第1章 系统,模型与模拟
通信系统原理教程(第二版)(王兴亮)第1-3章章 (1)
第1章 绪 论 图1-6 点对点的数字频带传输通信系统模型
第1章 绪 论 2. 数字基带传输通信系统 与频带传输系统相对应，我们把没有调制器/解调器的数字 通信系统称为数字基带传输通信系统， 其模型如图1-7所示。
图1-7 数字基带传输通信系统模型
第1章 绪 论
3.
上面论述的数字通信系统中，信源输出的信号均为数字基带 信号。实际上，在日常生活中，大部分信号(如语音信号)为连续 变化的模拟信号，要实现模拟信号在数字系统中的传输，则必须 在发送端将模拟信号数字化，即进行A/D转换；在接收端需进行相 反的转换，即D/A转换。实现模拟信号数字化传输的通信系统模型 如图1-8所示。
第1 章
绪论 表 1-3 常用的调制方式
第1章 绪 论
1.2.3 通信的方式
1. 按消息传送的方向与时间分类
通常，如果通信仅在点对点之间进行或一点对多点之间进行， 那么，按消息传送的方向与时间不同，通信的工作方式可分为单 工通信、 半双工通信及全双工通信。
所谓单工通信，是指消息只能单方向进行传输的一种通信方 式，如图1-1（a）所示。单工通信的例子很多，如广播、 遥控、 无线寻呼等。这里，信号(消息)只能从广播发射台、 遥控器和无 线寻呼中心分别传到收音机、 遥控对象和寻呼机上。
第1章 绪 论
图1-1 按消息传送的方向和时间划分的通信方式 （a） 单工方式； (b) 半双工方式； (c) 全双工方式
第1章 绪 论
2.
在数字通信中，按照数字信号排列的顺序不同， 可将通信 方式分为串序传输和并序传输。所谓串序传输，是指将代表信息 的数字信号序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输的通信方 式，如图1-2(a)所示；如果将代表信息的数字信号序列分割成两 路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输， 则称为并序 传输， 如图1-2(b)所示。
通信原理(陈启兴版)第1章课后习题答案
第1章引言1.1 学习指导1.1.1 要点本章的要点有通信系统的数学模型，通信系统的分类及通信方式，信息及其度量，通信系统的主要性能指标。
1.通信系统的数学模型通信系统是指传递消息所需的一切技术设备（含信道）的总和。
通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。
（1）一般模型以图1-1所示的功能框图来表示。
图1-1通信系统的一般模型信息源。
信源所产生的信息可以是声音、图像或文本。
信息源一般包含变换器，将信源的输出变换成电信号。
例如，用作变换器的话筒，可以将语音信号变换成电信号，而摄像机则将图像信号变换成电信号。
这些设备输出的信号一般称为基带信号。
在接收端，使用类似的变换器就可以将接收到的电信号变换成适合用户的形式，如声音信号、图像等。
发送设备。
发送设备将原始基带电信号变换成适合物理信道或其他传输介质传输的形式。
例如在无线电和电视广播中，通信部门规定了各发射台的频率范围，因此，发射机必须将待发送的信息信号转换到适合的频率范围来发送，以便与分配给此发射机的频率相匹配。
这样，由多个无线电台发送的信号就不会彼此干扰。
又如果信道是光纤组成的，那么发送设备就要将处理好的基带信号转换光波信号再发送。
因此发送设备涵盖的内容很多，可能包含变换、放大、滤波、编码调制等过程。
对于多路传输系统，发送设备中还包括多路复用器。
信道。
信道用于将来自发送设备的信号发送到接收端的物理介质。
信道可以分为两大类：无线信道和有线信道。
在无线信道中，信道可以是大气、自由空间和海水。
有线信道有双绞电话线、同轴电缆及光纤等。
信道对不同种类的信号有不同的传输特性，但都会对在信道中传输的信号产生衰减，信道中的噪声和由不理想接收机引入的噪声会引起接收信号的失真接收设备。
接收设备的功能是恢复接收信号中所包含的消息信号。
使用和发送端相似的变换器将接收到电信号变换成适合用户的形式，如声音信号、图像等。
接收到的信号由于噪声的影响，出现某种程度的恶化，除了完成信号解调这一功能外，接收机还有完成包括信号滤波和噪声抑制等在内的其他一系列外围功能。
系统建模与仿真
先验 知识
先验 知识
演绎分析
演绎分析 目 标 协 调 归 纳 程 序
