通信系统仿真原理与无线应用

1通信系统仿真原理与无线应用PrinciplesofCommunicationSystemsSimulationwithWirelessApplications2学习意义设计和分析复杂的现代通信系统，仿真往往必不可少的环节基于仿真的设计和分析方法成为整个通信产业中广泛使用的工具通晓仿真方法对通信领域的许多研究生的研究工作是一大支持学习仿真的学生在毕业后进入通信领域时，就已经掌握了业界所需的技能3第一部分概论第一章仿真的作用现代通信系统的复杂性促进了仿真的广泛使用。这种复杂性源自现代通信系统的结构和系统运行时所处的环境。具体表现：复杂的调制和脉冲成形技术差错控制和接收端的高级信号处理技术严格的同步技术蜂窝通信中的干扰、多径和阴影效应4仿真技术赖以发展的基础数字计算机发展迅速功能强大面向通信系统的软件包的开发实用的计算能力（表现为微处理器形式）仿真理论领域的迅速发展---仿真工具、方法、技术论文和书籍5使用仿真的重要动机仿真是深入理解系统特性的有价值的工具很方便地对要研究的系统进行多点测量很容易作参数研究很快观测到这些改变对系统性能的影响很容易产生时域波形、信号频谱、眼图、信号星座图、直方图和许多其他图形可以将仿真图形跟系统硬件产生的等效显示作比较仿真的主要作用不在于获得数值而在于获得深入的理解61.1系统复杂性程度示例A.易于解析处理的系统7A.易于解析处理的系统原因：信道是AWGN信道，接收机是线性的匹配滤波器是线性系统判决统计量是高斯随机变量假设数据源为无记忆假设理想的符号同步意义：可以作为更复杂的系统的基本模块；开发出的仿真能容易得到验证8B.需繁琐解析处理的系统9B.需繁琐解析处理的系统调制器与HPA后面的滤波器导致信号时间扩散，从而在时间上滤波后的信号不再局限在符号周期内，导致符号间干扰（ISI）。符号差错概率的计算将十分繁琐，经常需要用到仿真方法。重要特性：噪声注入点到统计量采集点之间的系统是线性的，即统计量为Vk=Sk+Ik+Nk10C.难以解析处理的系统11C.难以解析处理的系统难点：接收机的噪声由两部分组成。对上行链路噪声建模比较困难，即使上行链路是高斯的，判决统计量的概率密度函数还是很难确定。因此，其性能估计必须依赖于仿真。121.2仿真的多学科特点影响研究通信系统仿真的领域线性系统理论通信原理数字信号处理(DSP)数值分析概率论估值理论计算机科学随机过程理论数论131.3仿真的作用链路预算与系统级标校过程链路预算主要是功率计算，包括发送功率、天线增益、路径损耗、功率增益、放大器和滤波器的噪声系数关键元件的实现与测试完成硬件原型与验证仿真模型生命终结预测14第一部分概论第二章仿真方法论2.1概述仿真问题涉及的步骤：将给定问题映射为仿真模型。把整个问题分解为一组小一些的问题。选择一套合适的建模、仿真和估计方法，并将其用于解决这些子问题。综合各子问题的解决结果以提供对整个问题的解决方案。15通信系统的基本目的是处理波形和符号通信系统仿真试图模拟这个过程（通过产生和处理这些波形的采样值）运行仿真的过程：用合适的输入波形驱动模型以产生输出波形分析波形以优化设计参数或获得性能指标162.2方法论的各方面方法论中最难的步骤之一是将设计或性能估计问题映射为仿真模型，其实现的好坏决定了运行仿真所需的机时和仿真结果的精度。用来解决设计或性能估计问题的整体方法或方法论取决于具体问题的性质。A.将问题映射到仿真模型例：均衡器设计系统性能评估最终的仿真模型可通过简化初始方框图而产生。递阶表示划分与条件化简化17B.单个模块的建模低通等效表示采样线性与非线性时不变性记忆性时域或频域仿真块处理变步长处理参数确定与其他模块的接口18C.随机过程建模与仿真高斯近似等效过程表示慢过程和快过程192.3性能估计202.3性能估计BER是使用蒙特卡洛方法来确定的。BER为：差错概率的估计为：NeNEPNeNNEPlim21第二部分基本概念与方法第三章采样与量化3.1采样低通采样定理如果采样频率fS大于2fh，那么带限信号就可以无差错地通过其采样信号恢复。确定性信号)()()()2exp()()()()(fPfXfXtnfjCtptptxtxsnsns223.1采样随机信号注：为了避免混叠现象，随机信号的采样频率仍然需要信号最高频率的2倍以上。nsXsXsnss)nff(Sf)f(S)DTkt()t(P)t(P)t(X)t(X2233.1采样带通采样定理如果带通信号的带宽为Ｂ，最高频率为fh，那么可以用大小为fｓ＝２fh/m的采样频率来采样并恢复信号，其中ｍ是不超过fh/Ｂ的最大整数。更高的采样频率未必全部能用，除非它高于２fh。注：对于f０远大于Ｂ的情况，带通采样定理规定的采样频率近似等于下界２Ｂ。24同相/正交信号采样带通信号可表示为注：和都是低通信号和也是低通信号)t(Atfsin2)t(x-tfcos2)t(x)t(xtfsin2)t(sin)t(Atfcos2)t(cos)t(A)t(x)t(tf2cos)t(A)t(xcqcdccc)t(cos)t(xd)t(xq25带通信号对应的复包络定义如下对应的频域表示为对于xd(t)和xq(t)的最高频率是B/2，其每个的最小采样频率都是B。由于必须采样两个低通信号[xd(t),xq(t)]，因此必须使用超过2B的采样率。)t(jx)t(x)t(x~qd)f(jX)f(X)f(X~qd26例题考虑用一组采样点来表示1秒钟的某调频(FM)信号，已知载波频率为100MHz,调制信号中出现的最高频率为15KHz，试计算采样点数。（调频指数为mf=5）解：根据卡森准则可得已调信号带宽B=2(mf+1)W=2(5+1)15=180KHz1.