综合仿真的卫星通信（通用9篇）
综合仿真的卫星通信 篇1
0 引言
地球同步轨道(Geostationary Orbit,GEO)是所有卫星轨道中最重要的一类轨道,在该轨道上少量卫星组网就能够有效完成全球通信、预警等军事任务。进入21世纪,世界主要航天国家加速推进空间力量建设,在进入空间、利用空间和控制空间领域展开激烈竞争,尤其是在有限GEO轨道的资源争夺中更为激烈,争相发射GEO卫星,提前占领轨道资源。由此GEO轨道变得“拥挤不堪”[1]。GEO卫星之间距离缩小,这就难免造成大型GEO通信卫星之间的相互干扰,对通信质量造成影响。本文基于这样的背景,研究分析了GEO通信卫星之间的相互干扰技术。
卫星通信链路有星地链路、星间链路两种,星地链路可以分为星地上行链路、星地下行链路。GEO通信卫星之间的干扰主要是对上行链路干扰。在这种干扰方式下,干扰信号空间传输损耗小,对目标星的接收端进行干扰具有很大的优势[2]。本文通过分析信号的传输链路性能和天线特征,建立了对上行链路实施有效干扰的模型,并分别在X频段和Ka频段下的干扰进行了仿真和分析。
1 信号传输链路分析
卫星通信系统中,信号的传输链路主要在星地之间和星际之间。星地之间的传播特性由自由空间传播特性和近地大气的各种影响所确定,而星际链路传送可认为是自由空间传播[3]。
电波在空间传播的过程中,能量将随着传输距离的增加而扩散,由此引起的传播损耗称为链路的自由空间传播损耗[3]。信号在自由空间的传播损耗为:
式中:d为传输距离;f为载波频率;c为光速,c=2.997 92×108m/s。
以d B为单位,式(1)改写为:
式中:d的单位为km;f的单位为GHz。
除自由空间传播损耗外,还有大气吸收损耗、雨衰,以及由于折射、散射与绕射、电离层闪烁与多路径等引起的附加损耗。
卫星地面站与GEO通信卫星之间信息传输经过大气层,距离较远,在仿真时假设地面站与GEO通信卫星上行链路之间的链路附加损耗为200 d B,GEO通信卫星之间的链路附加损耗为4 d B。
2 天线特征分析
对目标星进行通信干扰要求干扰设备位于通信卫星的覆盖区域内,这除了与目标星天线的指向有关之外,还与天线的自身特性有关。
天线是通信卫星有效载荷的重要组成部分。根据IEEE标准,天线定义为“辐射或接收无线电波的装置”,天线具有阻抗特性、方向特性、极化特性和带宽特性四个基本特性[3]。目前国内外的GEO通信卫星天线可分为喇叭天线、抛物面天线和相控阵天线三种。本节将对天线的特性进行分析。
2.1 喇叭天线及其方向图[4]
喇叭天线是终端开路的标准波导逐渐扩展而成的。它是最常用的微波天线,一般是作标准天线或作馈源。本节主要研究矩形口径天线辐射场的特性,对圆锥喇叭不进行讨论。由矩形波导张开的喇叭天线有H-面扇形喇叭,E-面扇形喇叭和角锥形喇叭三种基本组成。如图1所示。角锥喇叭天线中各参数的具体定义如图2所示。
角锥形喇叭口径面上的场分量,可以用下列分量方程来表示:
式中:a为波导的宽边;RH和RE分别为H-面截面和E-面截面所对应的喇叭高度。
其H-平面内的方向函数为:
式中:DH为角锥喇叭的H-面宽度;λ为工作波长。
H-平面方向图的主瓣波束宽度(单位:rad)为:
E-平面内的方向函数为:
式中:bE为角锥喇叭的E-面宽度。
E-平面方向图的主瓣波束宽度(单位:rad)为:
假设GEO通信卫星X频段宽波束喇叭天线的波束宽度为17.4°,当f=8 GHz时,DHλ=3.885 6,b Eλ=2.930 6,画出角锥喇叭天线归一化方向图,如图3所示。
图3中,角锥喇叭天线的H平面方向图第一旁瓣的归一化峰值为0.029 3,即比主瓣低30.7 d B;E平面方向图第一旁瓣的归一化峰值为0.128 4,即比主瓣低17.8 d B。
2.2 抛物面天线及其方向图[4]
抛物面天线是反射面天线中最常见的一种。反射面天线通常由馈源和反射面两部分组成。抛物面天线根据外形的不同又可分为圆口径面抛物面、部分抛物面、柱形抛物面等抛物面天线。
对于圆口径抛物面天线所辐射的场波瓣图,可以应用惠更斯原理,按照对矩形口径的类似处理方法进行计算。得出归一化场波瓣图E(φ)作为φ和直径D的函数如下:
式中:D为圆口径抛物面天线口径的直径,单位:m;λ为电波波长,单位:m;φ为相对于口径法线的角度;J1为一阶贝塞尔函数。
大圆口径抛物面天线的半功率波束宽度(单位:deg)为:
式中:Dλ=Dλ为口径直径的波长数。
假设GEO通信卫星的抛物面天线为Ka频段天线,设信号频率为30 GHz,半功率波束宽度为1.5°,则λ=0.01 m,D=0.39m。其归一化电场方向图如图4所示。
除了喇叭天线和抛物面天线外,相控阵天线也是GEO通信卫星的重要选择,但对于相控阵天线无法建立严格的解析模型,在此不做分析。
综上分析,假设当小型空间平台的干扰设备处于目标星的主波束边界之内时,就认为对目标星干扰有效,否则,认为干扰无效。
3 目标星上行链路干信比分析
对通信卫星的上行链路进行干扰,需要考虑多方面的因素。首先,要对通信卫星接收的上行信号进行分析;其次,要分析干扰卫星对目标卫星的干扰信号;最后,通过分析接收信号的干信比以确定干扰的有效性。通过以上分析,对通信卫星的上行链路实施有效干扰,必须满足以下三个条件[5]:
(1)通信卫星上行信号工作频率在干扰设备的可干扰频率范围之内;
(2)干扰设备位于通信卫星的覆盖区域内;
(3)通信卫星接收到的干扰功率和信号功率之比大于等于卫星能有效工作的最大干信比。
3.1 卫星接收的地面信号功率
卫星地面站发射的信号经自由空间传播后到达接收天线的信号功率[4]为:
用d B来表示为:
式中:S为卫星接收机输入端的信号功率;EIRPS为地面终端发射机的有效全向辐射功率;G为卫星接收天线在地面发射机方向的增益;RS为地面站与卫星接收天线之间的距离;f为地面站发射的载波频率;c为光速;LAS为信号功率的大气、极化等其他链路附加损耗;为传输损耗。
其中,地面终端发射机的有效全向辐射功率可表示为:EIRPS=PSGS,式中,PS为电波发射功率;GS为发射天线增益。
3.2 卫星接收的干扰信号功率
干扰功率到达卫星接收天线的干扰信号功率[4]为:
用d B来表示,则:
式中:J为卫星接收机输入端的干扰功率;EIRPJ为干扰卫星有效全向辐射功率;G(θ)为卫星接收天线在干扰功率方向上的增益;RJ为干扰卫星与卫星接收天线之间的距离;f为干扰载波频率;LAJ为信号功率的链路附加损耗;为传输损耗。其中,干扰卫星的有效全向辐射功率可表示为:
式中:PJ为干扰电波发射功率;GJ为干扰发射天线增益。
3.3 卫星上行链路干信比
综上分析,卫星上行链路的干信比J S为:
从式(11)给出的卫星上行链路的干信比很容易确定是否进行了干扰。如果干信比为正,则能有效干扰;若干信比为负,则干扰失效,卫星正常工作。
由以上分析可知,对卫星的天线进行干扰,若不能进入主瓣,通过副瓣也能有效干扰,假设此时的平均副瓣电平比主瓣低30 d B,并且要求干扰卫星位于卫星天线辐射方向120°范围之内。
4 目标星上行链路干扰分析
假定Ka链路和X链路的地面站上行主要参数见表1。
4.1 上行X链路干扰仿真分析
由上分析,X频段的信号频率为8 GHz,GEO通信卫星与地面站的距离约为36 000 km。假设接收天线增益为34.3 d B,地面站的发射功率分别取10 W,300 W,400 W,1 000 W,链路附加损耗为4 d B,可以得到该卫星在X频段接收的地面站信号功率,见表2。
如表2所示,该卫星喇叭天线接收的信号功率最大值为-87.8 d B,最小功率为-109 d B,则当卫星喇叭天线接收到的干扰信号功率超过-87.8 d B时,就能实现对卫星喇叭天线的干扰。以下仿真将以卫星接收的信号功率为-87.8 d B的情况进行分析。
(1)仿真条件一
假设干扰卫星天线口径为0.5 m,发射功率分别取50 W,30 W,10 W,5 W,1 W,信号频率为8 GHz,与目标卫星距离变化范围为5~400 km,链路损耗为1 d B,卫星在干扰方向的增益为34.3 d B,得到仿真结果如图5所示。
以表2给出的该卫星接收最大地面站信号-87.8 d B为基准线,如图5所示,当曲线处于基准线以下时,干扰卫星将不能对目标卫星进行有效干扰。在同一信号发射功率下,随着距离的增大,到达目标卫星的干扰功率将减小。
(2)仿真条件二
假设星干扰卫星与目标卫星的距离分别为50 km,100 km,200 km,300 km,400 km,卫星接收的地面站信号为-87.8 d B,其他条件不变,得到不同距离情况下干扰卫星的最小发射功率,见表3。
如表3所示,在给定条件下,当干扰卫星发射功率大于15.71 W时,干扰距离在400 km以内,都能实现对目标卫星的有效干扰。
4.2 上行Ka链路干扰仿真分析
Ka频段的信号频率为30 GHz,GEO卫星与地面站的距离为36 000 km。假设接收天线增益为55.2 d B,地面站的发射功率分别取50 W,250 W,链路附加损耗为4 d B,可以得到该卫星在Ka频段接收的地面站信号,如表4所示。
如表4所示,选择卫星接收的地面站最大信号-66.9 d B为干扰对象进行分析。
(1)仿真条件一
假设干扰卫星天线口径为0.5 m,发射功率分别取50 W,30 W,10 W,5 W,1 W,信号频率为30 GHz,与卫星距离变化范围为5~400 km,链路损耗为1 d B,该卫星在干扰卫星发射功率方向的增益为55.2 d B,得到仿真结果如图6所示。
如图6所示,以卫星接收地面站信号的最大值-66.9 d B为基准线,当曲线处于基准线以下时,干扰卫星将不能对卫星进行有效干扰。
(2)仿真条件二
当GEO通信卫星Ka频段抛物面天线主瓣的波束角较小,干扰卫星对目标卫星抛物面天线主瓣进行干扰相对困难。因此,考虑对目标卫星的抛物面天线副瓣进行干扰,则目标卫星在干扰卫星方向的增益将比主瓣低30 d B,即到达该卫星抛物面天线的干扰信号要大于-36.9 d B才能有效干扰。通过计算仿真,得到干扰信号为-36.9 d B时干扰卫星的最小发射功率,如表5所示。
如表5所示,在Ka频段从副瓣对目标卫星抛物面天线进行干扰时对信号发射功率要求较高,可选择干扰卫星发射功率为10 W,干扰距离在10 km以内,干扰天线口径为0.5 m。
5 结语
本文从对通信卫星的上行链路实施有效干扰必须满足的三个条件出发,分析了信号传输路径的损耗,研究了GEO通信卫星所携带的喇叭天线和抛物面天线信号特征。通过分析干信比,确定干扰的有效性,针对卫星使用的上行X频段和Ka频段链路的干扰分别进行了仿真,并对仿真结果进行了分析。这为己方GEO通信卫星的防护设计提供了参考。
参考文献
[1]Union of Concerned Scientists.UCS satellite database[EB/OL].[2012-01-12].http://www.ucsusa.Org/nuclear weapons_and_glob al_security/space/weapons/technical/issues/ucs satellite data base.html.
