通信系统仿真_第1章_绪论2013

第（1）页通信系统建模与仿真Modeling&SimulationofCommunicationSystems何忠秋[e-mail]第（2）页参考教材(一)•PrinciplesofCommunicationSystemsSimulationwithWirelessApplications–（美）WilliamH.Tranteretc,PrenticeHallPTR，机械工业出版社•通信系统建模与仿真–韦岗,季飞,傅娟,电子工业出版社•通信系统仿真：建模、方法和技术–（美）JeruchimM.C.etc，国防工业出版社第（3）页参考教材(二)•详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真–刘学勇，电子工业出版社•Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析–邵玉斌,清华大学出版社•MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲–邵佳，电子工业出版社•Simulink动态系统建模与仿真李颖,西安电子科技大学出版社第（4）页考核•卷面成绩60分，60%•实验报告4个试验，40%•出勤重要参考，30%，Deleted•DeclaredRequirements,5%disqualified第（5）页第一章绪论第（6）页目录•1.1仿真的基本概念•1.2通信系统中的仿真•1.3仿真与建模方法论•1.4通信仿真软件包第（7）页1.1仿真的基本概念•仿真的定义–1961年G.W.Morgenthater:“仿真是指在实际系统尚不存在的情况下对于系统或活动本质的实现”。–1978年Korn:“用能代表所研究的系统的模型做实验”。–1982年Spriet:“所有支持模型建立与模型分析的活动即为仿真活动。”–1984年Oren:“仿真是一种基于模型的活动”.–结论：系统，模型与仿真是密切相关的。系统是研究的对象，模型是系统的抽象，仿真是通过模型的实验以达到研究系统的目的。第（8）页1.1仿真的基本概念系统，来源于古希腊语，是由部分构成整体的意思。•系统是诸元素及其顺常行为的给定集合•系统是有组织的和被组织化的全体•系统是有联系的物质和过程的集合•系统是多要素保持有机的秩序，向同一目行动的东西•系统定义为：由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体。在这个定义中包括了系统、要素、结构、功能四个概念，表明了要素与要素、要素与系统、系统与环境三方面的关系。第（9）页L.Von.BertalanffyL.V.贝塔朗菲（L.Von.Bertalanffy）,美籍奥地利人生物学家。1932年发表“抗体系统论”，提出了系统论的思想。1937年提出了一般系统论原理，奠定了这门科学的理论基础。1945年才公开发表《关于一般系统论》.1948年在美国再次讲授“一般系统论”时，学术界重视。1968年贝塔朗菲发表的专著：《一般系统理论基础、发展和应用》《GeneralSystemTheory;Foundations,Development,Applications》,该书是这门学科的代表作。1.1仿真的基本概念第（10）页1.1仿真的基本概念•系统的组成和分类–所谓系统是指相互联系又相互作用着的对象的有机组合。系统分成五个组份：实体(Entity)、属性（Attribute)、活动（Activity）、事件(Event)、状态变量（StateVariable）。–实体(Entity):系统,人们研究的客观对象–属性（Attribute):实体的特征–活动（Activity）:占用一定时间和资源导致系统状态发生改变的一定过程–事件(Event):描述在某时间点系统所有实体、属性和活动的变量的集合–状态变量（StateVariable):描述在某时间点系统所有实体、属性和活动的变量的集合,用于系统分析–事件(Event):一个事件定义为可能改变系统状态的即时发生连续系统、离散系统第（11）页1.1仿真的基本概念•模型的分类•系统模型，是对实际系统的一种抽象，是系统本质的表述，它具有与系统相似的数学描述或物理属性。系统模型的建立是系统仿真的一个重要步骤。•数学模型，就是用数学表达式来描述系统的内在规律,方便和经济，系统仿真中更多地使用数学模型;灵活性,在计算机上对系统的数学模型进行实验--计算机仿真。•物理模型,直观、形象，造价昂贵,耗时长，而且在物理模型上做实验，很难修改原有系统的结构，实验受到一定的限制。第（12）页1.1仿真的基本概念•数学模型的描述形式第（13）页1.1仿真的基本概念系统仿真的分类•计算机仿真–计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析和研究的方法。第（14）页1.1仿真的基本概念•物理仿真–按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验的过程.举例，中频接收机。–优点：直观、形象–缺点：模型改变困难，实验限制多，投资较大.•数学仿真–对实际系统进行抽象，并对其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型，再对数学模型进行实验的过程.–缺点：受限于系统建模技术.•半实物仿真–将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验第（15）页1.1仿真的基本概念•半实物仿真第（16）页典型案例：来源于清深研究院典型案例：来源于清深研究院哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学第（17）页典型案例：典型案例：哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学第（18）页•仿真技术的应用领域•军事领域–武器装备研制–军事训练•工业领域–电力工业–制造业–汽车行业1.1仿真的基本概念第（19）页1.1仿真的基本概念•其他应用领域–建筑/城市规划–交通–医学第（20）页1.1仿真的基本概念第（21）页玫瑰星云是一个巨大的天体，光从它的一侧到达另一侧需要130年1.1仿真的基本概念第（22）页1.1仿真的基本概念•通信系统仿真•通信系统设计中的计算机辅助技术–基于公式的方法：用于复杂公式的计算–基于仿真的方法：用计算机来仿真通过通信系统的信号和波形•通信系统仿真–是利用计算机对实际电子通信系统的物理模型或数学模型进行实验，通过这样的模型实验来对一个实际系统的性能和工作状态进行分析和研究。