考慮調(diào)度（大小不同的塊）,38,單個模塊的建模變步長處理,如果一個系統(tǒng)模型中包含的過程和現(xiàn)象的帶寬特別巨大，那么在仿真中就要采用多速率采樣。 多速率采樣以與對應(yīng)帶寬相一致的速率來采樣和處理每個信號，而這會顯著提高計算效率。 變步長處理也常用于改善計算效

17、率。 數(shù)值積分子程序，來求解線性和非線性微分方程。 變步長統(tǒng)一步長（緩存、轉(zhuǎn)換）,39,單個模塊的建模參數(shù)確定,仿真的一個主要應(yīng)用是設(shè)計優(yōu)化 歸結(jié)為找到一些重要參數(shù)的量優(yōu)值， 接收器濾波器帶寬 放大器工作點 用于接收器的量化級數(shù)的最優(yōu)值等 模型必須確定合適的參數(shù)并且使得關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)在外部可見“外部旋鈕”可用于在仿真過程中復(fù)調(diào)整設(shè)計參數(shù)。 給定模型的參數(shù)個數(shù)。參數(shù)越少，參數(shù)值的測量和驗證就變得越簡單。,40,單個模塊的建模與其他模塊的接口,仿真框架和/或用戶必須確保一致性和兼容性 明確定義、文檔齊全的接口 不一致的根源：不同的處理域、信號類型、塊大小、步長、多速率采樣、不同塊中不一致的參數(shù),4

18、1,隨機過程建模與仿真,假設(shè)已經(jīng)獲得一個具有最高抽象程度和最少復(fù)雜的系統(tǒng)模型 建模和產(chǎn)生驅(qū)動仿真模型的輸入波形（信號、噪聲及干擾） 波形級仿真的基本目標(biāo)是模擬系統(tǒng)中的波形及計算波形保真度的一些指標(biāo) 波形或激勵的建模和仿真是很重要的 信號、噪聲、干擾 隨機過程 平穩(wěn)性假設(shè),42,平穩(wěn)隨機過程的表達,平穩(wěn)隨機過程由多維概率分布來表征 但多維概率分布難以給出，不容易產(chǎn)生具有任意n維分布的平穩(wěn)過程的采樣值。 平穩(wěn)高斯過程是個著名例外，它完全由二階分布定義（均值自相關(guān)函數(shù)） 用于驅(qū)動仿真的隨機過程的采樣值是用隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機數(shù)列,43,隨機過程建模與仿真高斯近似,簡化了激勵的產(chǎn)生。 高斯近似，大量噪聲疊加與高斯隨機數(shù)發(fā)生器的輸出完全相同。,44,隨機過程建模與仿真等效過程表示,隨機過程X（t），經(jīng)過n個模塊輸出Y(t) 簡單地插入一個表示Y（t）采樣值的序列，從而無須產(chǎn)生和處理X（t）通過n個塊的的采樣值 X（t）高斯，模塊線性Y(t)分析得到 Or 仿真得到，并用于等效過程表示,45,隨機過程建模與仿真慢過程和快過程,許多帶寬或“時間常數(shù)”差別很大的隨機現(xiàn)象。 一個隨機過程的的帶寬與另一個相差很大，差幾個數(shù)量級，分開仿真 多速率采樣，,46,性能估計仿真,仿真的主要目標(biāo)之一就是性能估計 模擬通信系統(tǒng)，輸出信噪比（s/N） 對于數(shù)字通信系統(tǒng)誤比特率（BER）或