ch1仿真的作用课件

第一讲仿真的作用引言一、简洁性例如二、仿真的多学科特点三、模型四、确定性与随机性仿真五、仿真的作用六、仿真软件包2现代通信系统的简洁性仿真的广泛使用。现代通信系统的构造简洁：运行在功率和带宽受限条件下，还要支持高速数据传输。简洁的调制和脉冲成形技术过失把握和接收端的高级信号处理技术在高数据率状况下，同步要求变得更加严格系统运行时所处的环境简洁：多数现代通信系统则是运行在更恶劣的环境中。很多系统常常用到非线性放大器。无线蜂窝系统往往患病严峻的干扰，还有多径和阴影，使得接收端信号消逝衰落。引言〔一〕3系统简洁+环境恶劣解析处理困难数字计算机在近20年以来已得到快速进展：功能强大，价格廉价，适合桌面使用。使用简洁，很多计算机资源的本钱无关紧要。计算机帮助设计与分析方法可供任何人使用。已经开发了功能强大的面对通信系统的软件包。强大的计算力气导致了简洁的信号处理构造。因此，计算工具的应运而生，而且有用的计算力气〔微处理器形式〕作为保障技术，才使现代通信系统变成可能，也使强大的仿真引擎有实现的可能。引言〔二〕4仿真理论随着计算机方法的进展得到了快速进展。仿真的重要动机：深入理解系统特性有价值的工具。好的仿真实现的硬件系统：可作多点测量，也易作参数争论，可任意改动滤波器带宽和SNR等参数，能很快地观测到这些改动对系统性能的影响。很简洁地产生时域波形、信号谱图、眼图、信号星座图等图形显示。可将仿真图形与硬件实现产生的等效显示作比较。将仿真结果和系统硬件产生的结果比照也是通信系统设计过程的重要局部。仿真比实际系统硬件能更简洁也更经济地对各种假设状况进展争论。仿真的主要作用不仅在于获得所要参数值，更在于对仿真对象获得深入理解。引言〔三〕第一节简洁性例如通信系统不同，其简洁程度也很不一样。下面考虑简洁程度依次增加的三个通信系统。可见：对第一个系统完全没必要进展仿真。对其次个系统，仿真也不是必需的，但可能是有用的。对第三个系统作具体的性能争论，就必需进展仿真。易于解析处理的系统

需繁琐解析处理的系统

难以解析处理的系统6易于解析处理的系统〔框图〕图1-1易于解析处理的通信系统7上图是一个简洁通信系统：放射机局部：数据源：符号序列dk{0,1}，假设为离散无记忆源；调制器：源符号波形，其不同波形代表不同源符号。二进制系统波形集合：｛s1(t),s2(t)｝。假设放射机对调制器的输出进展线性放大，使得调制器产生的信号能以期望的比特能量放射出去。信道：系统中需要进展准确建模的最简洁的局部。这里假设为AWGN信道。8接收机：观看接收机输入端信号，产生对dk的估量，记作dk。接收机：包括一个匹配滤波器〔或相关接收机〕，它在一个符号周期内对信号进展观看。在符号周期末，对匹配滤波器的输出采样，产生一个观看统计量Vk。最终：将Vk与阈值T作比较，如Vk＞T，判决Vk为一个数据符号；如Vk＜T,判决Vk为另一个数据符号。9利用通信原理学问，简洁求得通信过失概率为：注：见“通信原理：数字通信频带传输”Es表示一个符号周期内的平均能量，跟波形集合{S1(t),S2(t)}相关联；N0为加性信道噪声的单边功率谱密度；参数k取决于波形｛S1(t),S2(t)｝的相关程度。10为什么该系统是易于解析处理的？信道是AWGN信道：噪声是高斯噪声接收机是线性的。匹配滤波器是线性系统，判决统计量Vk作为高斯随机变量。模型简化：数据源为无记忆、抱负的符号同步因而可数学分析。仿真易于解析处理的系统是否也有作用呢？它可能是一个更简洁系统的根本构成模块。开发出仿真代码很简洁得到验证。可依据争论的需求，对数据源、调制器、信道或接收机进展修改。还可以把其他子系统添加到仿真模型中去。因此答案是确定的。