第 27 卷 第 10期 计 算 机 仿 真 2010年 10月 文章编号: 1006 - 9348( 2010) 10 - 0107- 05 通信系统链路级仿真软件比较及仿真应用优选 苗 强 1, 吴德伟1, 解 蕾 2 ( 1. 空军工程大学电讯工程学院, 陕西 西安 710077; 2. 西北大学公共管理学院, 陕西 西安 710000) 摘要: 研究通信系统仿真及仿真工具软件的基础上, 概括了通信系统仿真的 分层观点。并主要 对通信系统链 路级仿真深入 研究。对目前在科研机构和大学广泛应用的通 信系统链 路级仿真 软件 M ATLAB /S IM U LINK, SestemV iew, AD S, SPW, CO SS A P等软件的特点、适用范围进行了总结。为加快通信系统快速 发展, 主要 针对各软 件的应用 领域、半 实物仿真、HLA 互联 方面等做了比较。以仪表着陆系统 ( ILS) 的链路级仿真为例, 对两种软件的 应用进行了比 较和优选。将为科 研人员及通信 系统设计工程师对通信系统链路级仿真软件的优选提供参考。 关键词: 通信系统仿真; 连路级; 仿真软件; 软件优选 中图分类号: TN 953 文献标识码: A Com parison and Selection of L ink Level Sim ulation Software of Comm unication System and App lication in Sim ulation M IAO Q iang1, W U D e- w ei1, X IE L ei2 ( 1. T e lecommunication eng ineer ing institute of a ir force eng ineering un ive rs ity, X ian Shanx i 710077, China; 2. Pub lic Adm in istra tion Schoo l o f N orthw estU n iversity, X ian Shanx i 710000, Ch ina) AB STRACT: Based on the com prehensive research of commun ication system s imu la tion and simu la tion too ls so ft the layered conception o f comm un ication system sim ulation is summ ar ized. T he link level simu lation o f commu w are, n ication system is studied deep ly. T he character istics o f the link leve l sim ulation softw are of commun ica tion system such as MATLAB / SIM UL INK, System applied popular in the resea rch institu te and universities a re summa rized, V iew, ADS, SPW, CO SSA P. The application field, ex tensib ility, ha rdw are- in- the- loop sim ulation and inte rface w ith HLA are compared. It o ffers re ferences to the researchers and communication system design ing eng inee rs for the se lec tion o f link leve l simu la tion softw are. K EYWORDS: comm un ication system simu lation; link leve;l sim ulation so ftw are; so ftwa re selection 1 引言 通信和信号处理系统日益 复杂, 传 统的分析法 来评估和 设计通信系统也变得 很困难, 甚至不 可行。这样, 通 信系统 的设计、评估只有依靠以实际硬件系统 为基础的实 验方法或 以软件为基础的 仿真 来进 行。以软 件为基 础的 通信系 统的 仿真是借助计算机, 用系统模型对真实 的通信系统 或设想的 系统进行实验的一门 综合性技术。随着计算 机、软 件技术的 飞速发展以及仿真理论的日益 成熟, 通 信系统仿真 技术也进 入一个快速发展 的新 阶段。通 信系 统仿真 的应 用也越 来越 广, 从简单的滤 波 器设 计到 复 杂的 移动 通 信网 络的 总 体规 划等。 通信系统仿真可以 通过高级编程语言实 现, 也 可以利用 仿真软件。利用 仿真软 件包, 建 模十分 方便, 可 大大节 省编 程时间, 甚至 可 省去 编程 过 程。通 信系 统仿 真 软件 发 展迅 速, 当前流行的仿真软件包一般都提供 交互式、图形化、友好 的用户框架, 以便使用图形化框图表述 方式开发分 层仿真模 型。这些通信系统仿真 工具也可以提供数据 库管理, 在线帮 助, 在线文件以及其它的服务和支持。 这大大减少 了通信系 统工程师生成和调试仿 真程序的工作量, 以及必须 了解被仿 真系统物理机 理的一些繁琐的工作。 2 通信系统仿真的分层 收稿日期: 2009 - 07- 09 修回日期: 2009- 09- 14 通信系统概念很 广, 由于通 信系 统的复 杂性, 对 通信 系 107 