第（23）页1.2通信系统中的仿真•通信系统仿真的方法–公式计算法是建立在简化系统模型基础上，利用确切的公式计算出设计参数和系统性能之间的对应关系。在系统设计的初期非常有效，仅适用于理想化和过于简化的情况，很难准确评估复杂的通信系统性能。–硬件样机测试法制造出系统中部分重要的子模块，来确定通信系统总体性能。是一种精确、可靠的系统性能测试研究方法，但造价较高、研制周期长，不灵活。–波形仿真法第（24）页1.2通信系统中的仿真•波形仿真法•利用计算机来仿真经过系统的信息流–按要求建立各种形式、各种复杂程度的系统模型；–可以轻易的将数学的和经验的模型结合在一起–但数学计算量大,需要强大的计算机仿真平台。•在一个完整的系统设计中三种方法都会在不同的阶段用到第（25）页EX.14()(cos2)cos22,1000;0.55,10;amcmacytMmftAftMfmAf第（26）页•%ch2example1prg1.m•dt=1e-5;%仿真采样间隔•T=3*1e-3;%仿真终止时间•t=0:dt:T;•input=2*cos(2*pi*1000*t);%输入被调信号•carrier=5*cos(2*pi*1e4*t);%载波•output=(2+0.5*input).*carrier;%调制输出•%作图:观察输入信号,载波,以及调制输出•subplot(3,1,1);plot(t,input);xlabel('时间t');ylabel('被调信号');•subplot(3,1,2);plot(t,carrier);xlabel('时间t');ylabel('载波');•subplot(3,1,3);plot(t,output);xlabel('时间t');ylabel('调幅输出');第（27）页00.511.522.53x10-3-2-1012时间t被调信号00.511.522.53x10-3-505时间t载波00.511.522.53x10-3-20-1001020时间t调幅输出第（28）页•%ch2example1prg2.m•clear;%清空内存变量，以避免以往运行的结果影响本程序•dt=1e-5;%仿真采样间隔•T=3*1e-3;%仿真终止时间•t=0:dt:T;•fork=1:length(t)%基于时间流的仿真计算•input(k)=2*cos(2*pi*1000*t(k));%第k个仿真步进时的输入被调信号•carrier(k)=5*cos(2*pi*1e4*t(k));%第k个仿真步进时的载波•output(k)=(2+0.5*input(k)).*carrier(k);%第k个仿真步进时的调制输出•end•%作图:观察输入信号,载波,以及调制输出•subplot(3,1,1);plot(t,input);xlabel('时间t');ylabel('被调信号');•subplot(3,1,2);plot(t,carrier);xlabel('时间t');ylabel('载波');•subplot(3,1,3);plot(t,output);xlabel('时间t');ylabel('调幅输出');第（29）页00.511.522.53x10-3-2-1012时间t被调信号00.511.522.53x10-3-505时间t载波00.511.522.53x10-3-20-1001020时间t调幅输出第（30）页•%ch2example1prg3.m•dt=1e-6;%仿真采样间隔•T=2*1e-3;%仿真的帧周期•forN=0:500%总共仿真的帧数•t=N*T+(0:dt:T);%帧中的取样时刻•input=2*cos(2*pi*1005*t);%输入被调信号•carrier=5*cos(2*pi*(1e4)*t+0.1*randn);%载波•output=(2+0.5*input).*carrier;%调制输出•noise=randn(size(t));%噪声•r=output+noise;%调制信号通过加性噪声信道•%作图:观察输入信号,载波,以及调制输出•subplot(3,1,1);plot([0:dt:T],input);xlabel('时间t');•ylabel('被调信号');text(T*2/3,1.5,['当前帧数：N=',num2str(N)]);•subplot(3,1,2);plot([0:dt:T],carrier);•xlabel('时间t');ylabel('载波');•subplot(3,1,3);plot([0:dt:T],r);•xlabel('时间t');ylabel('调幅输出');•set(gcf,'DoubleBuffer','on');%双缓冲避免作图闪烁•drawnow;•end第（31）页00.20.40.60.811.21.41.61.82x10-3-2-1012时间t被调信号当前帧数：N=50000.20.40.60.811.21.41.61.82x10-3-505时间t载波00.20.40.60.811.21.41.61.82x10-3-20-1001020时间t调幅输出第（32）页EX.,计算机仿真的基本步骤（一）•1、描述仿真问题，明确仿真目的•2、项目计划、方案设计与系统定义–根据仿真目的确定相应的仿真结构，规定相应的仿真系统的边界条件和约束条件。•3、数学建模–根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，按照物理原理或者采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结构及参数。第（33）页EX.,计算机仿真的基本步骤（二）•4、仿真建模–根据数学模型的形式，采用高级语言或其他仿真工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型，也即获得系统的仿真模型。•5、实验–设定实验环境/条件，进行实验，记录数据