11需繁琐解析处理的系统(分析)图1-2需繁琐解析处理的系统12和前面系统唯一不同：参与了放射机的非线性大功率放大器〔HPA〕和滤波器。非线性放大器：高的功率效率常常优先应用于功率受限的场合，包括太空应用和蜂窝移动系统。非线性放大器会产生谐波与交调失真频谱扩展放大器后的滤波器是带通滤波器，中心频率等于期望载波频率。作用是削减非线性带来的谐波与互调失真。调制器与HPA、滤波器数据信号时间集中，产生符号间干扰〔ISI〕。ISI第i个符号的过失概率跟它前面一个或多个符号有关在解调第i个符号时必需考虑多个前续符号，这取决于滤波器输出信号的记忆性。第i个符号的过失概率取决于前k个符号，就需要计算需繁琐解析处理的系统(分析)13二进制状况：等概取0或1，有2k个k长的序列。第i个符号的过失概率为即，必需计算2k个不同过失概率，并对这2k个结果作平均。对AWGN信道，这2k个过失概率都是高斯Q函数，可直接计算每一个Q函数值，其计算过程很繁琐仿真。该系统的一个重要特性：从噪声注入点到统计量Vk采集点之间的系统是线性的。统计量Vk常常具有以下形式需繁琐解析处理的系统(分析)式中，Sk和Ik分别为对应于信号和ISI重量；Nk为对应于信道噪声重量。14由于是高斯随机变量的线性变换，则由于信道噪声是高斯随机变量，Nk也是高斯随机变量。Vk也是AWGN变量，方差和Nk的一样，但具有均值Sk+Ik，这两个量皆为确定性变量，所以Vk的均值可以直接计算。由信道噪声的功率谱密度和从信道到Vk消逝处的系统等效噪声带宽可以确定Vk的方差，因而，可以得知从Vk的概率密度函数很简洁求出通信过失概率。总之，尽管系统中有非线性，但由于噪声并没有通过非线性局部，Vk的概率密度函数还是很简洁确定的。噪声仅通过系统的线性局部：Vk的均值可用无噪声仿真确定，同时可解析确定Vk的方差。Vk概率密度函数，就简洁确定过失概率。得到一个简洁而快速的半解析仿真方法：解析和仿真以一种便于快速仿真的方式结合在一起。半解析方法是一个重要的仿真工具。需繁琐解析处理的系统(分析)15难以解析处理的系统〔框图〕图1-3难以解析处理的通信系统16是一个难以解析处理的两跳卫星通信系统。将卫星转发器建模为非线性大功率放大器〔HPA〕，并用滤波器滤掉非线性造成的带外谐波失真。此处参与了卫星信道模型，它由两个噪声源组成。其中一个噪声源代表上行链路〔放射机到卫星〕噪声，而另一个表示下行链路〔卫星到接收机〕噪声。问题:接收机的噪声由两局部组成，下行链路噪声和通过非线性大功率放大器的上行链路噪声，即使假设上行链路和下行链路噪声都是高斯过程，接收端的噪声还是很难确定。难以解析处理的系统〔分析〕17下行链路噪声简洁建模，由于它只通过系统的线性局部，而对上行链路噪声建模比较困难，由于它通过了系统的非线性局部。即使上行链路是高斯的，判决统计量Vk的概率密度函数还是很难确定。没有判决统计量的概率密度函数的准确学问，通信过失概率就无法求出。对这一类系统，仿真是一个必备的根本工具。本节说明：增加简洁度是如何使仿真变得必要的现阶段受关注的很多系统都属于无法解析求解这一类。比方，强干扰和多径环境下运行的无线蜂窝链路往往要通过仿真来具体分析。难以解析处理的系统〔分析〕18其次节仿真的多学科特点在20世纪70年月以前，仿真问题是特事特办，对于仿真方法和消逝在仿真程序中的误差源，理解的人不多。在近20多年里，学者们构建了一个学问体系，对仿真开发进展方法指导，并供给理论框架来解决仿真程序开发中消逝的很多问题。该学问体系目的是使得承受仿真作为分析工具的人可以开发牢靠而又有合理运行时间的仿真。构建这个学问体系要求融合不同领域学问，图1-4给出了影响仿真争论的九大重要学科领域。19图1-4影响争论通信系统仿真的领域仿真的多学科特点20〔1〕线性系统理论：供给了确定线性系统输入输出关系的方法。