小结：
计算机仿真过程 通信系统分类 通信网的层次结构 通信系统模型的分类 通信系统仿真的方法
作业
搜索、下载、安装R2007a版MATLAB 通过复习例1、例3，熟悉仿真过程
t=0; % 设定起始时间 dt=0.1; % 设置计算步长 N=20; % 设置仿真递推次数. 仿真时间等于N与dt的乘积 for k=1:N v=v+g*dt; % 计算新时刻的速度 s(k+1)=s(k)+v*dt; % 新位移 t(k+1)=t(k)+dt; % 时间更新 end % 作图: 仿真结果与解析结果对比 t=0:dt:N*dt; plot(t,s,'o', t_theory,s_theory, '-'); xlabel('时间 t'); ylabel('位移 s'); legend('仿真结果','理论结果');
s(t dt ) s (t ) ds s (t ) v (t )dt
通信系统分类
模拟通信系统 数字基带传输系统 数字通信系统
数字频带传输系统
模拟信号数字化传输
1.3 通信系统模型的分类
1.3.1 按照系统层次分类 为了清楚地说明通信系统，往往将系统进 行分层次描述。 • 通信系统的最高层次描述是通信网络层次 • 在网络层次之下，是对通信节点和链路以 及传输信号的具体化，称为链路层次模型。 • 电路实现层次的模型。
1.3 通信系统模型的分类
1.3.2 按照信号类型分类 通信中的信号指携带信息的某一物理量， 在数学上一般表示为时间t的函数f(t)。 • 根据函数类型的不同可以将信号划分为模 拟信号，数字信号，时间连续信号，时间 离散信号等。 • 按照链路层通信系统仿真模型中流通的信 号类型不同，可以将其划分为连续时间系 统，离散时间系统，模拟系统，数字系统 以及混合系统等。
1.1 通信系统仿真的现实意义 计算机辅助技术可划分为三大类： • 基于理论分析的解析方法 • 结合通信系统硬件原型和测试设备的计算 机辅助仿真方法 • 基于纯软件的系统仿真的方法
1.1 通信系统仿真的现实意义
建模和仿真的作用和意义： • 利用系统建模和软件仿真技术，我们几乎可以对 所有的设计细节进行分层次的建模和评估。 • 通过仿真技术和方法，我们可以有效地将数学分 析模型和经验模型结合起来。 • 利用系统仿真方法，可以迅速构建一个通信系统 模型，提供一个便捷，高效和精确的评估平台。 本课程重点讲授内容： • 科学计算和系统仿真软件 Matlab / Simulink 在 通信系统建模仿真和性能评估方面的应用原理以 及通信系统仿真的一般原理和方法
1.3 通信系统模型的分类
1.3.3 按照系统特征分类 • 恒参系统 • 变参系统或时变系统 • 确定系统 • 随机系统 • 无记忆系统 • 有记忆系统或动态系统
1.3 通信系统模型的分类
无记忆系统的输入x(t)与输出y(t)之间的关系可以表示为时 间t的函数，即y(t)=f(x(t))。例如增益为k的线性放大器是 无记忆系统，表示为y(t)=kx(t)。
dv a dt 得出系统数学模型 ds g=9.8; % 重力加速度 v v=0; % 设定初始速度条件 dt 建立计算机程序 s=0; % 设定初始位移条件
v(t dt ) v(t ) dv v (t ) adt
设置仿真参数
执行仿真 可并行 输出结果
【例1.1】P5
通信系统模型分类的总结
按系统层次分类： 网络层次通信系统模型 ——网络流量、负载均衡、网络效益最大化等 链路层次通信系统模型
——调制解调方式、编解码方案等
电路层次通பைடு நூலகம்系统模型
——硬件电路、算法、输入输出波形等。 按信号类型分类： ——连续时间系统、离散时间系统、混合系统等。 按系统特征分类： ——参数是否变化、有无记忆、信号个数
【例1.3】P15
1.6 系统建模仿真方法与仿真工具
1.6.1 系统建模仿真方法与仿真工具的关系 仿真工具是实现建模和数值求解过程的软 件和硬件平台。我们所希望的现代仿真平 台和编程语言环境具有如下基本特征： • 简便高效的仿真描述语言。 • 层次化和模块化建模的能力。 • 可视化的建模方式。 • 软件硬件协同仿真的能力。 • 交互性和图形环境。 • 跨平台和可移植性。
1.6 系统建模仿真方法与仿真工具
1.6.2 仿真环境的构成和要求 一个软件仿真环境主要由以下部件组成。 • 模块库。 • 模块编辑和配置器。 • 仿真管理器。 • 后处理部分。 • 文件和数据库管理。 • 帮助文档。
1.6 系统建模仿真方法与仿真工具
1.6.3 常用仿真工具的选择 • 网络层次的建模：OPNET， NS 。 • 链 路 层 次 的 仿 真 ： Matlab/Simulink ， Systemview，Scilab以及C， C++ 。 • 电路实现层次的仿真：Spice，VHDL。 • 本课程以Matlab/Simulink作为建模和仿真平台。 • Matlab是在学术界和工程界被广泛采用的通用科 学计算语言。 • Matlab是一个跨操作系统的数值计算工具。 • Matlab/Simulink适合于科学计算、链路层次的 系统仿真。 • Matlab在国内目前常用的版本简介。
