【正文】 值。如果需要比較仿真系統(tǒng)在不同參數(shù)設(shè)置下的性能，應(yīng)該使仿真系統(tǒng)在取不同參數(shù)值時具有相同的輸入信號 (或相同的隨機輸入信號 )，這樣才 能夠保證分析和比較的客觀性和可靠性。這種方式減少了仿真過程中的人工下頸，提高了系統(tǒng)利用率利仿真效率。在仿真分析過程個，用戶已經(jīng)從仿真過程中獲得了足夠多的關(guān)于系統(tǒng)件能的信息，這是這些信息只是一些原始數(shù)據(jù)，一般還需要經(jīng)過數(shù)值分析和處理才能夠獲得衡量系統(tǒng)性能的尺度，從而獲得對仿真系統(tǒng)件能的一個總體評價。 如果仿真過程需要一定的時間才能夠達到平衡狀態(tài)，在對輸出數(shù)據(jù)進行分析和處理時一般要忽略最初的若干個數(shù)據(jù)，而只考慮平衡之后的輸出。 另外一個需要注意的地方是，即使仿真過程中收集的數(shù)據(jù)正確無誤，由此得到的仿真結(jié)果并不一定就是難確的。 圖表是最簡潔的說明工具，它具有很強的直觀性，便于分析和比較，因此仿真結(jié)果一般繪制成圖表形式。 以上就是通信仿真的一個循環(huán)。如果仿真分析得到的結(jié)果達不到預(yù)期的目標(biāo)，用戶還需要重新修改通信仿真模型，這時候仿真分析就成為了另外一個循環(huán)的開始。與此同 時出現(xiàn)了一系列新的技術(shù)，如用于數(shù)字信號處理的價格不高但速度很快的硬件、光纖光學(xué)器件、集成光學(xué) 設(shè)備 和單片微波集成電路，這些對通信系統(tǒng)的實現(xiàn)均有重要影響。所以，通信系統(tǒng)仿真在通信系統(tǒng)工程設(shè)計中起著舉足輕重的作用。以簡化模型為基礎(chǔ)的公式法只能應(yīng)用于一些理想化和過于簡單的例子，要想估計出復(fù)雜通信系統(tǒng)的性能是非常困難的。用基于仿真的方法來估計性能時，系統(tǒng)可以用任何所期待的細(xì)節(jié) (主觀的，當(dāng)然有一定局限 )來模擬。 通信系統(tǒng)仿真問題的研究價值 通信系統(tǒng)仿真實質(zhì)上就是把硬件實驗搬 進了計算機，可以把它看成是一種軟件實驗。在軟件實驗中我們也是這樣做，只不過所有通信模塊及通信儀表的功能都是用程序來實現(xiàn)的，通信系統(tǒng)的全過程在計算機中仿真運行。與硬件實驗相比，軟件實驗具有如下一些優(yōu)點： (1) 軟件實驗具有廣泛的適應(yīng)性和極好 的靈活性。 (2) 軟件實驗更有助于我們較為全面地研究通信系統(tǒng)。 （ 3）硬件實驗的精確度取決于元器件及工藝水平，軟件實驗的精度取決于 CPU 的運算速度或者說是程序的運算量。 通信系統(tǒng)仿真問題的研究現(xiàn)狀 計算機輔助分析和設(shè)計技術(shù)發(fā)展十分迅速，出現(xiàn)了大量實用仿真軟件與工具，并應(yīng)用于通信 系統(tǒng)建模，分析和設(shè)計，使得通信系統(tǒng)仿真發(fā)展很快 。 通信系統(tǒng)仿真應(yīng)用到了通信系統(tǒng)工程設(shè)計的各個階段，無論是從早期的概念設(shè)計，還是實現(xiàn)、測試、使用等各個階段。 現(xiàn)代計算機 軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，新一代的可視化的仿真軟件的使用使得通信系統(tǒng)仿真的設(shè)計和分析過程變得相對直觀和便捷，推動了通信系統(tǒng)仿真的快速發(fā)展。這樣尖銳對立的兩個方面的要求，只有通過使用強大的計算機輔助分析設(shè)計技術(shù)和工具才能實現(xiàn)。 本論文針對通信系統(tǒng)仿真的研究主要做了以下的 工作 ： (1) 介紹了通信系統(tǒng)仿真的相關(guān)內(nèi)容，包括通信系統(tǒng)仿真的一般步驟、 Matlab 中的一種可視化仿真工具 Simulink 以及 S函數(shù)的相關(guān)概念 。 數(shù)字通信系統(tǒng)的 MATLAB 設(shè)計與仿真 12 (3) 在理解通信系統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上，利用 Matlab 強大的仿真功能，設(shè)計了具體的通信系統(tǒng)模型。 湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 第二章 simulink 入門 simulink 是 Matlab 中的一種可視化仿真工具，廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、數(shù)字控制、非線性系統(tǒng)以及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。在 simulink 中，仿真模型表現(xiàn)為若干個仿真模塊的集合以及這些 模塊之間的連接關(guān)系，這就使得仿真的設(shè)計和分析過程變得相對直觀和便 捷，同時有利于仿真模型的擴充。要描述這種系統(tǒng)的特性，傳統(tǒng)的建模 方法是先對系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號進行分析，得 到它們的系統(tǒng)方程，然后編寫程序進行仿真。由于所有的輸入信號和輸出信號都被抽象成數(shù)值之間的關(guān)系，仿真表現(xiàn)為一種計算過程，因此難以對仿真的過程進行控制，也難以對仿真的輸出數(shù)據(jù)進行直觀的描述和分析。 simulink 是 Matlab 提供的用于對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的工具包。同時，通過 simulink 的存儲模塊，仿真數(shù)據(jù)可以方便地以各種形式保存到工作區(qū)或文件中，供用戶在仿真結(jié)束之后對數(shù)據(jù)進行分析和處理。基于上述優(yōu)點， simulink 稱為一種通用的仿真建模工具，廣泛應(yīng)用于通信仿真、數(shù)字信號處理、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機械控制和虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域。連續(xù)模塊是指輸出信號隨著輸入信號發(fā)生連續(xù)變化的模塊，離散模塊則是輸出信號以固定間隔變化的模塊。離散模塊的輸出信號在下一個抽樣時刻到來之前保持恒定，這時 simulink只需以一定的間隔計算輸出信號的數(shù)值。 數(shù)字通信系統(tǒng)的 MATLAB 設(shè)計與仿真 14 simulink 的工作環(huán)境 當(dāng)采用 simulink 進行建模和仿真時，一般是從 simulink 模型庫中提供的模塊出發(fā)，通過組合各種模塊來完成模塊的設(shè)計。 simulink 的模型庫 在 matlab 的工作區(qū)中輸入“ simulink”或是單擊 matlab 工具欄上的 ， 就進入如21 圖所示的模型庫界面 圖 simulink 模型庫 simulink模型庫中的仿真模塊組織成 — 個三級樹型結(jié)構(gòu)，例如，圖 2— 1所示： Smulink于模型庫包含了 Continuous、 Discontinuities、 Discrete 等下一級的模型庫，其中 Continuous湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 模型庫中包含了若干個模塊，這些模塊可以直接加入到自己的仿真模型中 。 simulink 模型庫窗口提供了模塊查找功能。輸入所需查找的模塊名稱的關(guān)鍵字，單擊“ find Next”按鈕，則 simulink 自動搜索整個模型庫。在仿真模型窗口中雙擊模塊，彈出該模塊的參數(shù)設(shè)置 對話框，這時候可以修改模塊中各個參數(shù)的數(shù)值。如果 simulink 模型庫中沒有所需的模塊，這時候可以通過 s— 函數(shù)構(gòu)造自己的模塊，并且把這個模塊與其他simulink 模塊合起來，實現(xiàn)相應(yīng)的仿真功能。 運行仿真 仿真模型有兩種運行方式 ： 菜單方式和命令行方式。菜單方式的優(yōu)點在于它的交互性，通過在仿真模型中設(shè)置示波器模塊 (Scope)或顯示模塊 (Display)可以在仿真過程中觀察輸出信號的數(shù)值。 