第1章概述1.1仿真的意義1.2電子通信系統(tǒng)的建模與仿真1.3本書提綱1.1仿真的意義

1.1.1數(shù)理基礎(chǔ)與專業(yè)知識的學(xué)習(xí)

在通常的學(xué)習(xí)過程中,數(shù)理知識和專業(yè)知識的學(xué)習(xí)與實踐是靠課堂講授和數(shù)量不多的作業(yè)以及十分有限的實驗來完成二者的結(jié)合的。所學(xué)的抽象理論、復(fù)雜的計算,由于實踐的機會不多,且間隔周期又長,因而難以較快地掌握。當(dāng)結(jié)合仿真實驗學(xué)習(xí)時,在掌握了原理與方法的基礎(chǔ)上,對于復(fù)雜計算的題目,其計算將由計算機來完成,可以迅速得出結(jié)果,還可以很快作出相應(yīng)的圖表曲線,其物理本質(zhì)與規(guī)律性將一覽無遺;同時,可以方便、頻繁地應(yīng)用先進(jìn)的軟件工具與方法對基本原理、計算方法、先進(jìn)技術(shù)、復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)的實驗研究。過去很長時間才能算出的結(jié)果,現(xiàn)在只需使用幾條指令,不但有了結(jié)果,而且連曲線圖都畫出來了,這不僅提高了學(xué)習(xí)相關(guān)知識的效率,反過來又加深了對數(shù)理知識和專業(yè)知識的理解。參與者的創(chuàng)造性、想象力也可以在仿真平臺上盡情地發(fā)揮與展現(xiàn)。每個仿真模型建立的過程,從構(gòu)思、建設(shè)到調(diào)試通過,直至最后得出結(jié)果,就是一次對專業(yè)知識、數(shù)理基礎(chǔ)和計算機知識的復(fù)習(xí)、鞏固、完善與提高的過程。因此,采用仿真實驗的方法既加深了對數(shù)理基礎(chǔ)、專業(yè)知識的理解,又提高了學(xué)習(xí)效率。1.1.2科學(xué)研究、產(chǎn)品研發(fā)與仿真實驗