[2]徐敬,张生.对卫星通信链路干扰仿真分析[J].指挥控制与仿真,2010,32(4):82-85.
[3]曹志耀,丁鲲,顾有林.卫星通信对抗方法及其数学模型[J].军事运筹与系统工程,2001(3):9-14.
[4]胡正群.卫星集群应急通信系统[J].现代电子技术,2012,35(13):4-6.
[5]张爱民,王星全,张德兴,等.卫星直扩通信系统干扰检测技术研究[J].现代电子技术,2011,34(17):79.
[6]李业华,洪韬,薛明华,等.小卫星通信系统射频前端设计[J].现代电子技术,2011,34(11):11-13.
综合仿真的卫星通信 篇2
4.所有仿真程序产生的结果都要有手写分析,即要判决仿真结果就是否正确,说明了什么问题,能够得出什么结论,要如何改进等等。
实验一 随机信号的计算机仿真 实验目的:仿真实现各种分布的随机数发生器 实验内容: 1、均匀分布随机数的产生 用线性同余法,编写 Matlab 程序,产生均匀分布的随机数。
)5000 mod(] 1323 241 [ 1 n x n x
初始种子 x(0)自己选择。
线性同余算法就是使用最为广泛的伪随机数产生器,该算法含有 4 个参数:模数 m(m>0),乘数 a(0≤a< m),增量 c(0≤c 通信仿真实验报告 2、用反函数法,将均匀分布的随机变量变换为具有单边指数分布的随机变量。编写 Matlab 程序,产生指数分布的随机数。计算并比较理论 pdf 与从直方图得到的 pdf。 指数分布随机变量 pdf 定义为: 0),()exp(2)( x u x x p X ,)(x u 为单位阶跃函数。 先自行设置取样点数,取 a=5;产生均匀分布随机变量,转化为单边指数分布,理论与仿真符合通信仿真实验报告 设计题: 3、用 Matlab 编程分别产生标准正态分布、指定均值方差正态分布、瑞利分布、赖斯分布、中心与非中心χ2 分布的随机数,并画出相应的 pdf。 y1=normpdf(x,0,1); y2=normpdf(x,4,2); 通信仿真实验报告 瑞丽 p1= ncfpdf(x,5,20,10);非中心 p= fpdf(x,5,20);中心 4、设输入的随机变量序列 X(n)为 N=1000 独立同分布高斯分布的离散时间序列,均值为 0,方差为 1,采样间隔 0、01s。通过某线性时不变滤波器,输出随机变量序列 Y(n)的功率谱密度为: 2)2(11)(ff S Y （1） 设计该滤波器 通信仿真实验报告（2） 产生随机变量序列 Y(n)。 X0=0; %设置产生序列的递推公式的初始值:X(0)N=1000; %设置序列的长度 rh=0、9; %设置产生序列的递推公式的系数 X=zeros(1,N); %定义序列 X w=rand(1,N)-1/2; %产生序列 w:在(-1/2,1/2)内均匀分布 %计算序列 X 的 N 个样本:X(1),X(2),…,X(N) X(1)=rh*X0+w(1); for i=2:N X(i)=rh*X(i-1)+w(i); End X(n)的功率谱密度 滤波器的幅度响应 通信仿真实验报告 附件: 实验二 数字基带调制 实验目的:数字通信系统中,基带传输的仿真。 实验内容: 用 MATLAB 编程仿真实现二进制脉冲幅度调制(PAM)数字通信系统的调制过程。要求画出 12bit 随机输入与对应的已调波形输出。 通信仿真实验报告 1.绘出 40bit 随机输入条件下调制波形形成的眼图。 2.用蒙特卡罗仿真方法计算在信道为加性高斯白噪声时,该系统在不同信噪比下的差错概率。 通信仿真实验报告 3.画出该系统的理论误码率(报告中还要写出理论公式),与蒙特卡罗仿真结果比较,就是否一致,分析结果。 设计题 4、设计 FIR 根升余弦滤波器,具体指标如下: (1)码片速率为 1、28MHz,采样率为 4 倍码片速率(2)滚 降 系 数 0、22, 冲 激 响 应 序 列 长 度 通信仿真实验报告 65 N_T=8; %冲激响应序列长度为 2*N_T*Fs/Fc+1 R=0、22 %滚降系数 Fc=1、28e+6;Fs=4*Fc; %抽样率为 4 倍码片速率 Tc=1、0e-6/1、28; %码片周期 %[Num,Den] = rcosine(Fc,Fs,“sqrt”,R); Num=rcosfir(R,N_T,4,Tc,“sqrt”);[H,w]=freqz(Num,[1],1000,“whole”);H=(H(1:1:501))“;w=(w(1:1:501))”;Mag=abs(H);db=20*log10((Mag)/max(Mag));pha=angle(H);plot(w/pi,db);grid; 通信仿真实验报告 axis([0 1-60 1]);xlabel(“归一化角频率”);ylabel(“RRC 滤波器幅度响应(dB)”);(1)[H,w]=freqz(B,A,N)(2)[H,w]=freqz(B,A,N,’whole’) (1)中 B 与 A 分别为离散系统的系统函数分子、分母多项式的系数向量,返回量 H 则包含了离散系统频响在 0~pi 范围内 N 个频率等分点的值(其中N 为正整数),w 则包含了范围内 N 个频率等分点。调用默认的 N 时,其值就是 512。 (2)中调用格式将计算离散系统在0~pi范内的N个频率等分店的频率响应的值。 因此,可以先调用 freqz()函数计算系统的频率响应,然后利用 abs()与angle()函数及 plot()函数,即可绘制出系统在 或 范围内的频响曲线(3)产生一串(-1、1)等概率分布的随机序列,并对该序列进行脉冲成形滤波。 附件: 实验三 数字频带调制 实验目的:对数字信息的频带传输进行仿真。 通信仿真实验报告 实验内容: 1.用 MATLAB 编程仿真实现二进制相位调制(BPSK)数字通信系统的调制过程。要 求 画 出 12bit 随 机 输 入 与 对 应 的 已 调 波 形 输 出。 2.并用蒙特卡罗仿真方法计算在信道为加性高斯白噪声时,该系统在不同信噪比下的差错概率 通信仿真实验报告 3.画出该系统的理论误码率,与蒙特卡罗仿真结果比较,就是否一致,分析结果。 设计题 4.QPSK 调制,解调与检测的 MATLAB 仿真,并用蒙特卡罗方法估计该系统在加性高斯白噪声情况下的差错概率。 （1） 使用范围在(0,1)内的均匀分布随机数发生器,来产生等概率出现的四 通信仿真实验报告 进制符号序列,再将序列映射到对应的信号向量。 s11=-j;s10=-1;s00=j;s01=1; %定义 QPSK 信号:4 种可能的取值 N=10000; %设置发送数据符号的个数 %产生待发送的二进制比特数据流:长度为 2N signal=rand(1,2*N); qpsk=zeros(1,N); %定义经过调制后的信号序列 %产生调制后的信号序列 qpsk for i=1:N if signal(2*i-1)<0、5 if signal(2*i)<0、5 qpsk(i)=s00; else qpsk(i)=s01; end; else if signal(2*i)<0、5 qpsk(i)=s10; else qpsk(i)=s11; end; end; end; （2） 利用高斯随机数发生器产生均值为 0,方差为 N0/2 的高斯噪声。 NO=(10^(SNR_in_DB/10))sgma=sqrt(N0/2); n(1)=gngauss(sgma)（3） 设计检测器,用蒙特卡罗方法估计检测器产生的符号误差。 通信仿真实验报告 实验四 通信信道建模仿真 实验目的:无线通信信道的仿真实现 实验内容: 确定信号的 DTFT 谱分析 窗对频率分辨率的影响 1-1 通信仿真实验报告 1-2 1-3 通信仿真实验报告 1-4 2-1 通信仿真实验报告 2-1 2-2 通信仿真实验报告 3-1 通信仿真实验报告 %% Zero padding DFT v=2; dft_vn = fftshift(fft(vn,v*N)); figure(3); stem([-v*N/2:v*N/2-1]/(v*N/2),abs(dft_vn),“、”); axis([-1 1 0 35]); title(“DFT spectrum with 64 zeros padded”); xlabel(“Normalized digital frequency”); %% Zero padding DFT 通信仿真实验报告 v=4; dft_vn = fftshift(fft(vn,v*N)); figure(4); stem([-v*N/2:v*N/2-1]/(v*N/2),abs(dft_vn),“、”); title(“DFT spectrum with 3*64 zeros padded”); xlabel(“Normalized digital frequency”); axis([-1 1 0 35]); %% v = 8; dft_vn = fftshift(fft(vn,v*N)); figure(5); stem([-v*N/2:v*N/2-1]/(v*N/2),abs(dft_vn),“、”); title(“DFT spectrum with 7*64 zeros padded”); xlabel(“Normalized digital frequency”); axis([-1 1 0 35]); 4-1: 产生并绘制 10 个高斯-马尔科夫序列样本 通信仿真实验报告 4-1: 功率谱、4-2 R=0、5 通信仿真实验报告 4-2 R=0、5 功率谱、5 通信仿真实验报告 实验五 信道衰落的影响与分集接收仿真 单径 A=0° 单路径移动台包络幅度-移动距离 单路径移动台包络相位 单路径移动台归一化频谱 通信仿真实验报告两径幅度 两径相位 两径频谱 通信仿真实验报告两径 R=0、5 幅度 两径 R=0、5 相位 两径 R=0、5 频谱 通信仿真实验报告 3:3-1 30°幅度 3-1 30°相位 3-1 30°频谱 通信仿真实验报告 3-1 45°幅度 3-1 45°相位 3-1 45°频谱 通信仿真实验报告 3-1 90°幅度 3-1 90°相位 3-1 90°频率 通信仿真实验报告 3-1 180°幅度 3-1 180°相位 3-1 180°频谱 通信仿真实验报告 4-1N=124-1N=256 通信仿真实验报告 5-1 幅度分布 N=12 5-1 幅度分布 N=64 5-1 幅度分布 N=256 通信仿真实验报告 6-1 相位分布 N=12 6-1 相位分布 N=64 6-1 相位 N=256 7-17-1 功率分布 N=12 7-1 功率 N=64 通信仿真实验报告 关键词：通信原理,Matlab,Simulink,仿真技术,m序列 在各高校通信与电子信息类专业的课程中, 通信原理无疑是其中最重要的课程之一[1]。该课程是基础课向专业课的过渡课程, 是众多专业课的先修课程, 在通信工程专业的教学中占据非常重要的地位。同时, 很多高校都将这门课作为通信工程专业的研究生入学考试科目, 课程的重要性不言而喻。