《通信系統(tǒng)中MATLAB基礎(chǔ)與仿真應(yīng)用》課件-第1章

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(shí)的學(xué)習(xí)

在通常的學(xué)習(xí)過程中,數(shù)理知識(shí)和專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)與實(shí)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(shí)驗(yàn)來完成二者的結(jié)合的。所學(xué)的抽象理論、復(fù)雜的計(jì)算,由于實(shí)踐的機(jī)會(huì)不多,且間隔周期又長(zhǎng),因而難以較快地掌握。當(dāng)結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí),在掌握了原理與方法的基礎(chǔ)上,對(duì)于復(fù)雜計(jì)算的題目,其計(jì)算將由計(jì)算機(jī)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(shí),可以方便、頻繁地應(yīng)用先進(jìn)的軟件工具與方法對(duì)基本原理、計(jì)算方法、先進(jìn)技術(shù)、復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)研究。過去很長(zhǎng)時(shí)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(shí)的效率,反過來又加深了對(duì)數(shù)理知識(shí)和專業(yè)知識(shí)的理解。參與者的創(chuàng)造性、想象力也可以在仿真平臺(tái)上盡情地發(fā)揮與展現(xiàn)。每個(gè)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(duì)專業(yè)知識(shí)、數(shù)理基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)知識(shí)的復(fù)習(xí)、鞏固、完善與提高的過程。因此,采用仿真實(shí)驗(yàn)的方法既加深了對(duì)數(shù)理基礎(chǔ)、專業(yè)知識(shí)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(shí)驗(yàn)

隨著信息科學(xué)的迅速發(fā)展,用于研發(fā)、測(cè)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(jià)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(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)研究工作，因此采用計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的研究與開發(fā)工作是從購(gòu)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(chǎng)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(shí)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(duì)上述芯片的開發(fā),最后用芯片制成功能強(qiáng)大、批量生產(chǎn)、廉價(jià)定制的集成電路就可實(shí)現(xiàn)。設(shè)備的功能變強(qiáng)了,體積縮小了,可靠性提高了,價(jià)格降低了。現(xiàn)代通信設(shè)備及通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟是:需求分析,方案設(shè)計(jì),建模,仿真實(shí)驗(yàn),制作芯片,設(shè)備制造和系統(tǒng)集成。對(duì)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(shuí)開發(fā)了芯片,誰(shuí)就擁有了自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。建模、仿真能力對(duì)年輕一代的IT技術(shù)人才而言已經(jīng)不是特長(zhǎng),而是基本的技能和交流工具。ITU(國(guó)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(shí)提交,并且鼓勵(lì)對(duì)其他公司提交的方案進(jìn)行仿真驗(yàn)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(jì)算、工程設(shè)計(jì)和工具應(yīng)用上與國(guó)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(jì)算機(jī)和仿真軟件進(jìn)行仿真的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真具有精度高、通用性強(qiáng)、重復(fù)性好、建模迅速以及成本低廉等優(yōu)點(diǎn),尤其是近年來發(fā)展了以MATLAB/Simulink為代表的多種科學(xué)計(jì)算和系統(tǒng)仿真語(yǔ)言,使得其比利用傳統(tǒng)的C/C++語(yǔ)言進(jìn)行仿真方便快捷得多。系統(tǒng)仿真技術(shù)在國(guó)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(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的。(本書假定讀者已經(jīng)具有MATLAB/Simulink和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)知識(shí),并對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、通信原理有所了解。)所謂電子通信系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真,就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際電子通信系統(tǒng)的物理模型或數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn),通過這樣的模型實(shí)驗(yàn)來對(duì)一個(gè)實(shí)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(shí)際電子通信系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究比較困難或者根本無法實(shí)現(xiàn)時(shí),仿真技術(shù)就成為了必然的選擇。例如,要測(cè)試某種調(diào)制方式在時(shí)變多徑無線電信道中的性能表現(xiàn),通常只能通過建立時(shí)變多徑無線電信道的數(shù)學(xué)模型,利用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)仿真的無線電信道,通過數(shù)值計(jì)算以及蒙特卡羅方法進(jìn)行仿真研究。又如,在對(duì)新一代通信體制進(jìn)行性能分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),實(shí)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(hào)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(shí)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(duì)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(duì)系統(tǒng)某一方面特定性能的一種抽象形式。例如,在對(duì)小信號(hào)放大器的研究中,針對(duì)直流分析時(shí)可建立其直流等效電路模型,而針對(duì)交流分析時(shí)又要使用其交流等效電路模型。通過對(duì)模型的分析和研究,就能夠認(rèn)識(shí)原型系統(tǒng)某一方面的物理本質(zhì)。對(duì)模型的分析和研究通常采用解析計(jì)算和數(shù)值計(jì)算兩種方法,解析計(jì)算也就是所謂的理論分析方法,而數(shù)值計(jì)算則是計(jì)算機(jī)仿真分析方法之一。解析計(jì)算和數(shù)值計(jì)算可以相互印證。對(duì)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(jī)因素影響的環(huán)境中時(shí),解析計(jì)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(jì)算就顯示出了其特有的優(yōu)勢(shì)。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(duì)于自然界中的任何一種系統(tǒng),均存在另一個(gè)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(jì)算機(jī)仿真的本質(zhì)是對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(duì)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(shí)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(dòng)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(duì)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(shí)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(duì)任意系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。但在實(shí)際應(yīng)用中,就方便性而言,MATLAB/Simulink特別適合于針對(duì)電子通信系統(tǒng)模塊的系統(tǒng)級(jí)仿真,而對(duì)于電子通信系統(tǒng)的電路級(jí)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(dòng)轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行分析。對(duì)電子電路進(jìn)行仿真的首選軟件仍然是Pspice。1.2.2計(jì)算機(jī)仿真的步驟

