摘 要：闡述了仿真技術(shù)的內(nèi)涵，介紹了通信仿真的一般步驟。結(jié)合Ka波段信道編碼的建模與仿真實(shí)例，基于蒙特卡洛仿真技術(shù)，使用Simulink搭建其仿真模型并進(jìn)行仿真，在此基礎(chǔ)上給出一個(gè)完整的通信系統(tǒng)的仿真模型，通過(guò)系統(tǒng)的仿真與分析可以看出Simulink在系統(tǒng)建模和仿真中的巨大優(yōu)勢(shì)。最后根據(jù)仿真結(jié)果分析系統(tǒng)性能，驗(yàn)證了模型的正確性。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)仿真；通信仿真；蒙特卡洛仿真；Simulink

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1705104

Modeling and Simulation of Channel Coding Based on Ka-Band

GU Hailong，CHEN Shuxin，WANG Xingliang

(Telecommunication Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xi′an，710077，China)

Abstract：This paper expatiates the connotation of simulation technique and gives an introduction to the ecumenical steps of communication simulation.The example of modeling and simulation of channel coding based on Ka-band in Simulink is given，which utilizes the Monte Carlo simulation technique.Through that，an integrated simulation model of communication system is given and the large advantage of Simulink in system modeling and simulation has been brought forth.In the final of the paper，the correctness of the model is validated by analyzing the simulation results.

Keywords：system simulation；communication simulation；Monte Carlo simulation；Simulink

1 引 言

近年來(lái)，在系統(tǒng)科學(xué)、控制理論、信息處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)下，仿真科學(xué)在理論研究、工程應(yīng)用、仿真工程和工具開(kāi)發(fā)環(huán)境等許多方面取得了令人矚目的成就，并已經(jīng)逐漸發(fā)展為一門(mén)綜合性學(xué)科。

蒙特卡洛(Monte Carlo)仿真技術(shù)是系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，其基本思想可以這樣描述：當(dāng)所求問(wèn)題的解是某個(gè)事件的概率，某個(gè)隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望，或者是與概率、數(shù)學(xué)期望有關(guān)的函數(shù)時(shí)，通過(guò)某種試驗(yàn)的方法，可以得出該事件發(fā)生的頻率，或者該隨機(jī)變量若干個(gè)具體觀察值的算術(shù)平均值，通過(guò)它們就可以得到問(wèn)題的解。

2 仿真技術(shù)

仿真技術(shù)^［1］是以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)以及仿真領(lǐng)域的有關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、與應(yīng)用有關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，利用模型對(duì)系統(tǒng)(已有的或設(shè)想的)進(jìn)行研究的一門(mén)多學(xué)科的綜合性技術(shù)。

仿真本質(zhì)上是一種知識(shí)處理的過(guò)程。典型的系統(tǒng)仿真過(guò)程包括：系統(tǒng)模型建立、仿真模型建立、仿真程序設(shè)計(jì)、模型確認(rèn)、仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析處理等，它涉及很多領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。系統(tǒng)仿真可以有很多種分類(lèi)方法。按模型的類(lèi)型可以分為連續(xù)系統(tǒng)仿真、離散系統(tǒng)仿真、連續(xù)/離散(時(shí)間)混合系統(tǒng)仿真和定性系統(tǒng)仿真；按仿真的實(shí)現(xiàn)方法和手段可以分為物理仿真、計(jì)算機(jī)仿真、硬件在回路中的仿真(半實(shí)物仿真)和人在回路中的仿真；根據(jù)人和設(shè)備的真實(shí)程度，可以分為實(shí)況仿真、虛擬仿真和構(gòu)造仿真。而本文所采用的基于Matlab/Simulink的蒙特卡洛仿真技術(shù)則屬于計(jì)算機(jī)仿真的一種。

實(shí)際的通信系統(tǒng)通常是一個(gè)具有較長(zhǎng)使用壽命的復(fù)雜系統(tǒng)，其運(yùn)行環(huán)境條件往往是變化的，這種變化有可能是周期的，但在大多數(shù)情況下是隨機(jī)的，例如，衛(wèi)星通信系統(tǒng)、短波通信系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程地面網(wǎng)絡(luò)等。對(duì)于這些復(fù)雜系統(tǒng)，它們不僅建設(shè)費(fèi)用高，而且維護(hù)費(fèi)用昂貴。因此，為了降低上述成本，在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和使用過(guò)程中引入仿真技術(shù)勢(shì)在必行。本文將從仿真學(xué)的角度，以Ka波段信道編碼的建模與仿真為實(shí)例，討論如何高效、簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確地構(gòu)建一個(gè)完整的通信系統(tǒng)仿真模型。