目的 目 标 协 调
框架定义 归 纳 程 序 试验 数据
目的
模型构造
试验 数据
结构特征化
参数估计
可信性分析
可信性分析
最终模型
最终模型
建模过程总框图
建模过程的框架表示
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1.5 系统仿真
1.5.1 仿真的依据 1.5.2 仿真的定义 1.5.3 系统仿真的必要性 1.5.4 系统仿真技术的发展 1.5.5 系统仿真的分类 1.5.6 仿真的一般步骤 1.5.7 仿真技术的应用 1.5.8 仿真的特点
2. 系统仿真三要素和3项基本活动
系统仿真体系
√
面向过程仿真 连续系统仿真 采样控制系统仿真
√
定量仿真
离散事件系统仿真 面向对象仿真 数学仿真 面向对象建模与仿真
系 统 仿 真 数学物理仿真
定性仿真
定性仿真
半实物仿真 分布交互仿真
物理仿真
仿真置信水平评估
课程主要内容
第1章 绪论
第2章 系统的数学描述
第3章 连续系统的建模与仿真
第4章 采样控制系统的建模与仿真 第5章 基于系统辨识的建模方法
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1.5.2 仿真的定义
1. 仿真二字，顾名思义，是指模仿真实事物的意 义。 比较有代表性的定义有如下几个：
a. 1961 年 ， 摩 根 扎 特 （ Morgenthater ） 首 次 对 “仿真”进行了技术性定义：即“在实际系统 尚不存在的情况下对系统或活动本质的实现”。 b. 1984年，奥伦（Oren）在给出了仿真的基本概 念框架“建模－实验－分析”的基础上，提出 了“仿真是一种基于模型的活动”的定义，被 认为是现代仿真技术的一个重要概念。
系统模型与模型化(结构模型化技术)
✓ 系统构成要素中满足其种二元关系R的要素Si、Sj的要素对 (Si，Sj)的集合，称为S上的二元关系集合，记作Rb，即有： Rb={(Si,Sj)|Si、Sj∈S,SiRSj,i,j=1,2,…,n}，且在一般情况下， (Si,Sj)和(Sj,Si)表示不同的要素对。
系统模型与模型化
第一节 概述 第二节 系统结构模型化技术 第三节 主成分分析及聚类分析 第四节 状态空间模型 第五节 系统工程模型技术的新进
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第一节 系统模型与模型化概述
❖ 一切客观存在的事物及其运动形态称为“实体” （即原型）。为便于实验、分析和预测，总是 先把所需研究的系统结构型态或运动形态变成 易于考察的形式，即转化为“模型”。
✓ 2、考虑信息的相关性：只应包括系统中与研究目的有 关的信息；
✓ 3、考虑准确性：收集的用以建模的信息要准确；
✓ 4、考虑结集性：将一些个别的实体组成更大实体的程
度。
用户订货
生产管理部门
原料 采购部门
制造车间
装配车间
成品 装运部门
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五、建模一般过程
✓ （1）明确建模目的和要求； ✓ （2）弄清系统或子系统中的主要因素及其相互关系； ✓ （3）选择模型方法； ✓ （4）确定模型结构； ✓ （5）估计模型参数； ✓ （6）模型试运行； ✓ （7）对模型进行实验研究； ✓ （8）对模型进行必要修正。
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系统结构分析
✓ 系统结构分析的具体内容：对系统目的—功能的认识；系统构成
要素的选取；对要素间的联系及其层次关系的分析；系统整体结构的确 定及其解释。
生产系统建模与仿真
第10章 生产系统建模与仿真
本章内容
• • • • 生产系统建模概述 常见生产系统模型 生产系统仿真技术 生产系统仿真实例
1.生产系统建模概述
1.1生产系统模型
– 模型是系统某种特定性能的一种抽象形式。 它是为了某种特定的目的将系统的某一部分 信息进行抽象而构成的系统替代物，是对系 统的简化 – 模型是现实系统的抽象描述，它由一些与所 分析的问题有关的主要因素构成，并表明有 关因素之间的关系
1.生产系统建模概述
• 生产系统的建模原则