1.4 通信系统仿真的方法
• 一个直观的例子: 假设要计算一个不规则图 形的面积...... • 均匀地随机投掷M个点，如果其中有N个点 落于“图形”内，则该“图形”的面积近 似为N/M。投掷的点数越多，结果就越精确。
1.4 通信系统仿真的方法 在建模和仿真中，应用蒙特卡罗方法主要 有两部分工作。 • 用蒙特卡罗方法模拟某一过程时，产生所 需要的各种概率分布的随机变量。 • 用统计方法把模型的数字特征估计出来， 从而得到问题的数值解，即仿真结果。 〔实例1.3〕试用蒙特卡罗方法求出半径为 1的圆的面积。并与理论值对比。
1.2 计算机仿真的过程
1.2.1 系统仿真的数学基础 定义： • 仿真也称为模拟，在本质上，系统的计算机仿真就是根据 物理系统的运行原理建立相应的数学描述并进行计算机数 值求解的过程。 建模和仿真过程 • 建立系统数学模型或仿真模型。 • 编写系统的计算机仿真模型。 • 求解。 • 分析。 关键问题： • 求解算法 • 算法的改进 • 简化系统模型
1.4 通信系统仿真的方法
• 微分方程的求解算法可以划分为两大类： 变步长算法和固定步长算法。 • 对于离散时间系统，状态方程以一组差分 方程的形式给出。
1.4 通信系统仿真的方法
1.4.2 基于概率模型的蒙特卡罗方法 • 蒙特卡罗（Monte Carlo）方法是一种基于 随机试验和统计计算的数值方法，也称计 算机随机模拟方法或统计模拟方法。 • 蒙特卡罗方法的基本思想很早以前就被人 们所认识和利用了。 • 蒙特卡罗方法的数学基础是概率论中的大 数定理和中心极限定理。
1.4 通信系统仿真的方法
（1）数学模型 设 有 两 个 相 互 独 立 的 随 机 变 量 x,y， 服 从 [0,2]上的均匀分布。那么由它们所确定的 坐标点(x,y)是均匀分布于边长为2的一个正 方形区域中。如下图所示。
⑤ 通信系统仿真的方法
基于动态系统模型的状态方程求解方法 基于概率模型的蒙特卡罗方法 混合方法
对于有记忆系统，如果输入输出信号是时间离散的，则系 统输入输出关系必须用差分方程来描述，称为离散有记忆 系统。如果输入输出是连续时间信号，那么就要用微分方 程来进行系统描述。 系统的输入和输出信号可以是一个，也可以是多个。 为了简化数学表达，我们可以用一个向量函数来表示多个 信号，我们也可以用矩阵来表达线性状态方程，从而建立 起基于矩阵表示的一般线性系统的数学模型。
1.3 通信系统模型的分类
针对不同的层次模型，建模和仿真技术也有所不 同。 • 通过网络层次的仿真可以进行对节点信息处理标 准，通信协议以及通信链路拓扑结构的设计和验 证工作。 • 链路层次上的研究对象是针对不同物理信道中的 信息承载波形的传输问题。通过对输入输出波形 或符号的仿真，来验证链路设计是否满足由网络 层次仿真所要求的链路质量指标。 • 电路实现层次的仿真器，如模拟电路仿真Spice 和数字系统仿真HDL等，用来设计和验证电路系 统是否达到了链路层次系统所要求的功能指标。
1.2 计算机仿真的过程
1.2.2 计算机仿真的一般过程 • 建立计算机程序（层次化的）。 • 执行仿真。 • 对仿真模型和仿真结果的检验。 仿真验证包含以下方面内容： • 对仿真数学模型有效性的验证。 • 对计算机仿真模型（程序）的验证。 • 对仿真算法的验证。 • 仿真结果置信度分析。
计算机仿真过程
1.4 通信系统仿真的方法
1.4.1 基于动态系统模型的状态方程求解方法 • 所谓动态系统建模，就是根据研究对象的物理模 型找出相应的状态方程的过程。 • 所谓对动态系统的仿真，就是利用计算机来对所 得出的状态方程进行数值求解的过程。 • 如果已知当前系统的状态，由状态方程将给出未 来所有时刻上的系统状态值和输出信号值。在计 算机数值求解中，我们只能以一个微小的时间间 隔\Delta来近似表示当前时刻与下一时刻之间的 无穷小时间差dt，所以数值求解（实质上就是微 分方程的数值求解）总是近似的。我们将这个微 小的时间间隔\Delta称为求解的步长。
第1章
通信系统仿真的原理 和方法论
内容：
通信系统仿真的现实意义
计算机仿真的过程
通信系统分类
通信网的层次结构 通信系统模型的分类 通信系统仿真的方法 通信系统仿真的优点和局限性 常用仿真工具
1.1 通信系统仿真的现实意义
随着数字通信技术的发展，特别是与计算 机技术的相互融合，通信系统和信号处理 技术变得越来越复杂。 强大的计算机辅助分析与设计工具和系统 仿真方法作为将新的技术理论成果转换为 实际产品的高效而低成本途径越来越受到 业界的青睐。