隨著信息科學(xué)的迅速發(fā)展,用于研發(fā)、測試的儀器的更新速度也同步加快;伴隨著技術(shù)含量的提高,這些儀器的價格也越來越昂貴。然而,并不是所有從事研究與開發(fā)工作的工程技術(shù)人員都能夠擁有與科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程相應(yīng)的儀器設(shè)備。由于計算機仿真可用于大部分電子工程、現(xiàn)代通信技術(shù)和通信系統(tǒng)的實驗研究工作，因此采用計算機仿真的方法可以在一定程度上克服沒有儀器設(shè)備所帶來的問題,在計算機及相應(yīng)軟件的配合下,通過專門學(xué)習(xí)就可以完成相應(yīng)的實驗。傳統(tǒng)的研究與開發(fā)工作是從購買元件、做印制電路板、搭建電路、配置相應(yīng)的儀器開始的。這樣的方法在大多數(shù)場合已顯得很落后。新一代通信產(chǎn)品甚至家用電器,都已經(jīng)進(jìn)入了采用DSP、PLD和FPGA芯片的時代。以前要一大堆器件才能夠?qū)崿F(xiàn)的功能,現(xiàn)在通過對上述芯片的開發(fā),最后用芯片制成功能強大、批量生產(chǎn)、廉價定制的集成電路就可實現(xiàn)。設(shè)備的功能變強了,體積縮小了,可靠性提高了,價格降低了?，F(xiàn)代通信設(shè)備及通信系統(tǒng)的設(shè)計步驟是:需求分析,方案設(shè)計,建模,仿真實驗,制作芯片,設(shè)備制造和系統(tǒng)集成。對建模、仿真技術(shù)的掌握,可使研發(fā)者在研究、開發(fā)領(lǐng)域大有作為。誰開發(fā)了芯片,誰就擁有了自主的知識產(chǎn)權(quán)。建模、仿真能力對年輕一代的IT技術(shù)人才而言已經(jīng)不是特長,而是基本的技能和交流工具。ITU(國際電信聯(lián)盟)第三代通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)討論規(guī)定:技術(shù)文本與仿真結(jié)果必須同時提交,并且鼓勵對其他公司提交的方案進(jìn)行仿真驗證。我們學(xué)習(xí)掌握MATLAB軟件工具,在某種意義上說是在科學(xué)計算、工程設(shè)計和工具應(yīng)用上與國際接軌。1.2電子通信系統(tǒng)的建模與仿真1.2.1通信與電子系統(tǒng)仿真的概念系統(tǒng)仿真(Simulation)技術(shù)也稱為系統(tǒng)模擬技術(shù),本書中特指自1970年以來發(fā)展起來的利用現(xiàn)代計算機和仿真軟件進(jìn)行仿真的計算機仿真技術(shù)。計算機仿真具有精度高、通用性強、重復(fù)性好、建模迅速以及成本低廉等優(yōu)點,尤其是近年來發(fā)展了以MATLAB/Simulink為代表的多種科學(xué)計算和系統(tǒng)仿真語言,使得其比利用傳統(tǒng)的C/C++語言進(jìn)行仿真方便快捷得多。系統(tǒng)仿真技術(shù)在國內(nèi)學(xué)術(shù)界和科技界的迅速普及,也大大提高了科學(xué)研究的效率。本書是以MATLAB/Simulink為仿真語言進(jìn)行系統(tǒng)仿真實驗的。(本書假定讀者已經(jīng)具有MATLAB/Simulink和數(shù)值計算的基礎(chǔ)知識,并對信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、通信原理有所了解。)所謂電子通信系統(tǒng)的計算機仿真,就是利用計算機對實際電子通信系統(tǒng)的物理模型或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實驗,通過這樣的模型實驗來對一個實際系統(tǒng)的性能和工作狀態(tài)進(jìn)行分析和研究。當(dāng)在實際電子通信系統(tǒng)中進(jìn)行實驗研究比較困難或者根本無法實現(xiàn)時,仿真技術(shù)就成為了必然的選擇。例如,要測試某種調(diào)制方式在時變多徑無線電信道中的性能表現(xiàn),通常只能通過建立時變多徑無線電信道的數(shù)學(xué)模型,利用計算機來實現(xiàn)仿真的無線電信道,通過數(shù)值計算以及蒙特卡羅方法進(jìn)行仿真研究。又如,在對新一代通信體制進(jìn)行性能分析和系統(tǒng)設(shè)計時,實際系統(tǒng)根本不存在,因此必須采用仿真手段。電子通信系統(tǒng)是以電信號作為主要的信息載體,以信息傳輸和處理為目的的一類工程系統(tǒng),是由一系列稱為實體的系統(tǒng)元素相互關(guān)聯(lián)而組成的具有一定功能的集合體。對電子通信系統(tǒng)的研究一般是通過建立系統(tǒng)模型來進(jìn)行的。系統(tǒng)模型是對系統(tǒng)某一方面特定性能的一種抽象形式。例如,在對小信號放大器的研究中,針對直流分析時可建立其直流等效電路模型,而針對交流分析時又要使用其交流等效電路模型。通過對模型的分析和研究,就能夠認(rèn)識原型系統(tǒng)某一方面的物理本質(zhì)。對模型的分析和研究通常采用解析計算和數(shù)值計算兩種方法,解析計算也就是所謂的理論分析方法,而數(shù)值計算則是計算機仿真分析方法之一。解析計算和數(shù)值計算可以相互印證。對于較為復(fù)雜的系統(tǒng),特別是當(dāng)這樣的系統(tǒng)處于受某種隨機因素影響的環(huán)境中時,解析計算通常是不可能的,即便可能也只是近似的,在這種情況下，數(shù)值計算就顯示出了其特有的優(yōu)勢。因此,建模是系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)。系統(tǒng)的相似性原理指出,對于自然界中的任何一種系統(tǒng),均存在另一個系統(tǒng),兩者在某種意義上可以進(jìn)行相似的數(shù)學(xué)或物理的描述,例如,力學(xué)中的單擺系統(tǒng)與電學(xué)中的LC振蕩電路具有相似的數(shù)學(xué)方程描述。所以,在某種意義上,系統(tǒng)可以用物理模型或數(shù)學(xué)模型來近似。本書中,電子通信系統(tǒng)的物理模型特指利用電源、電阻、電容、電感和晶體管等電子器件所搭建的電子線路。通過物理模型可以進(jìn)一步抽象出其數(shù)學(xué)模型。計算機仿真的本質(zhì)是對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計算。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是通過抽象的數(shù)學(xué)方程來描述系統(tǒng)內(nèi)部物理變量之間的關(guān)系從而建立的模型。對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究(解析的或數(shù)值的)就可以揭示系統(tǒng)內(nèi)在的隨時間變化的性能。按照系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì),可將系統(tǒng)劃分為無記憶系統(tǒng)和有記憶系統(tǒng)兩大類。無記憶系統(tǒng)又稱為靜態(tài)系統(tǒng),其數(shù)學(xué)描述的一般形式是代數(shù)方程、邏輯表達(dá)式等。有記憶系統(tǒng)又稱為動態(tài)系統(tǒng),其數(shù)學(xué)描述的一般形式是微分方程、差分方程和排隊論等,特別是在現(xiàn)代系統(tǒng)分析理論中,常常將微分方程或差分方程采用其等效形式——傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程來描述。狀態(tài)方程的數(shù)值求解是Simulink系統(tǒng)仿真工作的基礎(chǔ)。采用微分方程形式描述的系統(tǒng)稱為連續(xù)系統(tǒng)。采用差分方程形式描述的系統(tǒng)稱為時間離散系統(tǒng)。如果系統(tǒng)是采用微分方程和差分方程共同來描述的,則稱為(連續(xù)和離散)混合系統(tǒng)。本質(zhì)上,只要能夠構(gòu)造出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,就可以用MATLAB/Simulink對任意系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。但在實際應(yīng)用中,就方便性而言,MATLAB/Simulink特別適合于針對電子通信系統(tǒng)模塊的系統(tǒng)級仿真,而對于電子通信系統(tǒng)的電路級仿真則顯得不太方便,即MATLAB/Simulink的R14版本還不能夠?qū)⑽锢砟Ｐ?電路)自動轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行分析。對電子電路進(jìn)行仿真的首選軟件仍然是Pspice。1.2.2計算機仿真的步驟