可在时域〔冲激响应〕和频域〔传递函数〕表示系统模型〔2〕通信原理：在开发仿真系统之前，必需理解系统构造、调制器和均衡器等不同子系统的运行特性，以及信道模型的具体状况。尽管仿真可以用来确定适宜的系统参数值，但在仿真开发之前通常就必需了解参数值的实际范围。〔3〕数字信号处理〔DSP〕：常用来开发构成通信系统仿真模型的算法。仿真模型通常由几个连续时间系统元器件〔如滤波器〕的离散时间近似组成，要理解、评估该近似特性，DSP学问是必需的。仿真模型每一个功能模块都是一个DSP运算。DSP供给了仿真实现方法。仿真的多学科特点21〔4〕数值分析:和DSP亲切相关，但由于该学科历史更长远。很多经典方法〔数值积分、多项式内插以及曲线拟合〕都源于数值分析。〔5〕概率:是仿真争论的根底。通信系统的性能指标:概率。数字通信系统中的比特过失概率或符号过失概率同步系统中相位误差超过给定水平的概率。概率论争论了随机变量和概率密度函数等概念。假设内在的概率密度函数，就可计算出上述各量。很多仿真〔随机性仿真〕的结果是随机变量，而这个随机变量的方差往往是仿真的有用性和统计准确性的一个度量。仿真的多学科特点22〔6〕随机过程理论：供给描述随机过程的工具：时域为自相关函数，频域为功率谱密度函数。很多仿真要处理的信号和噪声波形是随机过程样本函数，尤其在建模信道时。〔7〕数论：数论概念为我们供给了用于开发随机数发生器的工具。随机数发生器是波形发生器的根本模块，广泛应用于：序列、波形、衰落和随机干扰等很多场合。仿真的多学科特点〔8〕计算机科学：信号采样值字长和字格式会影响仿真精度，在浮点处理器中并不太重要。在开发商业仿真器时，选择哪种语言特殊关键。可用内存的大小和内存的组织形式会影响数据与指令从仿真的一局部到另一局部的传递方式。图形要求和力气准备如何显示波形，影响代码可移植性。23〔9〕检测与估量理论：允许我们对特定仿真结果的有效性进展评估。随机性仿真的结果是随机变量。它构成了期望数量的一个估量器。每次执行仿真会得出该随机变量的一个实现值。一般来说，重复仿真得出的数值每次都会不同。假设仿真产生的估量器是无偏的〔unbiased〕或全都的〔consistent〕，这种仿真就很有用。无偏估量器是指估量均值等于被测数量的那种估量器。全都估量是指估量方差随仿真时间增加而减小的估量。此外一般还可用于评估仿真结果的牢靠性。仿真的学问体系是一个自成体系的争论领域。吸取了来自很多其他领域的成果，就像电子信息学科吸取了物理学、数学和化学等学科的成果一样。希望同学们在开头学习仿真的时候，已经把握了线性系统理论、通信和概率论方面的学问。仿真的多学科特点24第三节模型通信系统仿真开发的第一步:对所关心的系统建立仿真模型。模型描述了物理系统或器件的输入输出关系，模型可表示成数学形式。建模的艺术性在于建立特性模型〔刻画了特定条件下设备的输入输出特性〕。特性模型要足够具体，以保持要建模的系统的根本特征，同时又不能过于简洁，所需要的计算机资源开销适度。要在精度、简洁度和计算量要求等方面作折衷。25三个层次：物理模型、解析模型和仿真模型物理元器件：单个电路元件，如电阻；子系统，如PLL单芯片；或完整的通信系统。解析模型和仿真模型二者都是物理元器件或系统的抽象。1〕建立物理模型：确定模型要描述的物理元器件特征和工作特性。要求作工程推断，还要求有全面透彻的了解。模型精度会限制其数学分析或计算机仿真精度一旦相关折衷问题得到了解决，一个描述了物理元器件根本特征的解析模型就建立起来了。模型262〕解析模型以方程或方程组的形式给出，描述物理元器件的输入输出关系。方程只是对要建模器件作局部描述，因其仅对某些方面建立了模型。