已调信号的最高频率fm=100,090KHz，根据低通采样定理，采样1秒，需要200,180,000个采样点。2.现采用同相/正交形式的信号表示FM信号，其同相和正交分量的带宽为B/2，即90KHz，因而采样1秒,xd(t)和xq(t)每个至少要180,000个采样点,这样,合计1秒共有360,000个采样点。节约了200,180,000/360,000≈556273.2量化设有n个量化级，每个量化级用一个长度为b比特的二进制字表示，则有n=2b量化信号xq[k]=x[k]+eq[k]量化信噪比(SNR)q=S/Nq=E{x2[k]}/E{e2q[k]}28量化误差的pdf是计算机所使用的数字表示格式的函数。定点运算阐明量化误差的基本产生基理；运算速度比浮点计算快；定点处理器的功耗比较低。(SNR)q=4.7712+20log10Fc+6.0206bdB浮点运算浮点数的格式为±M*(±10^E)，其中M和E分别是尾数和指数ANSI/IEEE标准规定：尾数用53bit，指数用11bit表示29MATLAB确定计算机是否采用IEEE标准的方法由浮点格式产生的重要参数分辨率（eps)最大数（realmax)最小数（realmin)30%File:mparameters.mformatlong%显示双精度%a=['Thevalueofisieeeis',num2str(isieee),'.'];b=['Thevalueofepsis',num2str(eps,15),'.'];c=['Thevalueofrealmaxis',num2str(realmax,15),'.'];d=['Thevalueofrealminis',num2str(realmin,15),'.'];%disp(a)%显示isieeedisp(b)%显示epsdisp(c)%显示realmaxdisp(d)%显示realminformatshort%恢复默认精度%EndscriptfileThevalueofepsis2.22044604925031e-016.Thevalueofrealmaxis1.79769313486232e+308.Thevalueofrealminis2.2250738585072e-308.31A=1-0.4-0.3-0.2-0.1A=-2.7756e-017结论：由浮点数算术引入的误差确实很小，在多数的应用中可以忽略。但误差不是0，因此计算的结果通常是不精确的。注意：在开发DSP算法时必须小心，以保证有限字长效应对算法的影响降到最小323.3重构与内插重构：从采样序列恢复时间连续信号方法：将采样点通过具有冲激响应h(t)的线形滤波器，即xr(t)=xs(t)h(t)采样信号：kkssss)kTt()kT(x)kT-(tt(x)t(x）33重构信号：问题：h(t)=?，在可以接受的计算负荷范围内获得满意的结果kssrkssr)kTt(h)kT(x)t(x)t(h)kTt()kT(x)t(x343.3.1理想重构若带限信号使用超过2fh的采样频率进采样，则可以通过带宽为fs/2的理想低通滤波器来重构。35重构滤波器的冲激响应为)tf(sinc)tf(sint1T)tfj(exp)tfj(expTdf)ftj2(expT)t(hssssstj21s2/f2/fsss36重构信号形式：结论：若x(t)是带限，且采样速率足够高，则xr(t)=x(t)，即可以得到信号的完全重构。kssr)kTt(sinc)kT(x)t(x373.3.2上采样与下采样直序扩频系统383.3.2上采样与下采样问题提出：直序扩频系统中会同时出现窄带和宽带信号，如何确定采样频率？解决办法：采用两个采样率在窄带到宽带的分界处提高采样频率通过上采样后加内插来完成在宽带到窄带的分界处降低采样频率通过抽值来完成39上采样和内插采样周期：Tu=Ts/M采样时刻：t=nTs/M采样过程：从原有采样值x(kTs)生成新采样值x(kTs/M)采样信号：实际信号：kssui)kMn(sinc)kT(x)M/nT(x)nT(xLLkssui)kMn(sinc)kT(x)M/nT(x)nT(x40线性内插器的脉冲响应%File:lininterp.mfunctionh=lininterp(M)%M=8;h1=zeros(1,(M-1));forj=1:(M-1)h1(j)=j/M;endh=[0,h1,1,fliplr(h1),0];%plot([-M:M],h,'go')%Endoffunctionfile其他，0)1M(,,2,1,0k,M/)kM(kh-10-5051000.20.40.60.81Kh(k)线性内插器脉冲响应41上采样过程1.从x[k]得到xu[k]2.通过xu[k]和h[k]卷积完成内插%File:upsample.mfunctionout=upsample(in_seq,M)%M=3;in_seq=[1234];L=length(in_seq);out=zeros(1,(L-1)*M+1);forj=1:Lout(M*(j-1)+1)=in_seq(j);end%Endfunctionfile.%out其他,,2M,M,0k,,0k/Mxkxu42上采样和内插仿真实例%File:Ex_upsample.mM=4;%上采样因子%线性插值器脉冲响应h=lininterp(M);t=0:10;tu=0:40;x=sin(2*pi*t/10);xu=upsample(x,M);subplot(3,1,1);stem(t,x,‘bo’);ylabel('x')subplot(3,1,2)stem(tu,xu,‘mo’);ylabel('xu')xi=conv(h,xu