計算機仿真的一般步驟如下所述。

1.仿真問題的提出

進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計之前,應(yīng)該有一個完整、準(zhǔn)確的需求說明。建立系統(tǒng)仿真的第一步,就是要清楚、準(zhǔn)確地提出仿真實驗所要解決的問題。

2.仿真系統(tǒng)分析對所提出的仿真系統(tǒng)給出詳細(xì)定義,明確系統(tǒng)中的模塊、系統(tǒng)構(gòu)成、模塊之間的相互關(guān)系、系統(tǒng)的輸入/輸出、邊界條件以及系統(tǒng)的約束條件,并確定仿真所要達(dá)到的目標(biāo)。

3.建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)仿真系統(tǒng)分析的結(jié)果,確定系統(tǒng)中的參數(shù)、變量及其相互之間的關(guān)系,并以數(shù)學(xué)形式將這些關(guān)系描述出來,從而構(gòu)成仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)建模是系統(tǒng)仿真中最關(guān)鍵的一步,所建立的數(shù)學(xué)模型必須盡可能準(zhǔn)確地反映所關(guān)心的真實系統(tǒng)的特性,而又不能過于復(fù)雜,以免降低模型的效率,增加不必要的計算過程。即建模需要根據(jù)求解問題的要求,在模型的近似程度與復(fù)雜程度之間折中。電子與通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通常以方框圖形式或數(shù)學(xué)方程形式來表達(dá)。

4.數(shù)據(jù)收集根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型所需要的數(shù)據(jù)元素,收集與模型系統(tǒng)有關(guān)的數(shù)據(jù)。例如,對一個放大器建模之后,就需要選擇其中的晶體管等各元器件的型號(物理參數(shù))。

5.根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立系統(tǒng)的計算機仿真模型

系統(tǒng)的計算機仿真模型是指數(shù)學(xué)模型的計算機實現(xiàn)。確定計算機仿真模型就是根據(jù)數(shù)學(xué)模型和收集的數(shù)據(jù),確定其中各子模塊的結(jié)構(gòu)、輸入/輸出接口、輸入/輸出的數(shù)據(jù)表達(dá)形式及數(shù)據(jù)的存儲方式等。然后編制相應(yīng)的程序流程,最后選擇某種程序設(shè)計語言編程實現(xiàn)。

MATLAB/Simulink屬于一種通用的科學(xué)計算和系統(tǒng)仿真語言。在MATLAB/Simulink下,從數(shù)學(xué)模型到計算機仿真模型的轉(zhuǎn)換非常容易，MATLAB/Simulink提供了以下三種方法來實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。