– 准确性。模型必须反映现实物理系统的本质规律，数据 必须可靠，公式和图表必须正确，有科学依据 – 可靠性。模型必须反映事物的本质，且有一定的精度。 – 简明性。模型的表达式应明确、简单、抓住本质 – 实用性。模型必须能方便用户，具有实用性，因此要使 模型标准化、规范化 – 反馈性。建模时要注意灵敏问题
1.生产系统建模概述
• 生产系统的一般建模方法
– 优化方法。该方法是依赖精确的数学方程式和严密的数 学过程来分析和评价生产系统的各种可选方案，从数学 上可以证明所得到的解是针对该问题的最优解 – 仿真模型。所谓仿真模型，就是以代数和逻辑语言做出 对系统的模拟，这种模拟通常要利用随机的数学关系。 仿真模型能真实的模拟系统过程，可用于生产系统中的 各种规划 – 启发式模型。启发式模型是以启发式方法为基础建立的 系统模型。启发式方法是指那些能指导问题求解的原理 、概念和经验法则
v jk | y j y k | wij | yi bi |
j 1 i 1
m
n
f 2 (y) =
1 j k m
j 1 i 1 m n
2.常见生产系统模型
• 多设施选址—分配模型
物流系统仿真 第一章PPT课件
Ai,Si 怎么能知道呢?-- 需要进行输入数据的分析
*
ZBJV1.0
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1.2 离散系统模拟的基本方法
计算机模拟的基本过程：
A
系统分析 初建模型
实验性模拟
N 模型合 适否? Y
输入数据 收集分析
实验设计 模拟
建立或修 改模型
输出数据 分析
编制程序
*
A
建立文档
ZBJV1.0
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1.3 模拟语言简介
1. 模拟可使用各种计算机高级语言 2. 专用模拟语言的优点:
1.通用性好. 提供常用的功能模块 2.模块设计原则与模拟过程相仿 3.具有动态存储分配功能, 速度快 4.有标准输出 5.面向过程,简单明了
5)实体: 系统中与研究目的有关的人, 物, 设备等系统 的组成因素。分流动（活动）实体和永久实 体。
1.理发师状态 2.排队长度 3.各顾客到达时间 4.各顾客服务时间 5.模拟钟时间
6)模拟钟: 模拟模型中表示时间的变量。
*
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1.2 离散系统模拟的基本方法
例:单窗口排队系统 (M/M/1)
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1.1 概述
3.模拟模型中常见的术语
1)系统变量: 描述系统特征的各种指标或性能, 常随 时间变化。
2)参数: 表征各种系统变量的值。
例：理发店系统模型
3)系统的状态: 某个指定时刻, 所有系统变量的集合。
的系统变量为：
4)事件: 导致系统状态发生变化的过程。不引起系统 状态变化的过程不称为事件。
通信原理第一章
任何人、任何时候在任何地方以任意的方式进行通信。
1.1.1 通信系统的一般模型（主要培养全局系统的概念） 通信: 从一地向另一地传递和交换信息。
通信系统：实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质基于点与点之间的通信系统的模型用图1 -1 来描述。
送设备信道接收设备受信者噪声源接收端信息源：消息的产生地，其作用是把各种消息转换成原始电信号，称之为基带信号。
包括：电话机、电视摄像机和电传机、计算机等。
前者是模拟信源，输出模拟信号；后者是数字信源，输出数字信号。
发送设备：将信源和信道匹配起来，即将信源产生的消息信号变换成适合在信道中传输的信号。
变换方式是多种多样的，比如：放大、调制、编码等等； 信道：指传输信号的物理媒质。
包括：大气（自由空间）、明线、电缆或光纤。
模拟信号：凡信号参量的取值是连续的或取无穷多个值的，且直接与消息相对应的信号。
数字信号：凡信号参量只能取有限个值，并且常常不直接与消息相对应的信号。
通信系统分为模拟通信系统+数字通信系统。
1. 模拟通信系统模型图1-4 模拟通信系统模型信息源调制器信道解调器受信者噪声源课程重点调制器：原始基带信号变换成适合信道传输的信号；从信号与系统的角度：调制器=频带搬移。
调制后的信号称为已调信号、频带信号。
已调信号有三个基本特征：一：携带有完整的基带信息二：适合在信道中传输三：信号的频谱具有带通形式且中心频率远离零频，因而已调信号又称频带信号。