計(jì)算機(jī)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(jì)之前,應(yīng)該有一個(gè)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(shí)驗(yàn)所要解決的問題。

2.仿真系統(tǒng)分析對(duì)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(shí)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(jì)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(duì)一個(gè)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(hào)(物理參數(shù))。

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

系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真模型是指數(shù)學(xué)模型的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。確定計(jì)算機(jī)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(chǔ)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(jì)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。

MATLAB/Simulink屬于一種通用的科學(xué)計(jì)算和系統(tǒng)仿真語(yǔ)言。在MATLAB/Simulink下,從數(shù)學(xué)模型到計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。

(1)M文件編程實(shí)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(shí)現(xiàn)方程的表示和數(shù)值求解。其特點(diǎn)是靈活性好,數(shù)學(xué)關(guān)系顯式地表達(dá)在程序語(yǔ)句之中,但是仿真的直觀性方面稍顯欠缺,通常在仿真計(jì)算完畢之后才能看到結(jié)果。M文件編程實(shí)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(duì)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(yùn)行仿真。其特點(diǎn)是直觀性好,可以在仿真過程中實(shí)時(shí)地修改系統(tǒng)模塊的參數(shù),并能夠?qū)崟r(shí)地顯示當(dāng)前的仿真結(jié)果。Simulink仿真實(shí)現(xiàn)的方法是基于時(shí)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(shí)具備圖形界面的直觀性和字符界面的強(qiáng)大功能。事實(shí)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(yǔ)句實(shí)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(yǔ)句實(shí)現(xiàn)將“手動(dòng)”的仿真過程真正變成了“自動(dòng)化”仿真過程。實(shí)際中,對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng),如整個(gè)通信接收機(jī)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(yàn)證

仿真模型驗(yàn)證的目的是確定計(jì)算機(jī)仿真模型是否準(zhǔn)確表達(dá)了數(shù)學(xué)模型。由于計(jì)算機(jī)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(cuò)誤、求解問題方法選擇不當(dāng)?shù)染鶗?huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果偏離真實(shí)值。在利用C語(yǔ)言等編制仿真程序時(shí),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(jì)算函數(shù),并且由于MATLAB語(yǔ)言更接近數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá),使得在程序調(diào)試、查錯(cuò)排錯(cuò)上的花費(fèi)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(shí)間消耗在程序調(diào)試之中。仿真模型驗(yàn)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(duì)比在相同條件下的系統(tǒng)仿真結(jié)果來驗(yàn)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(jì)所要求的精度來代表實(shí)際的系統(tǒng),即仿真模型是否合理?？赏ㄟ^將模型與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)相比較來確認(rèn)仿真模型。例如,對(duì)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(duì)于特定條件下的實(shí)際無線電信道的近似程度往往是不同的。模型驗(yàn)證和確認(rèn)對(duì)于系統(tǒng)仿真結(jié)果的有效性是至關(guān)重要的。工程實(shí)踐中,在圖上作業(yè)時(shí),經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)得出相關(guān)結(jié)果后,還要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘。此時(shí)可以驗(yàn)證建模與仿真的結(jié)論與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的差異,對(duì)仿真模型進(jìn)行分析和評(píng)估。但是,目前系統(tǒng)仿真界對(duì)模型驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)就是確定仿真實(shí)驗(yàn)方案,包括系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真時(shí)間設(shè)計(jì)、仿真運(yùn)行次數(shù)設(shè)計(jì)以及仿真系統(tǒng)的其他參數(shù)設(shè)計(jì)等。

9.計(jì)算機(jī)仿真模型的運(yùn)行

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案,讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行計(jì)算,并在執(zhí)行計(jì)算的過程中了解仿真模型對(duì)于各種不同輸入信號(hào)以及不同參數(shù)和仿真機(jī)制下的輸出,得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從而預(yù)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中