3 通信仿真及其一般步驟

通信仿真^［1］是仿真學(xué)科中的一個(gè)重要分支。實(shí)際的通信系統(tǒng)是一個(gè)功能結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，對(duì)這個(gè)系統(tǒng)做出的任何改變都可能影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。因此，在對(duì)原有的通信系統(tǒng)做出改進(jìn)或建立一個(gè)新系統(tǒng)之前，通常對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，通過(guò)仿真結(jié)果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)置，然后再應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中，這個(gè)過(guò)程就是通信仿真。

通信系統(tǒng)仿真一般分成三個(gè)步驟，即仿真建模、仿真實(shí)驗(yàn)和仿真分析。通信仿真是一個(gè)螺旋式發(fā)展的過(guò)程，因此，這三個(gè)步驟可能需要循環(huán)執(zhí)行多次之后才能獲得令人滿(mǎn)意的仿真結(jié)果。

3.1 仿真建模

仿真建模是根據(jù)實(shí)際通信系統(tǒng)建立仿真模型的過(guò)程，它是整個(gè)通信仿真過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵步驟，因?yàn)榉抡婺Ｐ偷暮脡闹苯佑绊懼抡娴慕Y(jié)果以及仿真結(jié)構(gòu)的真實(shí)性和可靠性。

在仿真建模過(guò)程中，首先需要分析實(shí)際系統(tǒng)存在的問(wèn)題或設(shè)立系統(tǒng)改造的目標(biāo)，并把這些問(wèn)題和目標(biāo)轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)變量和公式。確定了仿真目標(biāo)后，下一步是獲取實(shí)際通信系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)。同時(shí)，仿真模型的建立需要綜合考慮其可行性和簡(jiǎn)單性。

在以上工作準(zhǔn)備好之后，就是仿真軟件的選擇了。除了使用傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言外，目前工程技術(shù)人員比較傾向于更加專(zhuān)業(yè)和方便使用的專(zhuān)門(mén)的仿真軟件。常見(jiàn)的包括Matlab、OPNET和NS2等。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)是一個(gè)或一系列針對(duì)仿真模型的測(cè)試。在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通常需要多次改變仿真模型輸入信號(hào)的數(shù)值，以觀察和分析仿真模型對(duì)這些輸入信號(hào)的反應(yīng)，以及仿真系統(tǒng)在這個(gè)過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的性能。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，仿真過(guò)程中使用的輸入數(shù)據(jù)必須具有一定的代表性，即能夠從各個(gè)角度顯著地改變仿真輸出信號(hào)的數(shù)值。

對(duì)于需要較長(zhǎng)時(shí)間的仿真，應(yīng)該盡可能地使用批處理方式，使得仿真過(guò)程在完成一種參數(shù)配置的仿真之后，能夠自動(dòng)啟動(dòng)針對(duì)下一個(gè)參數(shù)配置的仿真。這種方式減少了仿真過(guò)程中的人工干預(yù)，提高了系統(tǒng)利用率和仿真效率。

3.3 仿真分析

仿真分析是一個(gè)通信仿真流程中的最后一個(gè)步驟。在仿真分析過(guò)程中，用戶(hù)已經(jīng)從仿真過(guò)程中獲得了足夠多的關(guān)于系統(tǒng)性能的信息，但是這些信息只是一些原始數(shù)據(jù)，一般還需要經(jīng)過(guò)數(shù)值分析和處理才能夠獲得衡量系統(tǒng)性能的尺度，從而獲得對(duì)仿真性能的一個(gè)總體評(píng)價(jià)。常用的系統(tǒng)性能尺度包括平均值、方差、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值和最小值等，它們從不同的角度描繪了仿真系統(tǒng)的性能。

需要注意的是，即使仿真過(guò)程中收集的數(shù)據(jù)正確無(wú)誤，由此得到的仿真結(jié)果并不一定就是準(zhǔn)確的。造成這種結(jié)果的原因可能是輸入信號(hào)恰好與仿真系統(tǒng)的內(nèi)部特性相吻合，或者輸入的隨機(jī)信號(hào)不具有足夠的代表性。

以上就是通信仿真系統(tǒng)的一個(gè)循環(huán)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，仿真分析并不一定意味著通信仿真過(guò)程的完全結(jié)束。如果仿真分析得到的結(jié)果達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)，用戶(hù)還需要重新修改通信仿真模型，這時(shí)候仿真分析就成為了一個(gè)新循環(huán)的開(kāi)始。

4 通信系統(tǒng)仿真舉例

Simulink是Matlab提供的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包。Simulink 的每個(gè)模塊對(duì)用戶(hù)而言都是透明的，用戶(hù)只須知道模塊的輸入、輸出以及模塊的功能，而不必管模塊內(nèi)部是怎么實(shí)現(xiàn)的，于是留給用戶(hù)的事情就是如何利用這些模塊來(lái)建立模型以完成自己的仿真任務(wù)。下面以靜止衛(wèi)星信道條件下Turbo編譯碼為例，使用Simulink搭建其仿真模型進(jìn)行仿真，以此介紹一個(gè)完整通信系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建方法。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文