命令行方式一般用于執(zhí)行批處理方式的仿真，它是通過 MATLAB 命令“ sim”啟動仿真進程，例如，在 matlab 工作區(qū)中輸入“ sim (?rayleighfading?)”命令后， simulink 開始運行仿真模型 rayleighfading。用命令行方式啟動仿真模型后， simulink 并不自動打開相應(yīng)的模型，因此不能直接觀察仿真的進程，但是仍然可以通過各種顯示不模塊觀察輸出信號。一般情況下，仿真結(jié)果保存到上作區(qū)中，用戶可以在仿真結(jié)束之后對仿真結(jié)果進行分析和加工，并且根據(jù)仿真數(shù)據(jù)繪制各種圖表。采用子系統(tǒng)的另外一個好處是可以把復(fù)雜的仿真模型按照功能關(guān)系組織成等級結(jié)構(gòu)，使得每個子系統(tǒng)都是 — 個相對獨立的功能實體，這些子系統(tǒng)組合起來構(gòu)成一個功能更強的子系統(tǒng)。首先，在仿真模型中添加一個子系統(tǒng)模塊 (subsystem)，設(shè)置這個子系統(tǒng)模塊的名稱，然后雙擊該模塊，待打開該模塊之后就可以對子系統(tǒng)的功能進行設(shè)計了。 另外 — 個構(gòu)造子系統(tǒng)的方法是自底向上，即先在同 — 個窗門中添加各個 Simulink模塊，當(dāng)模塊的數(shù)目增加到一定的限度時，可以選中其中若干個模塊 (按住 shift 鍵后單擊各個需要組合的模塊 )，然后單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇 Create Subsystem，這時候就創(chuàng)建了一個子系統(tǒng)，并且 Simulink 自動為這個于系統(tǒng)設(shè)置了輸入端口和輸出端口。 子系統(tǒng)的命名方式類似于系統(tǒng)目錄的命名，每個子系統(tǒng)的名稱是它所在上一級系統(tǒng)名稱與子系統(tǒng)名稱的組合，中間以反斜杠 (“／” )分隔。 用戶可以設(shè)置子系統(tǒng)在雙擊之后的打開萬式。 圖 matlab 的 preferences 對話框 如果把“ window reuse”設(shè)置為“ none”，雙擊子系統(tǒng)時， simulink 在新窗口中打開子系統(tǒng)，原窗口保持不變：如果 “window reuse”設(shè)置為 “reuse”， simulink 在當(dāng)前窗口中打開子系統(tǒng)：如果“ window reuse”設(shè)置為“ replace”， simulink 在新窗口中打開子系統(tǒng)，同時原窗口消失：如果“ window reuse”設(shè)置為“ mixed”， simulink 在新窗口中打開子系統(tǒng)，同時保持原窗口不變，這種方式與 none 的差別在于 ，當(dāng)在于系統(tǒng)中選擇菜單欄上的“ VIew”︱“ go to parent”命令返回上一級系統(tǒng)時， none 方式中這個子系統(tǒng)窗口不數(shù)字通信系統(tǒng)的 MATLAB 設(shè)計與仿真 18 會消失，而 mixer 方式的子系統(tǒng)窗口被自動隱藏。對于用戶自己創(chuàng)建的子系統(tǒng)，也可以通過 simulink 來設(shè)置該模塊的圖標(biāo)和參數(shù)。需要注意的是，對于一個已經(jīng)被 封裝的子系統(tǒng)，它的 Mask subsynem命令無效。封裝編輯器共有 4個屬性頁，分別用與設(shè)置模塊的圖標(biāo)、參數(shù)、初始化代碼以及文檔信息。我們 可以通過 MATLAB 命令行“ disp(?source?)”在模塊中顯示一行文字“ Source”。對于每一個自定義參數(shù)，它有一個用于在參數(shù)設(shè)置對話框中顯示的名稱 (prompt)和 — 個變量名稱。如果選擇了 Evaluate 復(fù)選框，則該參數(shù)的輸入將自動轉(zhuǎn)化成數(shù)值傳遞給相應(yīng)的變量；否則， simulink 自動把字符串傳遞給這個變量。