描述器件的方程一般也只有在有限的电压、电流和频率范围内是准确的3〕仿真模型通常是一组算法，是用数值方法来求解定义解析模型的方程。开发这些算法的工具：数值分析、数字信号处理。模型27图1-5元器件与模型28从图中可见，物理元器件=>解析模型=>仿真模型，抽象程度依次增加抽象程度增加来源于，在该过程中所作的假设和近似，每作一次假设和近似，就远离物理元器件及其工作特性一步。在该过程中各步消逝的抽象程度，应归因于解析模型承受的表达形式。以锁相环为例，锁相环的解析模型可以有多种形式，每种对应一个不同的抽象程度。低抽象程度的解析模型可以由一组线性方程构成，其每一个方程对应一个功能运算〔鉴相器、环路滤波器和压控振荡器〕。此外，利用这组方程开发出的仿真，还可允许对锁相环中所关心的单个信号进展观看，并和硬件器件中对应的信号进展比较。模型29更高抽象的模型是用一个非线性〔或时变〕微分方程来描述锁相环的输入输出关系。在该模型中，无法再分开识别出锁相环中各信号处理运算及其对应波形。仅考虑具有低抽象程度解析模型似乎符合规律，但实际状况远非如此。我们常常会遇到具有不同抽象程度的模型。信道模型可以用波形级方法来建模，在这种方法中，模型对波形采样值进展处理。信道又可以表示为基于符号的离散马尔可夫过程，而且，该信道模型通常还将调制器、放射机和接收机也纳入信道中，是高度抽象的，也难以准确地用参数表示。但是一旦找到，就可给出数值上高效的仿真，从而加快运行速度。人们比照较抽象建模方法感兴趣的主要缘由就在于这种高效性。模型30图1-6模型简洁度的影响模型31图1-6提示了建模过程的辨证关系。(1)仿真运行时间和模型简洁度之间的关系：仿真的一个抱负特征就是仿真代码运行速度快。简洁模型会比简洁的模型运行得快，由于每次仿真启动模型时只需运行较少行数的计算机代码。然而，简洁的模型可能无法完全刻画器件的重要特性，因此得出的仿真结果可能不准确。在这种状况下，就得动用更简洁的模型。简洁些的模型可能会给出更准确的仿真结果，但精度的提高往往是以增加仿真运行时间为代价。模型32(2)建模误差与简洁度的关系：高的仿真精度和快的运行速度两者往往难以兼得，一个好的仿真能同时供给合理的精度和合理的运行速度。固然，当仿真指标要求具有高精度时，在精度与运行速度二者间作折衷就严峻受限了。在这种状况下，模型必需足够简洁，以充分保证所要求的精度，而仿真运行时间可能难免就要增加了。建模代价与模型简洁度之间存在的关系：在建立准确的仿真模型之前，更简洁的模型往往要求进展广泛的测量。如建立非线性放大器模型。如消逝多源干扰和严峻频率选择性衰落时的无线通信信道建模。模型33值得留意的是，这些测量也需要资源〔设备与工程时间〕。同时必需留意，简洁模型比简洁模型更易出错。从解析模型到离散时间〔数字〕仿真模型的转化涉及到很多的假设和近似：在物理元器件和解析模型中消逝的电压和电流是时间的连续函数。从解析模型转向仿真模型，也就从连续域转到了离散域。该过程涉及对电压和电流的时间采样和幅度量化。其中采样过程会引入混叠误差，而幅度量化会导致量化误差。模型34承受浮点处理器的仿真中，量化误差常常可以无视不计；而在仿真采样频率要作适中选择时，要留意混叠误差。通过提高采样率可以减小混叠误差，但提高采样率要求用更多的采样点来表示给定的数据段，结果是运行仿真必需处理更多的采样点，从而增加了仿真运行的时间，因而必需在采样频率和仿真运行时间之间作折衷。所以，我们不该一味地消退仿真误差，而应当寻求一个仿真既具有合理运行时间又满足精度要求。本节目的：理解建模的精度、简洁度和计算量间的辨证关系。解析模型〔方程〕是物理元器件的抽象，涉及到很多假设和近似。仿真模型基于解析模型，涉及到更进一步的假设和近似。在此过程中，必需高度慎重，以保证仿真模型的有效性，并保证仿真结果能反映实际状况。