信道编译码 数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及人为干扰等，将会引起差错。
为了减少差错，信道编码器对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分（监督元），组成所谓“抗干扰编码”。
接收端的信道译码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，实现可靠通信。
作用：提高通信系统抗干扰能力。
数字调制与解调 把数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的频带信号。
基本的数字调制方式有振幅键控ASK、频移键控FSK、绝对相移键控PSK、相对（差分）相移键控DPSK。
通信原理讲义
通信原理讲义第一章绪论1．1 通信系统的组成1．1．1 通信一般系统模型点对点通信模型：反映了通信系统的共性。
连续消息：状态连续变化的消息（如语音、图像），也称为模拟消息。
●消息与电信号之间必须建立单一的对应关系。
通常，消息被载荷在电信号的某以参量上。
数字信号：电信号的参量携带离散消息，该参量离散取值。
模拟信号：电信号的参量携带连续消息，参量连续取值。
●相应的通信系统分成两类数字通信系统模拟通信系统●模拟信号与数字信号之间可以相互转换在信息源中使用模-数（数-模）转换器，接受端使用数-模（模-数）转换器。
●数字通信比模拟通信更能适应对通信技术越来越高的要求（1）数字传输的抗干扰能力强，中继时可以消除噪声的积累；（2）传输差错可以控制；（3）便于使用现代数字信号处理技术对信息进行处理；（4）易于加密处理；（5）可以综合传递各种消息，增强系统功能。
●模拟通信系统模型（点对点）调制器：将基带信号转变为频带信号的设备。
解调器：将频带信号转变为基带信号的设备。
模拟通信强调变换的线性特性，既已调参量与基带信号成比例。
● 数字通信系统模型（点对点） 强调已调参量与基带信号之间的一一对应。
数字通信需要解决的问题：（2） 编码与解码：通过差错控制编码消除噪声或干扰造成的差错； （3） 加密和解密：对基带信号进行人为“搅乱”；（4） 同步：发送和接收节拍一致，包括：位同步（码元同步）和群同步、帧同步、句同步或码组同步。
数字通信模型：1．2 通信系统的分类及通信方式 1．2．1 通信系统分类● 按消息的物理特征分类电报通信系统 电话通信系统 数据通信系统图像通信系统 ● 按调制方式分类基带传输线性调制载波调制 非线性调制 频带传输 数字调制脉冲模拟调制脉冲调制消息 消息消息消息脉冲数字调制●按信号特征分类模拟通信系统数字通信系统●按传输媒介分类有线无线1．2．2 通信方式分类●点对点通信，按传送方向与时间关系：单工通信：消息只能单方向传输半双工通信：通信双方都能收发消息，但不能同时进行收发全双工通信：通信双方可同时进行收发●数字通信中，按数据信号码元排列方式：串行传输：数字信号码元序列按时间顺序一个接一个的在信道中传输，适合远距离传输。
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系统是按照某些规律结合起来的，相互作用、相互依 存的所有元素的集合。
MSSV1.0
管理系统模拟与GPSS语言
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“元素”：强调的系统不仅是有形的物理系统，也可以是抽象的、概念 的系统，例如，计算机，仿真的对象即可以是它的硬件系统，也可以 是它的软件系统。
管理系统模拟与GPSS语言
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第1章 系统,模型与模拟
本章主要内容：
1.1 概述 1.2 离散事件模拟的基本方法 1.3 模拟语言简介
MSSV1.0
管理系统模拟与GPSS语言
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第1章 系统,模型与模拟
1.1 概述
1.系统:与研究目的相关的人,设备,设施等实体
的集合，系统的范围具有明确的限定。
1) 不同的研究目的有不同的系统规模，范围和界限。研究目的决 定了系统的界限.
