通信系统课程的设计讲义3.docxVIP

的建模与仿真1.1 通信系统及性能指标通信系统是指完成信息传递所需的一切设备及传输媒介的总和。通信系统涵盖全球通信网络、地球同步通信卫星、陆地微波传输系统、集群通信系统、个人通信系统，每个系统都设计不同的层次。通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。 在设计或衡量一个通信系统时，要涉及通信系统的主要性能指标问题。通信系统的有效性和可靠性是两个最重要的性能指标。有效性是指消息的传输“速度”问题，可靠性是指消息的传输“质量”问题。这是两个相互矛盾的问题，这对矛盾通常只能依据实际要求取得相对的统一。例如：在满足移动可靠性指标下，尽量提高消息的传输速度；或者，在维持一定有效性下，使消息的传输质量尽可能地提高。模拟通信系统的有效性可以用信号在传输中所占用的传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。模拟通信系统可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。通常电话要求信噪比为20dB-40dB，电视则要求40dB以上。不同调制方式在同样信道信噪比下所得到的最终解调后的信噪比是不同的。如调频信号抗干扰性能比调幅好，但调频信号所需传输频带却宽于调幅。反映数字通信系统可靠性的主要指标是误码率或误比特率。数字信号在传输过程中，当噪声或干扰太大时将会导致接收端错误地判决码元，即“1”码误判为“0”，“0”码误判为“1”。误码元率定义为误比特率定义为不同信号对错误率的要求不同，如传输数字电话时，误比特率通常要求为10-3--10-6，而传输计算机信息时常常要求更高，即Pb更小。当信道不能满足要求时，必须加纠错措施。反映数字通信系统有效性指标是频带利用率。如果其中一个系统在一定的频带宽度内能够实现更高的信息传输速率，则说它的频带能够被更有效的利用。我们定义通信系统的频带利用率为： 或 显然，数字通信系统的可靠性指标误码率与系统的信噪比有关，在系统噪声功率一定的条件下，信噪比与发射功率成正比，通过提高发射功率可以提高信噪比进而改善误码率。通常用系统的信噪比与误码率曲线来描述系统的可靠性。如图1-3所示。1.2 通信系统仿真现代通信系统要在功率和带宽有限的条件下，实现高速数据传输。这些要求相互矛盾，导致了复杂调制和脉冲成形技术，以及差错控制和接收端的高级信号处理技术。现代通信系统的复杂性促进了仿真的广泛应用。使用仿真的一个重要动机在于，仿真是深入理解系统特性的有效工具。一个开发得好的仿真跟在实验室实现一个系统类似，可以方便地对要研究的系统进行多点测量，也可以很容易做参数研究，因为可以任意改变滤波器带宽和信噪比等参数，而且还能很快观测到这些改变对系统性能的影响。通信系统仿真往往涉及较多的研究领域，包括通信原理、数字信号处理、信号与系统、概率论、随机过程理论、计算机科学等。掌握通信原理是通信系统仿真的关键，主要涉及系统结构、各种通信技术、如调制解调技术、多址技术及编码技术等。仿真问题主要涉及以下步骤：1）将给定问题映射为仿真模型；2）把整个问题分解为一组子问题；3）选择一个合适的建模、仿真和估计方法，并将用于解决这些子问题；4）综合各子问题的解决结果以提供对整个问题的解决方案。仿真可分为四个层次：系统级仿真、子系统级仿真、元件级仿真和电路层仿真。如图1-3所示为一个通用的通信系统系统级模型，它包括13个功能模块，每个功能模块可视为一个子系统，可以进一步分解。 图1-3 通信系统的系统级模型例如基带调制与脉冲成形器、射频调制器有可进一步分解，如图1-4。 图1-4 基带调制与脉冲成形器、射频调制器子系统模型1.3 性能估计仿真的主要目标之一就是性能估计。对于模拟通信系统，主要的性能指标是输出信噪比，对于数字通信系统则是误比特率。误比特率仿真模型如图1-5，图中一个随机二进制比特序列作为调制器的输入。 图1-5 确定BER的仿真模型系统的误比特率性能可用符号差错概率定义为： 因为仿真能处理的符号数是有限的，故只能对符号差错概率做近似计算，一般使用蒙特卡罗法，即让N个符号通过系统，并计算发生错误的个数。如果通过系统的N个比特中有Ne个差错，则误比特率估计为 1.4 仿真中的误差仿真误差有两种类型：处理误差和建模误差处理误差——处理误差源于计算能力的限制和仿真的本质，如用离散时间信号描述连续信号可导致混叠误差、计算机内存不能存储无限脉冲响应、数字表示不能满足无线精度的要求等。 处理误差是可控的，理论上可以降低到任意小得值，以满足某种误差要求。建模误差——为了降低复杂度和忽略一些元器件较小的失真，使仿真方框图不能完全准确地反映实际系统造成建模误差。此外，对随机过程信号的建模也会造成建模误差。1.5 通信仿真软件包仿真就是一个软件和运行环境，仿真要设计一个软件环境，将模型转换成程序并且执行程序，最后要描述仿真结果。常用的通信系统仿真软件有：MATL