模型35第四节确定性与随机性仿真〔一〕一个确定性仿真的实例〔二〕一个随机性仿真的实例36仿真分确定性仿真和随机性仿真两种。确定性仿真的一个例子是固定电路的SPICE仿真。这种仿真是电路〔系统〕对某些确定性输入信号的响应，各种电路元件和电路的输入用开发的软件程序来表示，仿真在电路网络的每一个支路中产生电流，并因此在每个电路元件上产生电压。电压和电流常表示成波形。由于电路〔系统〕是固定的，输入信号是确定性的，每次运行仿真都会得到一样的结果。假设用传统方法〔纸和笔〕来求解电路网络，也会得到同样波形。承受仿真是为了节省时间和避开在进展冗长计算时可能消逝计算错误确定性与随机性仿真37随机性仿真是消逝随机量的仿真。现在假设网络的输入为随机波形〔即一个随机过程的样本函数〕。而系统模型可能要求电阻器的电阻为一个具有某种概率密度函数的随机变量。仿真结果将不再是一个确定性波形，而对波形进展采样会得到一组随机变量。一个例如：假定某个电路元件两端电压记为e(t)，进展仿真来产生在1毫秒时e(t)的数值。也就是说，想要得知e(0.001)。在确定性仿真中，e(0.001)是一个固定填，每次仿真都得到同样结果。使用传统分析方法也会得到一样数值。在随机性仿真中，e(0.001)是一个随机变量，每次仿真都得到该随机变量的一个不同的值。确定性与随机性仿真38其中Eb为符号能量，No为单边噪声功率谱密度，Q(x)为高斯Q函数定义如下：另一个例子：数字通信系统，其接收信号由发送信号和随机噪声叠加而成。假设我们的任务是计算接收机输出端的误符号率，从通信原理可知，假设调制格式为BPSK，信道为AWGN信道，误符号率为确定性与随机性仿真39留意PE是一个数而不是随机变量，尽管接收机输入端消逝了随机量〔噪声〕。PE值是很屡次试验的平均。这里的试验：让数字信号通过系统和观看结果。结果固然是在接收机输出端要么作出正确判决，要么观看到一个过失。对遍历性〔Ergodic〕过程，可以用两种不同方法确定过失概率。第一种方法是：可以观看单个的发送位，并通过总体均值〔EnsembleAverage)来计算PE。确定性与随机性仿真40另一种方法是：通过发送无穷多个二进制符号，使用单个噪声样本函数，再作时间平均来确定PE。这里的关键是，使用了无穷多个被发送的二进制符号来计算PE。假设不是基于无穷多个，而是用有限多个被发送的二进制符号来估算PE，我们会觉察PE的估量值确实是一个随机变量，由于在每个有限时段样本函数都会给出一个不同〔有望差异不大〕的过失概率值。留意：分析和仿真都会给出一个数值结果，每次进展确定性仿真，也会获得一样的结果。但是，随机性仿真给出的是随机变量，而且这些随机变量的统计特性对确定仿真结果的质量特殊重要。确定性与随机性仿真41〔一〕一个确定性仿真的实例本课主要目的：表达和探究随机性仿真中使用的方法但是：完全确定性仿真是深入理解通信系统工作特性的重要工具。可以通过运行仿真来确定系统中所关心的那些点的波形。可以转变系统参数，并很简洁观看到参数转变的影响。常常可以使用很简洁的模型，却得到重要的结果。一个简洁的实例是锁相环系统，系统方框图如图1-7所示。系统看上去很简洁，但是，由于鉴相器的非线性特性，在捕获模式下对锁相环作分析很简洁。举例：在给定各种环路参数和输入信号指标前提下，捕获信号所需时间是锁相环的一个重要性能参数。解析求解该问题需要解非线性微分方程。因此，我们转而考虑仿真方法。42图1-7PLL模型一个确定性仿真的实例43假定设计锁相环具有：固有频率5Hz阻尼因子0.707，再假定锁相环工作在锁定状态，并且输入频率在t＝0.1秒处瞬时转变为20Hz。由于输入频率的阶跃变化与锁相环固有频率的比值较大，锁相环会丧失相位锁定，必需重新捕获输入信号。