从教学的角度来看, 本课程与电路分析、电子技术、信号与系统等专业基础课以及高等数学、概率论等数学课程联系紧密, 课程理论性强, 抽象概念较多, 实践操作的要求又较高, 是一门既要有理论知识又要有实践技能的综合性课程, 这些都在一定程度上增加了学生学好这门课程的难度。 为了改善教学效果, 培养学生分析和解决问题的能力, 调动学生学习的积极性, 从而提高通信原理课程的教学质量, 有必要将通信仿真技术引入到本课程的教学中[2]。目前, Matlab/Simulink已经成为科学研究和工程设计常用的仿真工具, 而随着其中通信、信号处理类函数库和工具箱的成熟, Matlab/Simulink在通信理论研究、算法设计、系统设计、建模仿真和性能分析验证等方面的应用也更为广泛[3]。Simulink可视化仿真工具能够以非常直观的方框图的方式对通信系统进行建模, 并能够将模型的仿真结果 (如波形、频谱和统计数据等) 实时地显示出来, 更有利于学生对通信系统概念和公式的直观理解, 所以近年来得到了通信工程专业广大师生的重视和广泛的应用[4]。 1 Matlab/Simulink在教学中的引入 在通信原理课程的教学过程中, 教师可以在多媒体课件中加入软件的仿真结果, 从而利用Matlab Simulink辅助教学, 以期实现更好的教学效果。特别是对于较难讲解的内容、抽象的概念, 以及通信系统各个节点的波形等, 利用软件的计算和图形化显示功能, 可使其更为直观地表现出来, 从而加深学生的理解。 在通信原理课程的实践环节中, 教师可以在传统实验的基础上引入Matlab/Simulink仿真实验, 从而避免实验设备、条件和学时等限制。利用软件, 我们设计出了多项仿真实验, 供学生在课程中完成。此外, 对学生感兴趣的内容, 我们还鼓励其利用课余时间进行实验方案的比较和优化, 这样, 极大地调动了学生的学习兴趣, 提高了学生对通信基本理论的掌握和计算机仿真编程的能力。 下面本文以m序列的产生与特性分析为例, 阐述了Matlab/Simulink在通信原理课程中的两方面应用: (1) 通过直接编写M文件实现m序列的产生与特性分析; (2) 利用Simulink实现m序列的产生与特性分析。 2 m序列的产生与特性 伪随机序列又称为伪随机码, 是一类有着广泛应用的码。例如, 在连续波雷达中可用作测距信号, 在遥控系统中可用作遥控信号, 在多址通信中可用作地址信号, 在数字通信中可用作群同步信号, 还可用作噪声源以及在保密通信中起加密作用等等[5,6]。m序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称, 它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的序列。由于m序列的均衡性、游程分布和自相关特性与随机序列的基本性质极相似, 所以将其作为最常用的一类伪随机序列。 设α 是GF (2n) 的一个本原元, αu1 (0<u1<2n-1) 是GF (2) 上n次本原多项式fu1 (x) 的首根, G ( fu1) 为对应的周期为m=2n-1的m序列集合。设 其所对应的最长线性反馈移位寄存器如图1所示, 则 由分析可知, m序列的自相关函数为: 其中, j表示移位数, 只取整数。 ρ ( j) 是偶函数并具备周期性, 周期也为m。由式 (2) 可知, m序列的自相关函数只有两种取值, 所以, m序列也称为双值自相关序列。 对式 (2) 作傅里叶变换, 可以求出m序列的功率谱密度函数: 其中, T0是m序列对应的周期性连续函数的周期。 3 基于M文件的仿真 在Matlab软件中, 可以通过编写一个M文件, 计算出一个周期的m序列, 并分析其自相关系数和功率谱特性[7,8]。下面以本原多项式为f ( x) =x7+x3+1 的m序列为例, 给出仿真的部分程序: 实验中m序列的周期为m =27-1 =127 , 码元宽度取1s, 采样率取10Hz。运行程序, 相应的仿真结果如图2所示。从图2a中可以看到在周期的整数倍处, 自相关系数取值为1, 其余点均取-1/m。从图2b中可以看到, 当T0和m/ T0均趋向于∞ 时, m序列的功率谱密度特性接近白噪声的功率谱密度特征。 4 基于Simulink的仿真 Matlab软件中Simulink可视化仿真工具能够以非常直观的方框图方式对通信系统进行建模, 并可以实时的将仿真结果显示出来, 更便于学生理解通信系统的物理概念和运行过程。所以, 可以通过编写测试模型, 实现m序列的自相关系数和功率谱特性分析[9,10]。 测试模型如图3所示, 使用了与上节相同的实验条件。采用PN Sequence Generator模块产生最长线性反馈移位寄存器序列, 通过Scope模块显示波形, 同时采用To workspace模块输出m序列, 并计算其对应的自相关函数。另外, 通过Modified Covariance Method (修正的协方差算法) 模块实现功率谱密度的估计, 其输出经过归一化处理后通过Vector Scope模块显示, 最终仿真结果如图4所示。这里, 自相关函数图与图2a一致, 就不再列出。 5 结束语 在通信原理课程理论课的讲授过程中, 教师多采用多媒体课件演示的教学模式, 这可能会导致学生在一些抽象的概念和较难的数学公式推导等方面理解度不够。将基于Matlab/Simulink的通信仿真技术引入到课程的教学中, 教师可以利用Matlab软件中丰富的函数库和模块库, 将晦涩难懂的通信理论、通信过程和信号波形等内容直观地显示成各类图形, 不仅可以辅助教学, 还能增强学生对通信概念的感性认识, 帮助学生更好地理解和掌握知识点, 从而提高通信原理课程的教学质量。 参考文献 [1]樊昌信, 曹丽娜.通信原理[M].第6版.北京:国防工业出版社, 2006. [2]夏江涛, 孙冬娇.Matlab在现代通信原理课程中的应用[J].2014, 31 (1) :110-114. [3]绍玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].北京:清华大学出版社, 2014. [4]张鸣, 李白萍.Matlab仿真在通信原理课程中的应用[J].实验技术与管理, 2012, 29 (11) :87-93. [5]李白萍, 张鸣, 龙光利.数字通信原理[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2012. [6]ProakisJohnG.数字通信[M].第四版.张力军译.北京:电子工业出版社, 2004. [7]徐明远, 邵玉斌.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2005. [8]Mokhtari Mohand, Marie Michel.MATLAB与SIMULINK工程应用[M].赵彦玲, 吴淑红译.北京:电子工业出版社, 2002. [9]Proakis John G, Salehi Masoud.现代通信系统:使用MATLAB[M].刘树棠译.西安:西安电子科技大学出版社, 2003. Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平台的著名仿真环境Simulin作为一种专业和功能强大且操作简单的仿真工具，目前已被越来越多的工程技术人员所青睐，它搭建积木式的建模仿真方式既简单又直观，而且已经在各个领域得到了广泛的应用。 本文主要是以simulink为基础平台，对2ASK、2FSK、2PSK信号的仿真。文章第一章内容是对simulink的简单介绍和通信技术的目前发展和未来展望；第二章是对2ASK、2FSK和2PSK信号调制及解调原理的详细说明；第三章是本文的主体也是这个课题所要表现的主要内容，第三章是2ASK、2FSK和2PSK信号的仿真部分，调制和解调都是simulink建模的的方法，在解调部分各信号都是采用相干解调的方法，而且在解调的过程中都对整个系统的误码率在display模块中有所显示 本文的主要目的是对simulink的熟悉和对数字通信理论的更加深化和理解。 关键词：2ASK、2FSK、2PSK，simulink,调制，相干解调 目 录 第一章 绪论...........................................................31 1.1 MATLAB/Smulink的简介...............................................31 1.2 通信发展简史.......................................错误！未定义书签。1 1.3 通信技术的现状和发展趋势...........................错误！未定义书签。4 第二章 2ASK、2FSK、2PSK和2DPSK的基本原理和实现......错误！未定义书签。7 2.1 2ASK的基本原理和调制解调实现.....................错误！未定义书签。8 2.2 2FSK的基本原理和调制解调实现....................错误！未定义书签。11 2.3 2PSK的基本原理和调制解调实现 ...................错误！未定义书签。14 2.2DPSK的基本原理和调制解调实现 ...................错误！未定义书签。18 第三章 Smulink的模型建立和仿真....................错误！未定义书签。24 3.1 2ASK的仿真......................................错误！未定义书签。24 3.2 2FSK的仿真......................................错误！未定义书签。32 3.3 2PSK的仿真......................................错误！未定义书签。41 总结....................................................................46 致谢....................................................................47 参考文献................................................................47 第一章 绪论 1.1 MATLAB/Simulink的简介 美国Mathworks公司于1967年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）这就是Matlab最早的雏形。开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。从Matlab诞生开始，由于其高度的集成性及应用的方便性，在高校中受到了极大的欢迎。由于它使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持，经过一代代人的努力，目前已发展到了7.X版本。