Ai,Si 怎么能知道呢?-- 需要进行输入数据的分析
MSSV1.0
管理系统模拟与GPSS语言
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1.2 离散系统模拟的基本方法
计算机模拟的基本过程：
A
系统分析 初建模型
实验性模拟
N 模型合 适否? Y
输入数据 收集分析
实验设计 模拟
建立或修 改模型
输出数据 分析
编制程序 A
建立文档
MSSV1.0
顾客事务的数目及到达率； 出纳员的人数，处理事务的原则和速率； 排队线平均长度，每个顾客的平均等待时间。
实例
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启动 顾客到达 顾客选择等待线并排队 顾客等待 某出纳员已空 出纳员处理顾客的事务 顾客离去 出纳员变空闲
结束
2002.6
CONTENT CONTENT ENTRIES ENTRIES ZERO TIME/TR TIME/TR NUMBR
1
2
0.33
26
10 38.46 5.81
9.44
MSSV1.0
管理系统模拟与GPSS语言
简单的银行服务系统
客户到达
银行系统 （出纳员）
客户离去
仿真实体为：顾客、出纳员、排队线等。 决定仿真实体的属性为：
有连续量（电压比较器）的系统
“系统”举例
MSSV1.0
管理系统模拟与GPSS语言
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1.1 概述
2.模型 按一定研究目的，对所研究系统
准确的描述。
按描述手段，模型有如下几类:
1)文字式模型 2)框图式模型 3)数学式模型 4)图解式模型 5)混合式模型
MSSV1.0
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到达 排队 1
SEVER
服务 1
离开
GPSS 模拟程序 :
SIMULATE
GENERATE 18,6
QUEUE
1
SEIZE
1
DEPART 1
ADVANCE 16,4
RELEASE 1
TERMINATE 1
START
25
END
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单窗口排队系统 GPSS 输出
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1.3 模拟语言简介
1. 模拟可使用各种计算机高级语言 2. 专用模拟语言的优点:
1.通用性好. 提供常用的功能模块 2.模块设计原则与模拟过程相仿 3.具有动态存储分配功能, 速度快 4.有标准输出 5.面向过程,简单明了
MSSV1.0
管理系统模拟与GPSS语言
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决定加工顺序
形式，并以文件形式存入磁盘。接着 便自动地确定出最优的加工顺序，同 时也确定了需要使用的机床、夹具、 计算生产时间 刀具等切削条件及附加信息计算出生 产时间，然后打印输出。整个过程中，
打印输出
系统在数据库软件的支持下不断地以 各种不同的数据文件和磁盘进行信息 交换。
可行性检验 检验最终状态 存入单元图形 决定加工顺序 显示加工顺序 添加附加信息 计算生产时间 形成各种工艺信息
之间的关系对应的是图上的边。
系统
MSSV1.0
管理系统模拟与GPSS语言
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例1 空炮塔控制系统
+E R1Fra bibliotekR12
-E
瞄准具
误差 差 动 电压 放大器
功率 放大器
伺服 电动机
减速器
炮塔 +E
R2
-E
炮塔轴方向是系统输出量，瞄准具轴的方向为输入量，电位器R1和R2用来测 量两轴之间的误差角，当误差角不为零时，差动放大器将产生误差信号，该信号
1
1
27
2
1
26
3
0
25
4
0
25
5
0
25
6
0
25
7
0
25
FACILITY AVERAGE NUMBER UTILIZATION ENTRIES
1
0.87
25
AVERAGE SEIZING PREEMPTING TIME/TRAN TRANS.NO. TRANS.NO.
16.04
QUEUE MAXIMUM AVERAGE TOTAL ZERO PERC. AVERAGE $AVERAGE TABLE
已知: 1.顾客的到达间隔时间呈均匀分布, 均值为 18 分钟,
方差为 6 分钟. 2.顾客的服务时间呈均匀分布, 均值为 16 分钟, 方 差为 4 分钟.