环路的非线性特性会导致一种叫做“周期滑动”的现象，捕获时间在很大程度上取决于捕获过程中滑动的周期数。一个确定性仿真的实例44一个简洁的仿真结果如图1-8所示。在这个仿真里，输入频率的阶跃发生在t＝0.1S处。可以看到锁相环滑动三周，然后大约在加上频率阶跃0.6s后重新捕获到信号。这个仿真完全是确定性的，使用一样的锁相环参数和信号模型进展屡次仿真会得到一样的结果。一个确定性仿真的实例45图1-8锁相环的捕获特性46〔二〕一个随机性仿真的实例一个完全不同的例子：考虑图1-1所示的简洁数字通信系统，并假设我们希望确定误比特率〔BER〕。要确定这一重要性能指标，最根本的仿真方法是给系统输入大量的数字符号，并计算接收机输出端出过失的符号数目。这种方法叫蒙特卡罗方法。假设系统处理了N个符号，在系统输出端观看到Ne个过失，过失概率蒙特卡罗估量：47这个估量叫基于N个符号的BER，给出了符号过失概率的一个估量。使用概率的相对频率定义，符号过失概率可定义为：由于仿真能处理的符号数目必定是有限的，我们也只能对符号过失概率作近似计算。一个随机性仿真的实例48术语误码率和误码概率〔ProbabilityofBitError〕常常被用来指同样的东西，然而实际上，这两个术语有很大区分。误码率是误码概率的一个估量。大家应当记住“率”是以分数形式给出，比方每小时多少英里的速率。误码率实际上就是一种比率，由于它表示了每N个符号出Ne个过失的意思。误码概率则是基于无穷多个符号通过系统这个假设，因此误码概率是一个数而不是随机变量。一个随机性仿真的实例49图1-9蒙特卡罗仿真结果一个随机性仿真的实例50假设对二进制PSK通信系统进展K=7次独立的蒙特卡罗仿真，并调整Eb/N0使得符号〔或比特〕过失概率为0.1。每次仿真都基于N＝1000个发送符号。重复让1000个符号通过随机信道的随机试验7次，结果如图1-9所示。很明显结果具有随机性，由于基于N<=1000的任意个发送符号的BER结果散布开了。这种散布跟估量的方差有关。通常，要得到有用的仿真结果，散布应当比较小。留意，如图1-9所示，方差随N的增加而减小，正确开发的估量器通常都具有这种特性。一个随机性仿真的实例51还可留意到对大的N，结果聚拢在真实的过失概率四周。我们也倾向于信任，对一个正确开发的仿真，估量PE会收敛到过失概率PE，从而和概率的相对频率定义全都，这也是正确开发的估量器通常应具有的一个特性。假设N变得任意大时，估量方差趋于零，则称估量为全都的。另外，假设E{PE｝＝PE，则称估量为无偏的。一个随机性仿真的实例52第五节仿真的作用<本节自学>引言〔一〕链路预算与系统级标校过程〔二〕关键元件的实现与测试〔三〕完成硬件原型与验证仿真模型〔四〕生命终结猜测53引言仿真广泛应用于现代通信系统设计过程和布署过程中的很多阶段。性能评估和设计权衡争论〔参数优化〕；测试过程和基准的设定、生命终结猜测以及现场系统布署后消逝特殊状况的调查。仿真方法论和仿真模型二者都取决于系统设计、实现和生命周期的不同阶段。仿真方法论也会受所承受的整体设计流程的支配或指导。下面阐述在通信系统设计和生命周期不同阶段的设计流程和仿真运用：54简洁通信系统设计是以“自顶至底”的方式完成的，但硬件实现通常是“自底至顶”进展。在设计系统时，从系统级〔最高抽象级〕开头，填入系统级设计的细节，再往下到子系统级，最终下到元件级，然后我们就到了最底层，并可以从这里得悉元件组装的详情。在构建系统时，最先制造出元件来，然后把元件组装成子系统，最终再用子系统构成整个系统。仿真开发也承受“自顶至底”的方法，从具有高抽象程度的系统级仿真开头，接着是越来越具体的子系统及元件的模型和仿真。在开头实现后，元件和子系统的测量特性将包括到仿真模型里。