Matlab是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充方便，尤其是世界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充Matlab的功能，使其成为了巨大的知识宝库。可以毫不夸张的说，哪怕是你真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。科研工作者通常可以通过Matlab来学习某个领域的科学知识，这就是Matlab真正在全世界推广开来的原因。目前的Matlab版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以像VB等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱），所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。另外，,Matlab和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，进一步拓宽了Matlab的应用潜力。可以说，Matlab已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，也是目前在动态系统的建模和仿真等方面应用最广泛的工具之一。确切的说，Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续、离散时间模型，或者是两者的混合。系统还可以使多种采样频率的系统，而且系统可以是多进程的。Simulink工作环境进过几年的发展，已经成为学术和工业界用来建模和仿真的主流工具包。在Simulink环境中，它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型图就如同用手在纸上画模型一样自如、方便，故用户只需进行简单的点击和拖动就能完成建模，并可直接进行系统的仿真，快速的得到仿真结果。它的主要特点在于： 1、建模方便、快捷； 2、易于进行模型分析； 3、优越的仿真性能。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。Simulink模块库（或函数库）包含有Sinks（输出方式）、Sources（输入源）、Linear（线性环节）、Nonlinear（非线性环节）、Connection（连接与接口）和Extra（其他环节）等具有不同功能或函数运算的Simulink库模块（或库函数），而且每个子模型库中包含有相应的功能模块，用户还可以根据需要定制和创建自己的模块。用Simulink创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。 用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过Simulink的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行仿真的批处理非常有用。采用Scope模块和其他的显示模块，可以在仿真进行的同时就可立即观看到仿真结果，若改变模块的参数并再次运行即可观察到相应的结果，这适用于因果关系的问题研究。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。模型分析工具包括线性化和整理工具，MATLAB的所有工具及Simulink本身的应用工具箱都包含这些工具。由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改模型。但是Simulink不能脱离MATLAB而独立工作。，1.2 通信技术的历史和发展 1.2.1 通信的概念 通信就是克服距离上的障碍，从一地向另一地传递和交换消息。消息是信息源所产生的，是信息的物理表现，例如，语音、文字、数据、图形和图像等都是消息(Message)。消息有模拟消息（如语音、图像等）以及数字消息（如数据、文字等）之分。所有消息必须在转换成电信号（通常简称为信号）后才能在通信系统中传输。所以，信号（Signal）是传输消息的手段，信号是消息的物质载体。 相应的信号可分为模拟信号和数字信号，模拟信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是连续的(分别如图1-2-1所示)，如电话机、电视摄像机输出的信号就是模拟信号。数字信号的自变量可以是连续的或离散的，但幅度是离散的(分别如图1-2-2所示)，如电船传机、计算机等各种数字终端设备输出的信号就是数字信号。 通信的目的是传递消息，但对受信者有用的是消息中包含的有效内容，也即信息(Information)。消息是具体的、表面的，而信息是抽象的、本质的，且消息中包含的信息的多少可以用信息量来度量。 通信技术，特别是数字通信技术近年来发展非常迅速，它的应用越来越广泛。通信从本质上来讲就是实现信息传递功能的一门科学技术，它要将大量有用的信息无失真，高效率地进行传输，同时还要在传输过程中将无用信息和有害信息抑制掉。当今的通信不仅要 有效地传递信息，而且还有储存、处理、采集及显示等功能，通信已成为信息科学技术的一个重要组成部分。 通信系统就是传递信息所需要的一切技术设备和传输媒质的总和，包括信息源、发送设备、信道、接收设备和信宿(受信者)，它的一般模型如图1-2-3所示。 信息源发送设备信道接收设备受信者 ↑ 噪声源 图1-2-3通信系统一般模型 通信系统可分为数字通信系统和模拟通信系统。数字通信系统是利用数字信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-2-4所示，信信源源信道数字制器数信信字受 道源信息编编调 解译译信码器码器道调器码器码器者 ↑ 噪声源 图1-2-4 数字通信系统模型 模拟通信系统是利用模拟信号来传递消息的通信系统，其模型如图1-2-5所示。 信息源调制器信道解调器受信者 噪声源 图1-2-5 模拟通信系统模型 数字通信系统较模拟通信系统而言，具有抗干扰能力强、便于加密、易于实现集成化、便于与计算机连接等优点。因而，数字通信更能适应对通信技术的越来越高的要求。近二十年来，数字通信发展十分迅速，在整个通信领域中所占比重日益增长，在大多数通信系统中已代替模拟通信，成为当代通信系统的主流。 1.2.2 通信的发展史简介 远古时代,远距离的传递消息是以书信的形式来完成的,这种通信方式明显具有传递时间长的缺点。为了在尽量短的时间内传递尽量多的消息,人们不断地尝试所能找到的各种最新技术手段。1837年发明的莫尔斯电磁式电报机标志着电通信的开始,之后，利用电进行通信的研究取得了长足的进步。1866年利用海底电缆实现了跨大西洋的越洋电报通信。1876年贝尔发明了电话,利用电信号实现了语音信号的有线传递，使信息的传递变的既迅速又准确，这标志着模拟通信的开始，由于它比电报更便于交流使用，所以直到20世纪前半叶这种采用模拟技术的电话通信技术比电报的到了更为迅速和广泛的发展。1937年瑞威斯发明的脉冲编码调制标志数字通信的开始。20世纪60年代以后集成电路、电子计算机的出现，使得数字通信迅速发展。在70年代末在全球发展起来的模拟移动电话在90年代中期被数字移动电话所代替，现有的模拟电视也正在被数字电视所代替。数字通信的高速率和大容量等各方面的优越性也使人们看到了它的发展前途。1.3 通信技术的发展现状和趋势 进入20世纪以来，随着晶体管、集成电路的出现与普及、无线通信迅速发展。特别是在20世纪后半叶，随着人造地球卫星的发射，大规模集成电路、电子计算机和光导纤维等现代技术成果的问世，通信技术在以下几个不同方向都取得了巨大的成功。（1）微波中继通信使长距离、大容量的通信成为了现实。 （2）移动通信和卫星通信的出现，使人们随时随地可通信的愿望可以实现。（3）光导纤维的出现更是将通信容量提高到了以前无法想象的地步。 （4）电子计算机的出现将通信技术推上了更高的层次，借助现代电信网和计算机的融合，人们将世界变成了地球村。 （5）微电子技术的发展，使通信终端的体积越来越小，成本越来越低，范围越来越广。例如，2003年我国的移动电话用户首次超过了固定电话用户。根据国家信息产业部的统计数据，到2005年底移动电话用户近4亿。 随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。到那时人们的生活将越来越离不开通信。 第二章 数字频带传输系统 在数字基带传输系统中，为了使数字基带信号能够在信道中传输，要求信道应具有低通形式的传输特性。然而，在实际信道中，大多数信道具有带通传输特性，数字基带信号不能直接在这种带通传输特性的信道中传输。必须用数字基带信号对载波进行调制，产生各种已调数字信号。 图 2-1 数字调制系统的基本结构 数字调制与模拟调制原理是相同的，一般可以采用模拟调制的方法实现数字调制。但是，数字基带信号具有与模拟基带信号不同的特点，其取值是有限的离散状态。这样，可以用载波的某些离散状态来表示数字基带信号的离散状态。基本的三种数字调制方式是：振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)和移相键控(PSK 或DPSK)。 本章重点论述二进制数字调制系统的原理及其抗噪声性能，简要介绍多进制 数字调制原理。2.1二进制振幅键控(2ASK) 振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制.当数字基带信号为二进制时,则为二进制振幅键控.设发送的二进制符号序列由0,1序列组成,发送0符号的概率为P,发送1符号的概率为1-P,且相互独立.该二进制符号序列可表示为 （2-1-1） 其中: （2-1-2） Ts是二进制基带信号时间间隔,g(t)是持续时间为Ts的矩形脉冲: （2-1-3） 则二进制振幅键控信号可表示为 （2-1-4） 二进制振幅键控信号时间波型如图 22 可以看出,2ASK信号的时间波形e2ASK(t)随二进制基带信号s(t)通断变化,所以又称为通断键控信号(OOK信号).二进制振幅键控信号的产生方法如图22 可以看出,2ASK信号与模拟调制中的AM信号类似.所以,对2ASK信号也能够采用非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法),其相应原理方框图如图25 所示._ 图 2 – 2 二进制振幅键控信号时间波型 图2-3 二进制振幅键控信号调制器原理框图 图 2 –4 二进制振幅键控信号解调器原理框图 图 26 所示,图中波形g可分解为波形e和波形f,即二进制移频键控信号可以看成是两个不同载波的二进制振幅键控信号的叠加.若二进制基带信号的1符号对应于载波频率f1,0符号对应于载波频率f2,则二进制移频键控信号的时域表达式为 e2FSK(t)ang(tnTs)cos(1tn)ang(tnTb)cos(2tn) （2-1-5） nn （2-1-6） （2-1-7） 图 2-6 二进制移频键控信号的时间波形 由图 28 所示.