基于Ｋａ波段信道編碼的建模與仿真

摘 要：闡述了仿真技術的內涵，介紹了通信仿真的一般步驟。結合Ka波段信道編碼的建模與仿真實例，基于蒙特卡洛仿真技術，使用Simulink搭建其仿真模型并進行仿真，在此基礎上給出一個完整的通信系統的仿真模型，通過系統的仿真與分析可以看出Simulink在系統建模和仿真中的巨大優勢。最后根據仿真結果分析系統性能，驗證了模型的正確性。

關鍵詞：系統仿真；通信仿真；蒙特卡洛仿真；Simulink

中圖分類號：TN911.22 文獻標識碼：B 文章編號：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，在系統科學、控制理論、信息處理技術以及計算機技術的發展推動下，仿真科學在理論研究、工程應用、仿真工程和工具開發環境等許多方面取得了令人矚目的成就，并已經逐漸發展為一門綜合性學科。

蒙特卡洛(Monte Carlo)仿真技術是系統仿真的基礎，其基本思想可以這樣描述：當所求問題的解是某個事件的概率，某個隨機變量的數學期望，或者是與概率、數學期望有關的函數時，通過某種試驗的方法，可以得出該事件發生的頻率，或者該隨機變量若干個具體觀察值的算術平均值，通過它們就可以得到問題的解。

2 仿真技術

仿真技術^［1］是以相似原理、系統技術、信息技術以及仿真領域的有關技術為基礎，以計算機系統、與應用有關的物理效應設備及仿真器為工具，利用模型對系統(已有的或設想的)進行研究的一門多學科的綜合性技術。

仿真本質上是一種知識處理的過程。典型的系統仿真過程包括：系統模型建立、仿真模型建立、仿真程序設計、模型確認、仿真實驗和數據分析處理等，它涉及很多領域的知識和經驗。系統仿真可以有很多種分類方法。按模型的類型可以分為連續系統仿真、離散系統仿真、連續/離散(時間)混合系統仿真和定性系統仿真；按仿真的實現方法和手段可以分為物理仿真、計算機仿真、硬件在回路中的仿真(半實物仿真)和人在回路中的仿真；根據人和設備的真實程度，可以分為實況仿真、虛擬仿真和構造仿真。而本文所采用的基于Matlab/Simulink的蒙特卡洛仿真技術則屬于計算機仿真的一種。

實際的通信系統通常是一個具有較長使用壽命的復雜系統，其運行環境條件往往是變化的，這種變化有可能是周期的，但在大多數情況下是隨機的，例如，衛星通信系統、短波通信系統以及遠程地面網絡等。對于這些復雜系統，它們不僅建設費用高，而且維護費用昂貴。因此，為了降低上述成本，在通信系統的設計、建設和使用過程中引入仿真技術勢在必行。本文將從仿真學的角度，以Ka波段信道編碼的建模與仿真為實例，討論如何高效、簡潔、準確地構建一個完整的通信系統仿真模型。

3 通信仿真及其一般步驟

通信仿真^［1］是仿真學科中的一個重要分支。實際的通信系統是一個功能結構相當復雜的系統，對這個系統做出的任何改變都可能影響到整個系統的性能和穩定。因此，在對原有的通信系統做出改進或建立一個新系統之前，通常對這個系統進行建模與仿真，通過仿真結果衡量方案的可行性，從中選擇最合理的系統配置和參數設置，然后再應用到實際系統中，這個過程就是通信仿真。

通信系統仿真一般分成三個步驟，即仿真建模、仿真實驗和仿真分析。通信仿真是一個螺旋式發展的過程，因此，這三個步驟可能需要循環執行多次之后才能獲得令人滿意的仿真結果。

3.1 仿真建模

仿真建模是根據實際通信系統建立仿真模型的過程，它是整個通信仿真過程中的一個關鍵步驟，因為仿真模型的好壞直接影響著仿真的結果以及仿真結構的真實性和可靠性。

在仿真建模過程中，首先需要分析實際系統存在的問題或設立系統改造的目標，并把這些問題和目標轉化成數學變量和公式。確定了仿真目標后，下一步是獲取實際通信系統的各種運行參數。同時，仿真模型的建立需要綜合考慮其可行性和簡單性。

在以上工作準備好之后，就是仿真軟件的選擇了。除了使用傳統的編程語言外，目前工程技術人員比較傾向于更加專業和方便使用的專門的仿真軟件。常見的包括Matlab、OPNET和NS2等。

3.2 仿真實驗

仿真實驗是一個或一系列針對仿真模型的測試。在仿真實驗過程中，通常需要多次改變仿真模型輸入信號的數值，以觀察和分析仿真模型對這些輸入信號的反應，以及仿真系統在這個過程中表現出來的性能。需要強調的一點是，仿真過程中使用的輸入數據必須具有一定的代表性，即能夠從各個角度顯著地改變仿真輸出信號的數值。

對于需要較長時間的仿真，應該盡可能地使用批處理方式，使得仿真過程在完成一種參數配置的仿真之后，能夠自動啟動針對下一個參數配置的仿真。這種方式減少了仿真過程中的人工干預，提高了系統利用率和仿真效率。

3.3 仿真分析

仿真分析是一個通信仿真流程中的最后一個步驟。在仿真分析過程中，用戶已經從仿真過程中獲得了足夠多的關于系統性能的信息，但是這些信息只是一些原始數據，一般還需要經過數值分析和處理才能夠獲得衡量系統性能的尺度，從而獲得對仿真性能的一個總體評價。常用的系統性能尺度包括平均值、方差、標準差、最大值和最小值等，它們從不同的角度描繪了仿真系統的性能。

需要注意的是，即使仿真過程中收集的數據正確無誤，由此得到的仿真結果并不一定就是準確的。造成這種結果的原因可能是輸入信號恰好與仿真系統的內部特性相吻合，或者輸入的隨機信號不具有足夠的代表性。

以上就是通信仿真系統的一個循環。應該強調的是，仿真分析并不一定意味著通信仿真過程的完全結束。如果仿真分析得到的結果達不到預期的目標，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一個新循環的開始。

4 通信系統仿真舉例

Simulink是Matlab提供的實現動態系統建模和仿真的一個軟件包。Simulink 的每個模塊對用戶而言都是透明的，用戶只須知道模塊的輸入、輸出以及模塊的功能，而不必管模塊內部是怎么實現的，于是留給用戶的事情就是如何利用這些模塊來建立模型以完成自己的仿真任務。下面以靜止衛星信道條件下Turbo編譯碼為例，使用Simulink搭建其仿真模型進行仿真，以此介紹一個完整通信系統仿真模型的構建方法。

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