引言55〔一〕链路预算与系统级标校过程下面描述设计过程的不同阶段，以及如何将仿真运用于这些阶段。通信系统设计过程开头于陈述和分析用户要求和性能期望，包括吞吐率、过失率、中断概率以及对带宽、功率、重量、简洁度／本钱、系统预期工作的信道和系统生命周期等的约束。基于用户要求，“系统工程师”对系统形成一个根本概念，比方承受什么调制方式、编码与均衡技术〔假设有必要〕等等。在设计的最初阶段，也要确定一组叫A级指标的参数值，比方功率级、带宽和调制指数。56在设计过程的这个阶段，整体目标是确定系统拓扑构造和参数值，以便同时满足性能目标和设计约束。系统性能是信噪比〔SNR或等价地Eb/No〕和通信链路中全部元件引入的总失真的函数。信噪比可以通过一个叫链路预算的过程来确定。链路预算主要是功率计算，需要考虑发送功率、天线增益、路径损耗、功率增益以及放大器和滤波器的噪声系数等。尽管链路预算不是仿真所关心的主要参量，然而它确定了要执行仿真来作性能估量的S/N或Eb/No范围。链路预算与系统级标校过程57由于无法制造抱负元件，放大器和滤波器等元器件的实际实现会产生非抱负特性，因此会引起信号失真，从而影响系统性能。链路预算中考虑到了这一点：首先以抱负元件计算系统性能，然后包括一项“实现损耗”，来应付由于非抱负元件引起的信号失真所造成的性能降低。实现损耗是一个度量〔通常为基于过往阅历的一个估量〕，它表示Eb/No必需增加的大小，以便抑制非抱负元器件引起的信号失真所造成的影响。有时实现损耗也叫通信或失真参数。留意有些参数，比方滤波器带宽，可能影响系统中多处噪声的功率，这又反过来会影响链路预算和失真。链路预算与系统级标校过程58系统设计者的工作从系统初始配置、A级指标和链路预算开头。链路预算表示为类似表格的形式，其中最末行是考虑了全部实现损耗后系统关键点处的净Eb/No。这个关键点往往在接收机输入端。假设链路具有足够Eb/No，满足可承受的系统性能并具有确定的安全裕量，则称此链路预算为“封闭的”或“平衡的”。系统性能指标有多种，比方说，模拟系统通常承受均方误差作为性能指标，而数字系统的典型性能指标是误码率。在设计过程中的这个阶段，通过近似公式计算性能指标而不用仿真。由于全部的实现损耗都考虑在Eb/No中了，可以使用抱负系统的公式计算误比特率等指标。链路预算与系统级标校过程59假设链路预算不封闭或不平衡，就得修改A级指标、实现损耗甚至系统构造，并重作链路预算。如可以转变一个或几个滤波器的带宽，增大天线的尺寸〔增益〕，降低放大器噪声系数指标。重复这一过程直到链路预算平衡或封闭，并有充分裕量。在系统初始配置、A级指标和链路预算平衡的根底上，可以构造出仿真模型，用来验证链路预算和改进设计。通过具体的仿真，可以准确估量性能指标和验证非抱负实现造成的性能降级。假设链路预算通过仿真验证还是封闭的，就可以进入设计过程的下一阶段，涉及到子系统和元件的具体设计和实现。链路预算与系统级标校过程60假设链路预算不是封闭的，就要转变某些失真安排，系统拓扑构造和A级指标可能也要转变，如增加编码增益，转变放大器的线性要求指标假设仿真说明一个元件造成的失真小于链路预算安排给该元件的值，节余局部可以用于放松对其他元件的要求〔即系统的其他地方可以容忍更大的失真〕，连续此迭代过程直至链路预算平衡。平衡的链路预算为硬件〔和软件〕开发供给初始指标。设计的初始阶段具有很强的“艺术性”，通常需要很多通信系统设计阅历。一般只需在原来设计过的类似系统根底上，作些小改动便可完成初始设计。即是说，新设计在本质上往往是渐进的或递增的。链路预算与系统级标校过程61〔二〕关键元件的实现与测试新通信系统设计中一般包括新信号处理算法和新硬件〔及软件〕技术。承受新技术，性能方面难免消逝风险或不确定性。