(1)M文件編程實現(xiàn)的方法:根據(jù)數(shù)學(xué)模型所建立的方程和數(shù)據(jù)參數(shù),通過編程實現(xiàn)方程的表示和數(shù)值求解。其特點是靈活性好,數(shù)學(xué)關(guān)系顯式地表達(dá)在程序語句之中,但是仿真的直觀性方面稍顯欠缺,通常在仿真計算完畢之后才能看到結(jié)果。M文件編程實現(xiàn)的方法是基于數(shù)據(jù)流的仿真方法。

(2)Simulink方法:可以根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立對應(yīng)的系統(tǒng)方框圖,通過所見即所得的方式連接模塊,然后選擇求解方式和精度,運行仿真。其特點是直觀性好,可以在仿真過程中實時地修改系統(tǒng)模塊的參數(shù),并能夠?qū)崟r地顯示當(dāng)前的仿真結(jié)果。Simulink仿真實現(xiàn)的方法是基于時間流的仿真方法。

(3)Simulink結(jié)合M文件編程的方法:這是前兩種方法的綜合應(yīng)用,同時具備圖形界面的直觀性和字符界面的強大功能。事實上,所有Simulink的模塊以及系統(tǒng)構(gòu)建、仿真參數(shù)、仿真求解算法等均可通過編程語句實現(xiàn)。與通過圖形界面交互完成的仿真過程相比較,通過編程語句實現(xiàn)將“手動”的仿真過程真正變成了“自動化”仿真過程。實際中,對于較為復(fù)雜的系統(tǒng),如整個通信接收機的仿真,往往采取Simulink結(jié)合M文件編程的方法。

6.仿真模型驗證

仿真模型驗證的目的是確定計算機仿真模型是否準(zhǔn)確表達(dá)了數(shù)學(xué)模型。由于計算機仿真模型是由程序?qū)崿F(xiàn)的數(shù)學(xué)模型,因此編制程序的錯誤、求解問題方法選擇不當(dāng)?shù)染鶗?dǎo)致仿真結(jié)果偏離真實值。在利用C語言等編制仿真程序時,程序調(diào)試、數(shù)值算法調(diào)試等都是一件不容易的事情。MATLAB/Simulink提供了非常穩(wěn)定的數(shù)值計算函數(shù),并且由于MATLAB語言更接近數(shù)學(xué)語言表達(dá),使得在程序調(diào)試、查錯排錯上的花費大大減少,因而用戶可以將大量精力集中于數(shù)學(xué)建模和仿真結(jié)果分析上,而不是將時間消耗在程序調(diào)試之中。仿真模型驗證通常采用的方法是將數(shù)學(xué)模型的解析結(jié)果(或理論結(jié)果)與仿真所得到的數(shù)值結(jié)果相比較來完成的;或通過已知的系統(tǒng)輸入/輸出結(jié)果,對比在相同條件下的系統(tǒng)仿真結(jié)果來驗證仿真模型的正確性。

7.仿真模型的確認(rèn)

仿真模型的確認(rèn)就是確定仿真模型是否按照設(shè)計所要求的精度來代表實際的系統(tǒng),即仿真模型是否合理?？赏ㄟ^將模型與現(xiàn)實系統(tǒng)相比較來確認(rèn)仿真模型。例如,對于無線電信道可以有不同的數(shù)學(xué)建模,而這些數(shù)學(xué)模型對于特定條件下的實際無線電信道的近似程度往往是不同的。模型驗證和確認(rèn)對于系統(tǒng)仿真結(jié)果的有效性是至關(guān)重要的。工程實踐中,在圖上作業(yè)時,經(jīng)仿真實驗得出相關(guān)結(jié)果后,還要進(jìn)行現(xiàn)場踏勘。此時可以驗證建模與仿真的結(jié)論與實際測量結(jié)果的差異,對仿真模型進(jìn)行分析和評估。但是,目前系統(tǒng)仿真界對模型驗證和確認(rèn)的理論研究還比較少,重視程度也不夠。

8.仿真實驗設(shè)計

仿真實驗設(shè)計就是確定仿真實驗方案,包括系統(tǒng)激勵信號設(shè)計、系統(tǒng)仿真時間設(shè)計、仿真運行次數(shù)設(shè)計以及仿真系統(tǒng)的其他參數(shù)設(shè)計等。

9.計算機仿真模型的運行

根據(jù)仿真實驗設(shè)計的方案,讓計算機執(zhí)行計算,并在執(zhí)行計算的過程中了解仿真模型對于各種不同輸入信號以及不同參數(shù)和仿真機制下的輸出,得出實驗數(shù)據(jù),從而預(yù)測系統(tǒng)在實際環(huán)境中