其解调原理是将二进制移频键控信号分解为上下两路二进制振幅键控信号,分别进行解调,通过对上下 两路的抽样值进行比较最终判决出输出信号.非相干解调过程的时间波形如图 210 所示.其基本原理是,二进制移频键控信号的过零点数随载波频率不同而异,通过检测过零点数从而得到频率的变化.在图 29)其中, an与2ASK和2FSK时的不同,在2PSK调制中,an应选择双极性,即 （2-1-10） （2–1-11） 若g(t)是脉宽为Ts, 高度为1的矩形脉冲时,则有 e2PSK(t)=cosωct, 发送概率为P -cosωct，发送概率为1-P 由式(2-111 所示.图 2 – 11 二进制移相键控信号的时间波形 二进制移相键控信号的调制原理图如图 214 所示.当恢复的相干载波产生180°倒相时,解调出的数字基带信号将与发送的数字基带信号正好是相反,解调器输出数字基带信号全部出错. 图 2-122PSK信号的调制原理图 图 2-132PSK信号的解调原理图 图 2-142PSK信号相干解调各点时间波形 这种现象通常称为“倒π”现象.由于在2PSK信号的载波恢复过程中存在着180°的相位模糊,所以2PSK信号的相干解调存在随机的“倒π”现象,从而使得2PSK方式在实际中很少采用. 第三章 调制与解调仿真 3-1 2ASK的调制与解调仿真 1。调制仿真 （1）建立模型方框图 2ASK信号调制的模型方框图由DSP模块中的sinwave信号源、方波信号源、相乘器等模块组成，Simulink 模型图如下所示： 图3-1 2ASK信号调制的模型方框图 其中正玄信是载波信号，方波代表S（t）序列的信号塬，正玄信号和方波相乘后就得到键控2ASK信号。2）参数设置 建立好模型之后就要设置系统参数，以达到系统的最佳仿真。从正玄信号源开始依次的仿真参数设置如下： 图3-2 正玄信号参数设置 其中sin函数是幅度为2频率为1Hz采样周期为0.002的双精度DSP信号 图3-3 方波信号源的参数设置 方波信号是基于采样的，其幅度设置为2，周期为3，占1比为2/3 3）系统仿真及各点波形图 经过上面参数的设置后，就可以进行系统的仿真下面是示波器显示的各点的波形图： 图3-4 各点的时间波形图 由上图可以看出信息源和载波信号相乘之后就产生了受幅度控制的2ASK信号。1． 解调仿真 2ASK的解调分为相干解调和非相干解调法，下面采用相干解调法对2ASK信号进行解调(1)建立simulink模型方框图 相干解调也叫同步解调，就是用已调信号恢复出载波——既同步载波。再用载波和已调信号相乘，经过低通滤波器和抽样判决器恢复出S(t)信号，simulink模型图如下： 图3-5 2ASK相干解调的 simulink模型方框图 （2）参数设置 建立好模型之后，开始设置各点的参数，由于低通滤波器是滤去高频的载波，才能恢复出原始信号，所以为了使已调信号的频谱有明显的搬移，就要使载波和信息源的频率有明显的差别，所以载波的频率设置为100Hz.为了更好的恢复出信源信号，所以在此直接使用原载波信号作为同步载波信号。下面是低通滤波器的参数设置： 图3-6 低通滤波器的参数设置图 （3）系统仿真及各点时间波形图 图3-7 2ASK信号解调的各点时间波形图 由上图可以看出由于载波频率的提高使的示波器在波形显示上出现了一定的困难，不过要想显示调制部分的理想波形只要调整示波器的显示范围即可。（4）误码率分析 由于在解调过程中没有信道和噪声，所以误码率相对较小，一般是由于码间串扰或是参数设置的问题，由3-5图可以看出此系统的误码率为0.3636。3-2 2FSK的调制与解调仿真 1．调制仿真 2FSK信号是由频率分别为f1和f2的两个载波对信号源进行频率上的控制而形成的，其中f1和f2是两个频率有明显差别的且都远大于信号源频率的载波信号，2FSK信号产生的simulink仿真模型图如下所示： 图3-8 2FSK信号的simulink模型方框图 其中sin wave和sin wave1是两个频率分别为f1和f2的载波，Pulse Generator模块是信号源，NOT实现方波的反相，最后经过相乘器和相加器生成2FSK信号，各参数设置如下： 载波f1的参设 图3-9 载波sin wave的参数设置 其中幅度为2，f1=1Hz,采样时间为0.002s在此选择载波为单精度信号 f2的参数设置 图3-10 载波sin wave1的参数设置 载波是幅度为2，f2=2,采样时间.为0.002的单精度信号。 本来信号源s(t)序列是用随机的0 1信号产生，在此为了方便仿真就选择了基于采样的Pulse Generator信号模块其参数设置如下： 图3-11 Pulse Generator信号模块参数设置 其中方波是幅度为1，周期为3，占1比为1/3的基于采样的信号。经过以上参数的设置后就可以进行系统的仿真，其各点的时间波形如下： 图3-12 2FSK信号调制各点的时间波形 由上图可以看出经过f1和f2两个载波的调制，2FSK信号有明显的频率上的差别。2．解调仿真 解调方框图如下所示： 图3-13 2FSK信号解调方框图 其中From File是一个封装模块，就是2FSK信号的调制模块，两个带通滤波器分别将2FSK信号上下分频f1和f2 ,后面就和2ASK信号的解调过程相同，各参数设置如下： 图3-14 2FSK信号f1带通滤波器参数设置 图3-15 2FSK信号f2带通滤波器参数设置 经过系统仿真后的各点时间波形如下： 图3-15 2FSK信号解调各点时间波形 经过系统的仿真可以观察出系统的误码率为0.7273，如下图所示： 图3-16 2FSK相干解调误码率 3-3 2PSK的调制与解调仿真 1．调制仿真 在二进制数字调制中,当正弦载波的相位随二进制数字基带信号离散变化时,则产生二进制移相键控(2PSK)信号.在此用已调信号载波的 0°和 180°分别表示二进制数字基带信号的 1 和 0.用两个反相的载波信号进行调制，其方框图如下： 图3-17 2PSK信号调制的simulink的模型图 其中Sin wave和Sin wave1是反相的载波，正玄脉冲作为信号源，各个参数设置如下： 图3-18 Sin wave信号参数设置 图3-19 Sin wave1信号的参数设置 由上面两个图可以看出两个载波是幅度为3频率为4Hz采样时间为0.002s的反相信号。 图3-20 脉冲信号的参数设置 脉冲信号是幅度为2周期为1占空比为50%的基于时间的信号。 图3-21 2PSK调制的各点时间波形 2． 解调仿真 （1）建立simulink模型方框图如下： 图3-22 2PSK解调框图 （2）各点的时间波形如下所示： 图3-23 2PSK解调各点的时间波形 （3）结果分析 由3-22图可以看出其误码率为0.6667，由于没有噪声的影响所以误码率一般在0.5，由于系统的 不 准确性和码间影响所以误码率稍微偏大。 总结 本文通过对数字信号的simulink建模仿真，使我数字键控的概念又有了更深的了解，而且也熟悉了simulink软件的操作，在此非常感谢李义红教员和井亚鹊教员对我的指导和支持。使我在设计和论文过程中非常顺利的完成。由于个人能力有限，在设计和论文中可能存在种种的不足之处，希望各位教员和评委予以指出，谢谢！ 致谢 参考文献 IEC 61850的特别之处是它不是由一个原先的串行链路改写至TCP/IP以太网的协议, 而是重新设计的网络通信协议。传统协议通常会定义字节如何传输, 但并没有从应用的角度指定数据应该如何组织;IEC61850则不然, 除了规范的协议功能 (定义字节如何传输) , 还定义了电力系统设备如何有规则地组织数据的综合模型。 IEC 61850规定的范围为变电站内的通信, 定义了变电站通信网络的各个方面。 61850构建架构主要采用的是“抽象”定义的数据项和服务, 即创建数据项/对象和服务独立于任何底层的协议。抽象的定义使数据对象和服务可以映射至任何协议以满足数据和服务的要求。抽象服务的定义在标准的7.2章节, 而数据对象的抽象 (被称为逻辑节点) 在7.4章节中定义。由于需对数据对象是由公共片构成 (例如:状态、控制、测量、替代) , 公共数据类 (CDC) 的概念被提出, 用于定义创建更大的数据对象的公共构建块, 其中CDC元素在章节7.3中定义。 在章节8.1中定义了抽象数据和服务与MMS之间的映射关系。 从系统角度, 需要大量的配置工作才能使各个部分组合在一起协同工作, 为了促进这个过程以及消除大部分的人为错误, 基于XML的变电站配置语言SCL在章节6中定义, 该语言对变电站自动化系统和变电站之间的关系作出正式描述。 规范的章节10定义了一个测试方法, 以确定“一致性”的众多协议定义和文档中定义的约束。 2 系统需求 随着智能变电站技术在电力行业的推广和应用, 不同厂商的设备基于IEC 61850标准实现了互通互联。但在智能变电站设备的开发测试和工程部署过程中, 研发人员和工程实施人员会面临着诸多问题:如何方便快捷地搭建测试环境, 对后台监控系统和通信管理机进行相应的功能/性能测试;在智能变电站的联调作业的场景下, 如何能快捷高效地核对信号, 排查各厂家ICD配置文件的兼容性问题;如何在间隔不停电的情况下, 完成数据库维护修改和信号核对工作。 为解决上述问题, 设计智能变电站测控装置仿真软件, 以实现测控装置测量、控制、五防等功能的仿真。 该测控装置仿真软件可应用于变电站联调作业时的四遥信号核对工作, 方便快捷地检查出各厂家ICD文件在与后台系统通信时的问题;在变电站运行人员对后台监控系统的数据库进行重新配置后, 可以在此仿真软件的配合下, 在间隔不停电的情况下, 实现后台数据库四遥信号的核对工作;可对后台监控系统、远动通信装置、保信管理机进行功能/性能测试。 3 系统设计 设计智能变电站测控装置仿真软件, 对下通过与过程层设备通信实现交流量 (SMV) 数据的采集和控制量 (GOOSE) 数据的交互;对上通过IEC 61850服务器通信模块将四遥信息及时向监控后台上传, 同时实时响应监控后台的各种命令。 仿真结构如图1所示, 主要包括3个部分: (1) 过程层通信仿真模块 (如图2所示) :实现与过程层设备通信功能的仿真, 包括控制量信息交互和交流量采集。 (2) 站控层MMS通信仿真模块:仿真实现测控装置的MMS通信服务功能, 包括四遥信息上送功能和监控后台命令交互功能。该模块通过解析数字化装置的ICD模板来获取测控装置的各项参数, 通过加载61850服务器功能模块来实现仿真装置的MMS通信功能, 将每个仿真装置的MMS通信进程绑定于计算机网卡上预设的IP地址, 实现单台计算机仿真多台虚装置的功能。每个虚装置的MMS通过TCP/IP协议与后台监控系统, 远动通信管理机, 保信管理装置建立通信连接, 并进行信息交互, 流程如图3所示。 (3) 测控功能处理模块:将过程层通信仿真模块采集的控制量数据和交流量数据转发至站控层MMS通信仿真模块, 实现五防规则逻辑判断, 遥控命令、定值命令响应处理等功能。 该模块将控制量数据缓冲区和交流量数据缓冲区的数据转发至遥信数据缓冲区和遥测数据缓冲区, 解析五防规则配置文件, 并根据五防规则判断并响应后台遥控命令, 实现测控装置五防功能的仿真。