假设通信系统的关键局部要使用新技术，那个元件必需首先制造出来并在实际工作条件下进展测试，以便验证性能和把风险减至最小。由于在设计过程的这个前期阶段，仅造出了几个关键元件，要测试整个系统的硬件是不行能的。这样，仿真就供给了一个极佳的环境。和原型化整个系统硬件相比，使用仿真也要廉价得多。将待仿真的元件的测量特性代入该元件的仿真模型，就可以仿真该元件输入端之前和输出端之后的全部元件和信号。62比方说，假设要测试的元件是一个新放大器，假设已测量出它AM到AM和AM到PM的传输特性，并且已将传输特性代入放大器的非线性模型。然后就可通过对整个系统的仿真，来检验得出性能和链路预算。如前所述，假设说明代入仿真中的测量特性优于预期的失真，节余局部就可用在系统的其他地方。假设链路预算是平衡的，就可连续对下一个关键元件作硬件开发。不然，或者重新设计、重新制造、重新测试元件，或者修改链路预算，从而把新元件引入的额外降级〔即原链路预算安排给元件的之外的失真〕也考虑在内。对其他关键元件重复此过程。关键元件的实现与测试63〔三〕完成硬件原型与验证仿真模型随着上述过程的进展，渐渐形成了整个系统的硬件原型以及与之对应的仿真模型。此时的仿真模型包括仿真中大局部元件的测量特性。可以在硬件原型上测出整个系统的很多性能指标，还要进展并行仿真。可将仿真结果与性能特性的测量值作比较，反之亦然。仿真为测试供给了基准，而测试结果又验证了仿真。设计过程的这个阶段的最终结果是系统的一个完整原型，此原型是系统的产品开发的根底。另外，也获得一个阅历证的仿真模型，可用来很有把握地猜测生命终结〔End-of-Life，EOL〕。64〔四〕生命终结猜测前面的过程给出的设计保证系统在实施时能到达确定的性能。但是，多数系统还要满足另一个重要要求，即生命终结性能。很多通信系统，比方通信卫星和海底电缆，都有一个较长的估量使用期限〔通常为10年或更长〕，在此期间性能必需得到保证。固然，不行能对硬件原型作实际生命周期测试，由于假设要实时进展这种测试，得花很多年时间！尽管已开发出所谓的加速寿命测试程序，但通常的作法是使用仿真作为加速寿命测试的补充手段。65通过使用系统中主要元件老化模型，仿真可完成生命终结性能猜测。假设有整个系统的生命起始阶段〔BeginningofLife，BOL〕通过验证的仿真模型，也有作为年龄函数的各元件特性的好模型〔这不难获得〕，将元件老化模型代入验证过的BOL模型，就得到系统EOL性能指标。假设猜测的EOL性能令人满足，而且最终EOL链路预算平衡并有足够的裕量，系统设计和实现就完成了。不然，就要迭代此过程直到收敛。如以以下图1-10所示，总结了通信系统工程中设计流程的关键步骤和仿真的作用。生命终结猜测66图1-10系统工程与设计流程67第六节仿真软件包在近十年中，已开发了多种通信系统波形级仿真软件包，得到广泛应用通信系统仿真框架：建模器、模型库、仿真核和后处理器。每种仿真软件包在实现这些部件的方式和所供给模型库的范围与重点有所不同。不管具体使用哪种仿真软件包，仿真通信系统的第一步是，对构成整个系统的各子系统建立仿真模型，并将这些子系统组成所关心系统的一个端到端仿真。建立仿真模型可以使用通用编程语言编写适宜的代码。也可以使用图形建模器。可以用“自顶至底”或“自底至顶”的方式来建模。68系统工程师宠爱自顶至底方式，而硬件工程师首选自底至顶的方式。在“叶级”〔即模型级中的最底层〕模型可以有很多表示方法，从用编程语言〔如FORTRAN、C〕编写的浮点子程序〔Subroutine〕或过程〔Procedure〕，到用VHDL语言的子系统模型的比特级实现。除承受图形方框图编辑器建模的方法，还可以使用像MATLAB命令语言之类的中级〔伪〕语言。由于可供使用的模型库包含大量文档齐全并