例如，對于名為 samples Per symbl 的白定義參數(shù)，它的內(nèi)部變量名為 samples Per symbl，用戶可以通過下拉列表“ popup”來選擇該參數(shù)的數(shù)值 3 或 4，同時 simulink傳遞給變量 samples Per symbl— 個數(shù)值，并且該參數(shù)可以在仿真過程中動態(tài)改變。在很多情況下， Simulink 模型庫（ Simulink Library）中的模塊不能完全滿足用戶的要求，這時候需要由用戶自己來編寫相應(yīng)的代碼。 S函數(shù)則提供了函數(shù)代碼與 Simulink之間的接口，使得用戶編寫的代碼既能夠像 Simulink 模型庫中的模塊那樣具有統(tǒng)一的仿真接口，同時能夠?qū)?。從這個意義上說， S函數(shù)是對 Simulink 模塊庫功能的擴展 。 通過 S函數(shù)可以方便地編寫仿真代碼以創(chuàng)建自己的 Simulink 模塊，因此， S函數(shù)是對 Simulink 模塊庫功能的擴展。通過 S函數(shù)創(chuàng)建的模塊具有與 Simulink模型庫中的模塊相同的特征，它可以與 Simulink 求解器進行交互，支持連續(xù)狀態(tài)和離散狀態(tài)模型。 圖 simulink 模塊基本模型 在某個時 刻 t， Simulink 模塊的內(nèi)部狀態(tài) u 由兩部分組成：連續(xù)狀態(tài) cu 和離散狀態(tài)du ，且 u= cu + du ， 此時輸出信號 ),(0 uxtfy ? ， 連續(xù)狀態(tài)的導(dǎo)數(shù) ),( uxtfu dc ?? ，離散狀態(tài) ),(1 uxtfu ud k ??。這樣， Simulink 就可以得到各個時刻的狀態(tài)及其輸出信號，實現(xiàn)對仿真結(jié)果的求解。在初始化階段 ， Simulink 把各個模塊調(diào)入內(nèi)存，檢查模塊的數(shù)據(jù)類型和長度，設(shè)置仿真時間間隔，制訂仿真模塊的執(zhí)行順序，以及內(nèi)存分配。這個過程一直持續(xù)到仿真過程結(jié)束，然后 Simulink 進入仿真結(jié)束階段，清理各種已經(jīng)分配的資源，同時保存仿真過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。例如，我們可以編寫一個 mdlInitializeSizes 函數(shù)實現(xiàn) S函數(shù)的初始化操作，通過 mdlDerivatives 和 mdlUpdate 函數(shù)在 每一個抽樣時刻分別計算連續(xù)狀態(tài)變量的導(dǎo)數(shù)和更新離散狀態(tài)的數(shù)值， 在 mdlOutputs 函數(shù)中計算 S函數(shù)的輸出信號等。用戶需要在 S函數(shù)的主體部分對這些函數(shù)進行注冊 ， Simulink 通過回調(diào)函數(shù)（ Callback Function）的方 式在不同事件發(fā)生的時候調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。 1． 直接反饋 簡單說來，直接反饋（ Direct feedthrough）指的是輸入信號是否直接影響著輸出信號和仿真的抽樣時間。同樣地，如果在可變步長的仿真過程中， S函數(shù)的輸入信號影響著對下一個仿真時刻的計算，這個 S函數(shù)也存在直接反饋。 如果 S函數(shù)不存在直接反饋，在計算該模塊的輸出信號時這個模塊就可以不等待前一個模塊的輸出信號，因而有可能先于前面的模塊執(zhí)行。 2． 可變長度輸入 S函數(shù)輸入信號的長度 既可以是固定的，也可以在仿真過程中根據(jù)輸入信號的長度動態(tài) 設(shè) 定。 對于 M 文件 S函數(shù)構(gòu)成的模塊，它只有一個輸入信號端口，只能接受一維輸入向量，但是這個輸入向量的長度可以是動態(tài)確定的。 如果 S函數(shù)把它的連續(xù)狀態(tài)、離散狀態(tài)或輸出信號也設(shè)置為可變長度信號， Simulink 將根據(jù)輸入信號的長度來確定它們的長度，并且這些信號的長度與輸入信號的長度相同。抽樣時間一般表示成 “sample_time， offset_time”的形式，其中 sample_time 表示抽樣周期， offset_time 表示每個抽樣周期內(nèi)的