处理流程如图4所示。 4 系统应用 4.1 应用范围 (1) 变电站运行场景下, 此系统作为日常维护工作的辅助工具, 保证变电站运行人员在保证间隔不停电的情况下, 完成信号的核对工作。 (2) 在变电站的安装联调作业场景中, 仿真测试系统可以快速地实现对各厂家数字化装置的仿真, 对于及时检查数据配置工作的正确性具有重要作用。 (3) 在对后台监控系统的功能/性能进行测试时, 使用本仿真测试系统可以方便快捷地搭建出全变电站间隔层数字化装置的仿真运行环境, 进行遥测越限、遥信雪崩、五防规则检查、保护事件传动模拟等测试, 大大提高了对后台监控系统的测试技术水平和测试效率。 4.2 部署模式 站控层仿真测试系统在仿真数字化装置时首先需要载入装置的ICD文件, 以建立装置的仿真模型, 每个仿真模型建立后都需要占用一定的内存空间。仿真系统核心功能MMS通信模块使用C语言编写, 代码执行效率高。通过实际运行统计, 每仿真一台数字化装置只需要占用5M内存。此仿真系统可以在两种模式下进行部署:普通部署模式, 通常用在仿真装置数量不超过100台的情况, 在普通PC机上运行此软件, 即可满足使用要求;性能模式, 通常用在仿真装置数量超过100台、仿真变电站超过2个的情况, 要求将此仿真系统安装于小型服务器上, 并保证大于4 G物理内存空间。 4.3 操作过程 (1) 导入仿真装置的ICD模板, 生成仿真装置的仿真模型。在此阶段可以对仿真装置的配置参数进行定义, 如配置仿真装置的装置名称、IP地址、信号名称等。 在基本配置的基础上还可以进一步定制如下高级测试功能:定制遥信雪崩测试, 可以预先设定雪崩测试的遥信信号个数、间隔时间、发送次数等信息;定制遥测越限测试, 可以预先设定某一路或某几路电流/电压通道随时间状态的变化幅度、持续时间, 用于检测后台的遥测越限告警功能;定制遥信成组变化测试, 根据保护动作、各遥信信号的上送顺序, 在仿真配置界面设置相应遥信信号随时间状态的上送顺序, 在实际测试时可以实现保护动作过程中各信号上送的回放过程。 (2) 仿真装置IP地址绑定网卡。仿真服务器主机的网卡上可以绑定多个IP地址, 根据实际需要配置, 在仿真装置启动后, 其相应的MMS通信进程会绑定至相应的IP地址, 建立相应的61850 MMS服务进程。 (3) 仿真功能模拟。 可手动进行仿真装置的功能操作, 手动设置遥测值、置位/复位遥信、上送保护事件等, 配合后台监控系统也可进行遥控操作、召唤修改装置定值操作。 除上述基本仿真功能操作外, 还可以基于仿真测试系统定制成组测试任务, 用于测试后台监控系统的功能/性能。 摘要：基于IEC 61850标准, 设计智能变电站测控仿真软件, 实现IEC 61850服务器通信模块的仿真。 关键词：IEC 61850,MMS,IEC 61850服务器,仿真 参考文献 [1]刘焕志, 胡剑锋, 李枫, 等.变电站自动化仿真测试系统的设计和实现[J].电力系统自动化, 2012, 4 (1) 关键词：磁悬浮转台,全物理仿真,运动体,非线性 1 引言 在研制空间飞行器过程中,为了在地面全物理仿真实验中模拟出空间的失重效果,国内外通常采用吊丝配重式、水浮式或气浮的方式。采用吊丝配重的方式,可以保证吊丝偏角很小且拉力与物体重力相等,以补偿飞行器本体重力负载的影响。但是在实践中,这种方式的具体实施极其困难,其难度甚至超过飞行器本身的控制。水浮实验系统所用的纯净水的养护费用极高,并且难以对实验对象本身进行防水与配重处理。因此,无论是水浮还是吊丝配重,在转轴方向都始终难以完全补偿重力的影响。而气浮台实验系统的气源装置由空气压缩机、储气、干燥和过滤设备等组成,本身结构非常复杂,一般需要专人维护,具有占用空间大、运输及维护费用高等特点,并且高压气体本身也存在振动噪声大、安全隐患大的缺点。 针对国内外现有转台、水浮系统、钓丝配重装置等在完整性、复杂性、安全性等方面的诸多局限性,我们拟设计一种新型的卫星仿真单轴磁悬浮自由转台,克服已有仿真技术的不足之处,主要用于对飞行器等运动体进行全物理仿真,为其提供一个试验平台,确保进行完善的动力学实验和自主闭环控制试验。 2 磁悬浮转台应用原理 转台是一个旋转平台,它为工程应用设备运行提供一个可以转动的测试环境,即提供一个铅锤方向的转轴和可绕转轴旋转的平台。主要用于航空航天等飞行器实际工程实验验证与综合测试,以及多学科实验研究与高端实验教学。具体可分为用于全物理仿真的自由转台、用于半物理仿真的力矩电机伺服转台。 磁悬浮转台利用同性磁极互相排斥的基本原理,以磁体产生的推力来平衡转台及固定安装于其上的应用载荷的重力,使转台及其上面的应用载荷悬浮起来,可以绕转轴无摩擦地旋转。在竖直方向上转动部分的数学模型为 其中,m是转动部分的质量,z是转动部分在竖直方向的位移(向上为正),Fm、Fd分别是磁力与干扰力,g是重力加速度。 从目前的研发实验情况看,如果仅仅采用永磁被动悬浮,则转动部分的质量变化不能太大。假如磁力与重力已经达到平衡,如果转动部分质量增加,则转子与定子的轴向间隙将减小;如果转动部分质量减小,则转子与定子的轴向间隙将增大。 然而,转台及其载荷的旋转运动测量是对转台设计最基本的约束。本系统采用同步感应器来测量转台相对转轴的转动状态信息,该传感器转子和定子之间的间隙直接影响测量信号的品质,保证其测量信号精度和稳定度是结构设计的前提。为此,必须使同步感应器转子与定子之间的间隙处于一个适当的范围。 为了兼顾同步感应传感器的测量与载荷质量较大范围变化,本系统拟在原来永磁被动悬浮的基础上,增加电磁主动控制悬浮。这样,当由于转动部分质量增加引起同步感应传感器转子与定子的间隙减小时,通过改变电磁线圈电流产生适当大小向上的电磁力,促使转动部分向上浮起,间隙增大到希望的范围;而当由于转动部分质量减小引起同步感应传感器转子与定子的间隙增大时,通过改变电磁线圈电流产生适当大小向下的电磁力,促使转动部分向下沉降,间隙减小到希望的范围。 从上、下传感器的间隙和平行度出发,安装电磁控制位移传感器,并结合载荷变化范围确定电磁组件和永磁组件的安装位置及公差。此外还为载荷运动传感器安装柔性机械保护装置,以确保关闭电磁控制回路时对其进行保护。 电磁永磁主被动混合悬浮主要是对磁学、电学、机械理论和控制科学等多学科理论进行综合应用,是关键技术攻关具有坚实的理论依据,以实现应用目标和指标。例如,在电磁悬浮控制方面,一般研究将非线性动力学模型线性化,基于线性化模型设计控制器。如果线性控制理论不能实现本系统的目标和指标要求,项目组将研究直接基于非线性动力学的控制理论,将李亚普诺夫方法与智能控制理论相结合,进行必要的创新性研究。 目前,可控磁悬浮技术的两个最主要工业应用领域是磁悬浮列车和电磁轴承。将磁悬浮原理用于全物理仿真自由转台正是电磁轴承在应用方面的一个创新。 在全物理仿真领域中,采用磁悬浮全物理仿真自由转台替代气浮台实验系统,可以克服其本身结构非常复杂,一般需要专人维护,具有占用空间大、运输及维护费用高、振动噪声大、安全隐患大的缺点。 3 磁悬浮转台的设计 (1)采用永磁推力偏置+电磁差动吸/推补偿的混合磁悬浮方式。首先是从静态和动态相对定子的水平基准建立高性能的铅锤方向转轴和垂直于转轴的工作台面,其次是保证在载荷质量惯量变化时仍然具有适应能力。 (2)根据实际应用要求的载荷变化范围进行系统设计。以载荷重量的平均值作为上、下永磁环设计的基本依据,根据变化范围大小并留有适当的余量作为对电磁力的约束来设计电磁铁。 (3)基于与载荷角运动测量传感器一体化安装要求进行结构设计。载荷运动测量是对转台设计最基本的约束,保证其测量信号精度和稳定度是结构设计的前提,从上、下传感器的间隙和平行度出发,安装电磁控制位移传感器,并结合载荷变化范围确定电磁组件和永磁组件的安装位置及公差。此外还为载荷运动传感器安装柔性机械保护装置,以确保关闭电磁控制回路时对其进行保护。 (4)载荷运动测量与载荷重量变化紧密联系,确保主动闭环悬浮控制目标的实现。将由载荷运动上、下传感器的间隙和平行度测量数据作为电磁悬浮控制器设计的基本测量信息。 (5)基于机理分析建模与有限元分析建模相结合的方法进行磁力分布设计。采用机理分析建模对于气隙较小时是适用的,但当气隙太大时就难以反映实际动态特性。特别是电磁悬浮单元工作时,电流变化会引起磁滞和涡流效应,进而产生感应电磁场抵制原有电磁场,导致饱和非线性。采用有限元分析,可以更实际地掌握饱和非线性特性。 4 磁悬浮转台的实现 在工艺设计及加工装配上,尽可能减小转子偏心对动态特性的影响。作为全物理仿真的支撑平台,磁悬浮转台的根本目的是为载荷仿真提供一个高性能的自由转轴,为达到此目的,首先要进行科学的工艺设计和严谨的加工装配,确保为作为转子的载荷提供一个绝对水平基准的定子。在转轴、轴承、大罐、小罐和基底设计等各个方面都采取必要的措施,这对转台满足实际应用要求至关重要。 确保转台运动测量要求的综合结构设计。载荷运动测量是对转台设计最基本的约束,保证其测量信号精度和稳定度是结构设计的前提,从上、下传感器的间隙和平行度出发,安装电磁控制位移传感器,并结合载荷变化范围确定电磁组件和永磁组件的安装位置及公差。此外还为载荷运动传感器安装柔性机械保护装置,以确保关闭电磁控制回路时对其进行保护。 需要特别强调的是,传统上同步感应器定子安装在基座部分,转子安装在转动部分。但是本系统与一般习惯不同,采用定子与转子反装的结构设计,这样才能保证属于转动部分的应用载荷可以独立测控和自主闭环运行。 4.1 系统实现内容 研究开发一种用于飞行器等运动体全物理仿真的磁悬浮转台,该转台可以适应载荷质量较大范围的变化,便于应用载荷独立测控和自主运行。按照多学科协同攻关的模式,完成该系统的方案设计、加工装配、安装调试。 4.2 研制出的磁悬浮转台具备的特点 (1)结构紧凑经济性:整个仿真实验支撑系统的结构组成不能太复杂(如气浮、水浮、吊丝等就太复杂),降低投资成本。 (2)实验操作方便性:仿真实验支撑系统操作简单,便于使用和维护。 (3)运行环保安全性:在仿真实验支撑系统运行过程中,噪声小,无污染,没有安全隐患。 (4)仿真应用完备性:确保进行完备的全物理仿真,即无需外界物理连接,实验对象运行时所有功能组成部分均有载荷独立提供,就能进行自主闭环控制。 (5)力学模拟真实性:仿真实验支撑系统(如转台)对实验对象(模拟飞行器)提供高性能的转轴,干扰力矩小。 (6)载荷变化适应性:当任务要求的载荷质量惯性特性发生变化时,能够自动保持所需的支撑性能。 (7)可以向其他应用领域推广(如磁悬浮家具)。 4.3 实现的技术指标 可以适应载荷质量变化的范围。假设仅采用永磁被动悬浮所能浮起的标称载荷质量为m0,则实际载荷质量与标称载荷质量之比勐[0.5,2]。 转台水平度优于6×10-5(相当于1m直径的平面内,凹凸度小于0.00006m)。 转轴指向精度:空载时优于1″,满载时优于3″。 转台干扰力矩:≤9×104N·m。 4.4 实现步骤 (1)依赖于永磁推力被动悬浮的磁悬浮转台研究开发 图1为效果示意图,图2为工艺装配简易示意图。 (2)主被动混合磁悬浮转台总体结构方案研究与顶层设计 相对于图2比较而言,拟增加电磁单元和电磁控制单元,视详细设计分析计算与综合试验测试所达到的指标情况,决定是否继续保留与手动调节间隙有关的结构。