求解:
1. 顾客的平均等待时间 2. 平均排队长度 3. 服务台的利用率
MSSV1.0
管理系统模拟与GPSS语言
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单窗口排队系统 GPSS 程序
打印结果 停止
“系统”举例
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几何形状文件 切削数据文件 标准时间数据文件
MSSV1.0
管理系统模拟与GPSS语言
例4
急诊室系统
表示一个由护士、病 房及医生构成的排队系统， 病人根据病情，分为五类， 按一定的到达规律随机地 来到急诊室就医，对于1 类紧急病人，将直接送入 急诊病房等待获得病床后 就诊，2~5类病人在通过 护士的检查，办理挂号及 作必要的记录后，2~4类 病人都进入病房，5类病 人在护士处便可得到医疗 服务，不必进入病房便可 离院。
MSSV1.0
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1.2 离散系统模拟的基本方法
解:
平均排队长度 = 排队面积求和/模拟时间 平均等待时间 = 各顾客等待时间求和/模拟的顾客数
因此, 对于单窗口排队系统，模拟之前应已知:
1.每个顾客的到达时间间隔 A1,A2,A3,…（一般是随机数） 2.每个顾客的服务时间 S1,S2,S3,…（一般是随机数） 3.模拟的顾客数 (模拟长度) 4.模拟的初始条件
1.1 概述
按所描述系统的不同，模型可分为如下几类：
1.连续系统模型 2.离散系统模型 （本课程的重点） 3.混合式模型
离散系统举例：
具有一个理发师的理发店是一个 典型的排队系统。常称为单窗口排队 系统。而排队系统是最常见的离散系 统之一，单窗口排队系统是研究离散 系统的一支麻雀。
MSSV1.0
管理系统模拟与GPSS语言
的组成因素。分流动（活动）实体和永久实 5.模拟钟时间 体。
6)模拟钟: 模拟模型中表示时间的变量。
MSSV1.0
管理系统模拟与GPSS语言
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1.2 离散系统模拟的基本方法
例:单窗口排队系统 (M/M/1)
(只有一个理发师的理发店,模型见前页)
假设: 顾客到达间隔时间 A1, A2, A3, ... 顾客的服务时间 S1, S2, S3, ...
“按照某些规律结合起来”是为了把仿
真的研究对象最大限度地加以扩展。系
统内部各元素的相互作用规律可以是已
d
知的、略知的或者是模糊的，甚至是未
知的。
b
一个实际系统的元素往往非常多，元
c
素之间是相互关联的，这样的系统可以
通过图论中的连通图对应起来：系统对
f
应的是一个图，元素对应的是图上的点，
a e
而元素之间的规律作用、关系和点与点
GPSSR/PC V1.1 IN1.LST=IN1.GPS
9-MAR-1997 19:48
PAGE 2
RELATIVE CLOCK
459
ABSOLUTE CLOCK
459
BLOCK COUNTS BLOCK CURRENT TOTAL BLOCK CURRENT TOTAL BLOCK CURRENT TOTAL
经过功率放大后，驱动伺服电动机转动，以减小误差角，达到随时瞄准的状态。
“系统”举例
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例2 模、数转换系统
输入电压
比较器
脉冲源
门 控 电 路
脉冲 计数器
数字输出
D/A电路
当计数器所表示的数值经D/A电路变成电压后，与输入电压进行比较，比较 器的输出将反映出三种可能情况：相等、大于和小于。门控电路将根据相应的情 况开放或关闭脉冲源送来的脉冲信号，使具有可逆计数功能的计数器作增量、减 量或保持的操作，其结果是系统的数字将随时与输入电压的大小一致。
GPSS 语言的发展：
1961年 1965年 后来 我们使用
IBM 公司发表第一个 GPSS 文本 公布 GPSS III - 扩展GPSS GPSS V ，GPSS 66，GPSS/1100 …
GPSS/PC
MSSV1.0
管理系统模拟与GPSS语言
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1.3 模拟语言简介