如图3所示总体结构简易示意图,主要包括以下7个单元:(1)构支撑单元:基底、外罐、内罐等。(2)轴承单元:上轴承、下轴承及其保护件等。(3)载荷运动测量单元:上传感器、下传感器及其安装副等。(4)永磁单元:上磁环、下磁环及其安装副等。(5)电磁单元:推力盘、线圈等。(6)电磁控制单元:气隙测量传感器、控制器、功放及电源等。(7)轴面单元:转轴、转台台面等。 (3)设计、分析与计算 确定载荷质量(如设m0=300kg),并按照计划的技术指标向各单元进行逐步分解。 基于机理模型分析确定初步方案。建立转台运动的数学模型、永磁推力模型和电磁力模型,结合被动悬浮研发与实验调试阶段已经积累的经验,确定永磁单元的初步方案。根据载荷质量变化范围要求,确定电磁单元的初步方案。进一步确定其它各单元的初步方案。对项目初步方案进行评审。 基于各单元的初步方案建立相应的计算机辅助设计模型,采用有限元分析方法对系统进行电磁学、动力学、自动控制和机械工艺等多学科综合设计,反复迭代,按照转台水平度、转轴指向精度、转台干扰力矩等指标要求进行详细设计。 对于如图3所示的单轴磁悬浮自由转台,在适当的假设下可以得到简化的轴向运动方程,其中Fpm、Fem分别为永磁力与电磁力,z为由间隙测量传感器测量的同步感应器转子与定子之间的间隙,εp、εej为永磁体与第j(j=1,2)个电磁线圈的安装偏执间隙,Bp,Ap为永磁体气隙磁密与极面积,Nj,Aj(j=1,2)为电磁线圈匝数与磁极面积,μ0为空气磁导率。 显然,磁悬浮系统数学模型是一个二阶非线性微分方程。目前大多数研究人员普遍对电磁力进行线性化处理,将式(4)在点ij=ij0、z=z0的邻域内,按照二元函数进行Taylor展开,忽略二阶及其以上高阶项后,获得线性化模型 其中kij、kzj分别为位移系数与电流系数。 然后基于线性化模型,采用线性控制理论分析并设计控制器,如经典PID控制方法和现代最优控制方法等。 5 系统指标的测试 系统测试是通过磁荷积分法得到一个推力计算公式,再考虑到磁材料本身的因素加入一些修正系数来进行的。假设永磁体极面是a×b的矩形,气隙为z+εp,工作点的磁通为Br,则气隙磁密为 其中η是经验修正系数,见表1。 假如永磁体为圆柱体,直径为D,气隙为z+εp,工作点的磁通为Br,则气隙磁密为 其中,Fp为磁力(推力或引力),N;Bp为气隙磁密(G);Ap为极面积,mm2。 外径为130mm,内径为90mm,高度为20mm的两个磁圆环,材料为N35的计算与实验数据见图4。 外径为180mm,内径为130mm,高度为25mm的两个磁圆环,材料为N35的计算结果如图5所示。 图6是以本系统研制的永磁悬浮自由转台为支撑,进行全物理仿真的控制实验测试结果。 经过系统测试证明用磁悬浮转台进行全物理仿真控制,其稳定性好,可靠性高。 磁悬浮转台在磁悬浮仿太空飞行器上已得到应用,其稳定性与可靠性均达到预期效果。以磁悬浮转台为基础的磁悬浮仿太空飞行技术的应用可以大大缩短卫星的研制周期,降低成本,提高效率,增强飞行器的可靠性。因此磁悬浮转台具有很广泛的应用领域各极高的推广价值。 参考文献 [1]于溯源,徐旸.磁悬浮轴承研究进展[M].北京:原子能出版社,2007:183-185. [2]周顺荣.电磁场与机电能量转换[M].上海交通大学出版社,2006:175-179. 车载自组网是运行于道路上的新型移动自组织网络, 可以实现车辆间、车辆与路边节点间的多跳无线通信。就车辆与路侧设施通信 (V2I) 而言, 车辆与路侧设施通信是指路侧通信设施与其传输距离范围内的车辆之间进行信息交换。V2I结构的优点在于可以使用大量已经架设的通信设施, 费用低廉, 并且由于位置的固定具有相对于车车通信更高的稳定性和准确性。为优质的通信质量提供了保证。 2 Veins系统仿真环境 Veins是一个由基于事件的网络仿真器和道路交通仿真模型构成的具有开放资源的车间通信仿真系统。其中, 网络仿真器使用OMNe T++软件, 道路交通仿真使用SUMO软件。在进行仿真时, 两个仿真器平行运行, 通过TCP接口连接, 从而完成道路交通与网络的双向互联。 3 车路通信仿真 本文首先使用双向耦合仿真平台Veins对车路通信进行模拟仿真, 将交通仿真器中的车辆和路侧设备映射为网络仿真器中的节点, 并在网络仿真器中实现两者的信息交互。通过与车-车通信进行对比, 研究两者使用基于距离的广播方案时的性能参数, 展现出车-路通信良好的抗干扰性能和稳定性;与此同时, 还实现了车辆动态的路径选择, 在车辆接收到事故信息时, 车辆根据自身位置选择新的行驶路线。 3.1 仿真场景 本次试验用到的场景是曼哈顿网格 (500m×500m) , 网格中的道路为单向车道, 车路通信过程中交叉口位置设置有红绿灯, 车辆节点以车流的方式从左上角经过对角行驶至右下角, 事故节点在35s时发生事故, 广播范围分别设置为200m和500m, 用来测试它对信息传播的影响, 车辆密度的调整体现在车流的总体数目, 分别设置为200辆和300辆。通过对车——车通信与车——路通信进行对比, 分析使用相同广播方案时两种不同的通信方式各自表现出来的广播性能, 并具体分析了车辆密度、广播范围, 是否采用特定的广播方案等条件对传输比以及广播延时的影响。 3.2 仿真结果 3.2.1 曼哈顿网格场景下的广播方案参数评估 图1展示车车通信和车路通信中的传输比值的对比图, 从图中可以看出:在相同的条件下, 车车通信的传输比相较于车路通信要低一些, 这是由于车路通信采用了路侧节点转发消息从而减轻了消息广播过程中的信息冲突。 图2展示了车车通信和车路通信中的延时的对比图, 从图中可以看出:在相同的条件下, 车车通信的延时相较于车路通信要高一些, 这是由于试验中计算的是延时的平均值, 车车通信中部分节点未收到消息则延时即为零值。 3.2.2 曼哈顿网格场景下的动态路径选择 这一小节使用车路通信实现车辆的动态路径选择, 即处于一定位置的车辆在接收到事故消息之后选择一条新的到达终点的路径, 我们定义第一条路径为路径0, 第二条路径为路径1, 使处于A到B上的节点在接收到事故消息是实现路径的改变 (这是考虑到事故节点的停留时间等因素) 。 得到的实验截图如图3所示: 由上面的图可以证实, 实现了使用车路通信的车辆动态路径选择。 参考文献 [1]肖玲, 李仁发, 罗娟.车载自组网的仿真研究综述[J].系统仿真学报, 2009, 21 (17) :5330-5356. [2]OPNET Simulator.[EB/OL].[2009-4-6].http://hvww.opnet.com/ 在现代通信系统中以PCM为代表的编码调制技术已被广泛应用于模拟信号的数字传输, 数字微波通信、光纤通信、卫星通信中均获得了极为广泛的应用。 PCM抗干扰能力强, 传输性能稳定, 远距离信号再生中继时噪声不累积。PCM通信系统能实现传输和交换一体化, 可实现数据传输与数据处理一体化, 适应信息化社会对通信的要求。 1 MATLAB中的蒙特卡罗仿真模型 1.1 蒙特卡罗方法 蒙特卡罗方法也称统计试验法, 它是一种利用统计抽样理论来近似的方法。它的基本思想是:首先建立与描述与该问题有相似性的一个概率模型或是随机过程, 使它的参数等于问题的解, 然后通过对模型或过程的观察或抽样实验来计算所求参数的统计特征, 最后给出所求解的近似值。并对解的精度作某些估计。 对于通信系统来说, 不确定性主要是由于传输过程中信道噪声的干扰, 发送信号在接收端有可能进行了错误的处理, 接收信号发生错误的变化, 而其作为性能的衡量指标就是误码率, 所以, 蒙特卡罗方法在通信系统仿真中的典型应用就是仿真出通信系统的误码率, 并通过误码率进行系统的性能分析。 概率论中的大数定律是蒙特卡罗仿真方法的主要理论基础, 随机变量的抽样分析是它最主要的手段。 1.2 二进制数字通信系统的蒙特卡罗 (Monte Carlo) 仿真模型 图1中, 首先产生一系列二进制数据序列, 产生此序列的方法是通过均匀随机发生器产生一组随机数, 范围都在 (0~1) 内, 然后判断随机数, 当落在 (0~0.5) 内, 图中二进制数据源就输出0, 否则输出1, 这样就产生出所要的二进制数据序列了。图中的高斯随机数发生器产生一组高斯分布的随机数, 用于模拟信道中的噪声。 因此, 图中检测器的输入序列就包括了噪声。然后检测器内部进行判断, 当检测器输入值小于0.5时, 检测器输出0, 否则输出1。然后, 将检测器输出信号与二进制数据源进行逐个比较, 比较结果由差错计数器统计输出, 这样就得到差错数和差错数与采样值N的比值。 2 PCM通信系统 2.1 PCM基本原理 脉冲编码调制 (PCM, Pulse Code Modulation) 简称脉码调制, 是用二进制代码取代连续模拟信号的抽样值从而进行信息传输的编码技术, 即将时间和幅值都连续的模拟信号转变成时间和幅值都离散的二进制信号。从模拟信号变成数字信号经过三个步骤, 即抽样, 量化, 编码。 对模拟信号进行等时间间隔抽样, 变成时间上离散的PAM信号, 此时PAM仍为模拟信号, 再将PAM信号无限的抽样值量化成有限个可能值, 使之成为时间和取值上都离散的多进制数字信号, 最后对量化后的多进制信号进行二进制编码, 最终成为PCM信号。 为了改善小信号的量化性能, 本文采用压扩非均匀量化。ITU有两种建议方式, 它们分别是A律和μ律方式, 我国和欧洲国家采用A律方式, 但是A律压缩实现较复杂, 通常采用13折线法编码来近似A律。 2.2 PCM通信系统的仿真模型 本文PCM通信系统的仿真采用蒙特卡罗模型, 仿真框图如图2所示: 3 PCM通信系统的仿真 3.1 模块的仿真图及结果分析 首先得到需要进行抽样的模拟信号如图3所示。 模拟信号a=sin!t" 再对此模拟信号进行抽样, 抽样间隔为2π/32, 则可知在一个信号周期内, 对此模拟信号进行了32次抽样, 抽样信号图如图4所示。 得到抽样值之后应先进行量化再进行编码然后成为二进制数据流, 本文运用MATLAB语言进行仿真时将量化和编码结合在一起。取抽样信号的前十个抽样值: 抽样信号a1=sin t!1" 将该十个抽样值进行13折线量化编码后的八位二进制数分别为 (假设2048为总的量化单位) : 进行上述编码后, 将编码的二进制数据流分成八个一组, 通过译码后恢复出原来的抽样值。用MATLAB语言进行仿真的译码仿真结果如图5所示。 由图5可知, 经译码之后恢复的抽样信号图与原模拟信号的抽样信号图的形状大致一样, 只是幅值上存在一些差值, 这和理论上得到的结论是一致的。即在进行PCM调制后存在量化误差 (称为量化噪声) , 而且这种量化误差是无法避免的, 只能尽量减小。 3.2 PCM系统性能分析 由于传输过程中有量化噪声, 在传输过程中有系统噪声, 在进行系统分析时, 将散布在整个PCM系统中的噪声等效在信道中, 噪声类型为高斯随机噪声。故在用MATLAB仿真分析系统性能时, 用均值为0的加性高斯白噪声近似噪声。PCM系统的性能指标主要有信噪比和误码率。故采用蒙特卡罗仿真模型进行仿真。 用MATLAB编写的不同信号强度的量化信噪比的仿真结果如图6所示: 不同幅度的模拟信号的量化信噪比仿真图 由图6可知, 小信号进行非均匀量化时, 量化噪声功率的均方根值与信号强度成比例关系, 即信号强度越大, 信号的量化信噪比也越大, 且信号强度在一定范围内的量化信噪比基本保持不变。进行非均匀量化时量化噪声对大、小信号的影响差不多, 这就改善了小信号的量化信噪比。 用MATLAB语言编写的信号经过系统传输后的误码率与量化信噪比关系的仿真结果如图7所示: 从图中两条曲线可看出, 理论值和实际仿真的结果基本一致。从图可知, 当信噪比越大时, 系统的误码率越小。所以在保证一定的信噪比条件下, 系统的误码率可以达到所要求的指标。 摘要：PCM技术是一种数字调制技术, 它将模拟信号转换成数字信号, 广泛用于电话系统, 数字微波通信系统, 光纤通信系统, 卫星通信系统中。PCM通信系统最主要的部分就是模拟信号的数字化, 它包括抽样, 量化, 编码。本文构建PCM通信系统基本模型, 运用MATLAB语言进行系统仿真, 画出仿真波形并在此基础上进行性能分析。 关键词：数字通信系统,PCM,MATLAB语言,仿真 参考文献 [1]樊昌信, 曹丽娜.通信原理[M].第六版.国防工业出版社, 2006. [2]吴伟陵, 续大我, 庞沁华.通信原理[M].第三版.北京邮电大学出版社, 2005. [3]高西全, 丁玉美.数字信号处理[M].第三版.西安电子科技大学出版社, 2010. [4]John G.proakis等著, 刘树棠译.现代通信系统 (Matlab版) [M].第二版.电子工业出版社, 2006. [5]张珽.基于蒙特卡罗方法的通信系统误码率的仿真[J].无线通信技术, 2010. [6]冯微玮.基于MATLAB的PCM仿真[J].科技致富向导, 2012. [7]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].清华大学出版社, 2008. [8]Nyquist H.Certain Topics in telegraph transmission theory trans[J].AIEE, 1928. [9]Feldman CB, bennelt WR.Band width and transmission performance BSTJ[J].1949. 随着航天事业的发展,我国在轨运行的中低轨卫星数量越来越多,而地面站数量相对较少,逐渐出现多星同时争用一个地面站的情况。合理地调度地面站测控资源,提高地面站资源的使用效率,最大限度地满足用户需求,是解决此类问题的一种小成本大收益的有效方法。 卫星数传是指当卫星经过地面站上空时,通过星地链路把星载数据传递到地面站的过程。卫星数传调度问题是一个基于约束的资源优化问题,即将有限的资源分配到不同的任务时间段上,其目标是在给定的时间内完成最多的任务,或者考虑任务权重时,最大化完成任务的权重之和。 卫星数传调度要考虑的因素很多,包括卫星星座的产生、地面站分布、卫星地面站可见窗口的产生、卫星数传任务的产生、调度算法、调度结果的显示及修改等。每当设计一个新的调度算法就要把上述调度环境重新实现一遍,既费时又费力。因此设计一个卫星数传调度的仿真平台,统一实现上述调度环境并提供一个输入输出接口供调度算法使用,就可以自由地设计各种调度算法,并能方便地修改和比较各种调度算法的优劣。 1 任务及调度模型 1.1 假设符号 假设有m颗卫星S={s1,s2,...,sm},每颗卫星si拥有一架数传天线;有n个地面站G={g1,g2,...,gn},每个地面站gj拥有一架数传天线。卫星数传只能在卫星与地面站可见的情况下发生,由于卫星沿轨道运行,只有在某些特定的时间段内卫星才能与地面站可见,这个特定的时间段称为可见窗口。卫星si与面站gj之间的第k个可见窗口为,其中为可见窗口的开始时间,为可见窗口的结束时间。卫星si与地面站gj在调度时间内的可见窗口集合为,lij为卫星si与地面站gj在调度时间内的可见窗口数量。卫星地面站可见窗口集合。 1.2 任务模型 每颗卫星都可以提出多个数传需求,每个数传需求称为一个数传任务。数传任务包括提出该任务的卫星,任务的需求执行时间段,任务的最小执行时间等。卫星si的第q个数传任务为,任务taskiq的需求执行时间段rtiq=[rtsiq,rteiq],rtsiq和rteiq分别为需求执行时间段的开始时间和结束时间。任务taskiq的最小执行时间为metiq。如果要想调度任务taskiq就必须在需求执行时间段rtiq和时间窗口TWi1,TWi2,...,TWin的交集中分配一段长度为metiq的连续时间用以执行该任务。卫星数传任务集合为TASK={task11,task12,...,task1r1,...,taskm1,taskm2,...,taskmrm}。其中tasksp为第s颗卫星的第p个数传任务。 1.3 调度模型 调度的目标函数为最大化被调度的任务数量 满足所有约束条件。 2 交互式仿真平台的总体设计 2.1 交互式调度的基本流程 交互式仿真平台的基本流程见图1所示。输入调度任务后调用数传调度算法产生调度结果。检查调度结果,如果其满足希望则结束,否则手动修改结果。使某个未调度的任务变成已调度任务,同时删除与其冲突的一些任务,之后再次调用数传调度算法,以此循环。 图1交互式调度流程(参见下页) 2.2 仿真界面 交互式调度仿真界面如图2所示。 每个页面代表一个地面站。页面顶部水平间隔分布的小正方形代表在该地面站中执行的数传任务。蓝色的矩形方块代表已调度的任务,其位置表示分配执行的时间。绿色的矩形方块代表不能调度的任务。可以在该界面内完成场景设置、任务设置、STK设置、调度算法选择、修改调度结果等操作。 2.3 模块划分 仿真平台要实现如下功能:卫星轨道参数输入;地面站位置参数输入;调度任务输入;调度任务随机产生;卫星地面站可见时间窗口计算;问题表示模块、调度结果的输出显示及修改。 仿真平台的模块划分如图3所示。 2.3.1 STK封装模块 STK软件的全称是Satellite Tool Kit(卫星仿真工具包),是一种在航天工业领先的先进商用现货(COTS)分析和可视化工具。STK提供分析引擎用于计算数据,并可显示多种形式的二维地图,显示卫星和其他对象如火箭、导弹、飞机、地面车辆、目标等,还提供了三维可视化模块,为STK和其他附加模块提供领先的三维显示环境,利用STK可以快速方便地分析复杂的陆海空任务。 STK封装模块主要使用STK.CONNECT接口,通过网络传输STK指令,STK接收指令后进行计算,计算完成后通过网络返回计算结果,STK封装模块再读取返回结果完成设计的功能。本模块的功能有:建立场景;设置卫星轨道参数;设置地面站位置参数;卫星地面站访问时间段计算。 2.3.2 场景输入模块 场景输入有两种方式:一种是用户在界面上手动添加每颗卫星的轨道参数和每个地面站的位置参数;另一种是用户把卫星的轨道信息和地面站位置信息写在文件中,指定场景文件名后场景输入模块读取指定的文件,把相应的卫星地面站信息提取出来并编号。 2.3.3 可见窗口计算模块 当场景输入模块已输入场景信息并且STK模块已完成初始化,则可以调用STK计算每颗卫星与每个地面站的可见时间窗口,然后存放到每个元素都是时间窗口的二维数组中,方便输入输出模块快速地进行查询。可见窗口计算模块还有保存卫星地面站可见窗口到文件中和从文件中读取卫星地面站可见窗口的功能。 2.3.4 数传任务模块 数传任务模块的主要功能是产生一系列数传任务,它通过以下三种形式产生:一是通过界面输入卫星的数传任务;二是从用户指定的文件中读取卫星数传任务;三是随机产生一定数量的数传任务。 2.3.5 问题表示模块 问题表示模块收集有利于解决调度问题的所有信息,把这些信息转化为一种统一的数据结构,并作为唯一的输入参数传递到各种调度算法中。问题表示树如图4所示,其中总的调度问题可以划分为n个地面站上的小的调度问题。每个地面站分配有多个任务,每个任务可以在多个可见时间窗口内执行。如果一个任务可以在几个地面站中执行,则这些地面站的任务集中都包含有该任务。 问题表示树不仅能够表示调度问题,而且能够表示调度问题的解。调度算法输入问题表示树,输出问题表示树。 2.3.6 结果显示及修改模块 结果显示模块用垂直的甘特图来显示调度问题的解,如图2所示。由于在处理过程中需要面对连续的时间向离散的像素间映射的问题,结果显示模块用一个变量来控制多少秒对应一个像素。在程序中可以设置该变量的大小以改变甘特图的大小和精度。 3 稀疏矩阵调度算法 本仿真平台实现了一种稀疏矩阵调度算法,该算法具有占用内存小、收敛速度快的特点。 (1)任务分类。对每个地面站,把其任务按时间进行分类,不同类中任务的执行时间不会重叠,相同类中的任务执行时间都有重叠。 (2)初始化稀疏矩阵。使用C++扩展库Boost::ublas::mapped_matrix建立稀疏矩阵,水平方向为任务编号,垂直方向为类别编号。如表1所示。如果任务i能够在类别j中执行,则表中(i,j)元素为1,否则为0。 (3)运行调度算法。 4 仿真算例 设置场景为35颗某国中低轨卫星,9个地面站,如表2、表3所示。(参见右栏) 在1 Sep 2009 12:00:00.00到2 Sep 2009 12:00:00.00时间段内随机产生150个任务,运行稀疏矩阵求解算法,得到调度结果见表4所示。可见本次运行任务调度率为100%,即完全调度。 再次运行20次的调度,任务调度率如图5所示。可见平均任务调度率在0.94以上。 5 结论 数传调度仿真平台主要应用于数传调度算法的设计、仿真等。通过设计开放完备的接口和良好的界面,用户可以很容易地开发试验新的调度算法,并能够很直观地查看仿真结果、修改仿真结果。此外本文提出了一种新的稀疏矩阵调度算法,具有资源占有率少,收敛速度快的优点。接下来的工作将是试验各种智能调度算法,比较各种算法的优劣。 参考文献 [1]Rao J D,Soma P,Padmashree G S.Multi-satellite scheduling system for LEO satellite operations[C].SpaceOps,Tokyo,Japan,1-5June,1998. [2]Cutler J.Ground station virtualization[C].Proceedings of the Fifth International Symposium on the Cost of Spacercraft Ground System and Operations,Pasadena,CA,2003. [3]Guffin O T,Onken J F.Generic mission planning and scheduling concepts for space astronomy missions.SpaceOps92,1992. [4]金光,武小悦,高卫斌.卫星地面站资源调度优化模型及启发式算法[J].系统工程与电子技术.2004(12):89-91,125.综合仿真的卫星通信 篇3
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