统的仿真一般按 需求 分层 进行。通 信系统 仿真 一般分 为网 络级、链 路 级 和 电 路 级 仿 真。 图 1 描 述 通 信 系 统 的 分 层 形式 [ 1] 。 图 1 通信系统仿真分层示意图 在网络层, 网络上的数据包和信息 流可以用事 件发生器 仿真形成, 性能测试 如网络 吞吐 量、响应时 间和 资源利 用可 以作为网络 参数 (如 处理 机速 度、节 点缓 冲 器大 小、链 路容 量 ) 的函数求得。网络仿真 可以 用来建 立处 理机、协议 和通 信链路的规范。 通信 链路 层 用来 仿真 在不 同信 道 ( 自由 空间、电缆、电 线、光纤 )上带有信息的波形传输。对于数 字传输系统, 通信 链路的性能用误码率 测量, 误码率可利 用仿真波形 通过功能 模块 估计得到 , 功 能模块 有调制 器、编 码器、滤波 器、放 大器 和信道等。相反, 网络 仿真 用来 建立通 信链 路的规 范, 链路 级仿真用来验证 链路 设计 是否符 合这 些规范。 在链路 级仿 真中得到的性能参数 输出到网络级仿真器来验证网络性能。 电路级仿 真用 来仿 真 诸如 滤波 器、均 衡 器等 部 件 的实 现, 既可以采用模拟技术, 也可 以采用数字技术。 网 络级仿 真应 用最 为广泛 的集 中仿真 软件 平台 有 O P NET [ 2] [ 3] 、N S2 [ 4] 、BON eS[ 5]、COMM NET [ 5] 、SSFN et[ 5] 、M at lab /S imu link等。电路级 仿真 软件 数量 很多, 应 用最 为 广泛 的 几 种为 A DS、A nsoft D esigner、A nso ft HFSS、PSp ice、P ro tel、 Saber、EW B、M icrow ave O ffice以及 硬件描 述语 言 VHDL、V e r ilog等 [ 6] [ 7] 。网络级和电路级仿真应用软件已有比较全面的 综述性文章。本文主要对通信系 统链路级 仿真软件的 特点、 适用范围、与软硬件的互联等进行总结、概括 和比较, 为进行 通信系统仿真的研究 人员选择最优的仿真软件提供参考。 3 链路层仿真软件特点与比较 通信系统链路级 仿真以波形失真或误 码率为主要 指标, 对链路层及以下部分 进行仿真, 主要用 于验证不同 链路及射 频设备在指 定的 环 境下 的互 联 互通 能力 、电磁 兼容 能 力等 SPW、CO SSAP 等。 3. 1 各软件的开发背景和主要应用方向 M atlab是广泛应用的仿真软件, 与 MAT LAB 集成在一起 的 S imu link可进行动态系统建模与仿真。 S imu link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 连续、 离散及两者混合的线性 和非线性系统, 也支持具有 多种采样 速率的多速率 系统。由 于 Sim ulink拥 有丰富的 模块库、友好 的图形用户界面和强大 的分析功能, 在 许多领域得 到了广泛 应用。 美国 E llanix 公 司的 SystemV iew 是 一个 链 路 /波 形 级的 系统仿真软件, 主要用于电路与通信系 统的设计、仿真, 是一 个强大的动态 系统设 计、仿真和 分析 的综合 性可 视化软 件。 SystemV iew 以模块化和交互式的界面, 为用户 提供了 一个嵌 入式的分析引 擎。用户 只需用 鼠标 就能完 成各 种复 杂的建 模、设计和测试。使 用 SystemV iew 能快 速建 立和 修改系 统, 对系统进行仿 真、分 析和处 理, 并能 利用系 统提 供的 开发工 具迅速地建立 动态系统的精确模型。 AD S( A dvanced D esign Sy stem ) 是由 美国 A g ilen t公 司推 出的微波电路和通信系 统仿真软件, 是 当今业界最 流行的微 波射频电路、通信系统、RF IC 设计软件; 也是国 内高校、科研 院所和大型 IT 公司使用最多的软 件之一。它 集成多 种仿真 软件的优点, 仿真手段丰富多样, 其功能非常 强大, 仿真手段 丰富多样, 可实现包括时域和频域、数字与模 拟、线 性与非线 性、噪声等多种仿真分析手段, 范围涵盖小至 元器件, 大到系 统级的仿真分 析设计, 是非 常优 秀的微 波射 频电 路、系统信 号链路的设计 工具。主 要应 用于: 射频 和微 波电路 的设 计, 通信系统的设 计, RF IC 设计, DSP 设计 和向量仿 真。由于其 强大的功能, 很快成为全球业界流行的 EDA 设计工具。 Cadence设计公司的信号 处理工作系统 SPW ( S igna l P ro cessing W o rksystem )软 件是 面向 链路 级的 仿真 软件, 主 要用 于包络数字通 信系统、雷达 通信 系统、高清 晰度 电视 系统等 数字信号处理 系统的设计、仿真、实现、测试和评 估。 SPW 对 算法的改进、滤波器设 计、C /C+ + 代码的 建模和 生成、软硬 件结构的混合 设计及硬件的综合尤为理想。 COSSA P是 Synopsys公司提供的高层次通信系统链路层 数字信号处理 算法设计工具, 可以对复 杂的信号处 理系统完 成定 义描 述、分析、仿真 及实 现。利用 CO SSAP 可以将 复杂 的 DSP 系统利用方框图进行描述, 然后将整个目标系统进行 仿真。通过仿真 来确 定系统 实现 的体 系架构 及算 法。在此 基础上, CO SSAP 可 自动产生 构成系统的 各模块的 C 代码或 HDL 代码, 可以通过 FPGA、A SIC硬件实 现, 也可以 通过 D SP 软件实现。 3. 2 各软件的相似之处 等, 另外, 通过大量的此类仿真, 构建各 种环境及设 备配置下 的性能参数库及模型 库, 为网络级仿真提供抽象模型。 链路级仿真应用软件发展 迅速, 目 前应用最为 广泛的几 M atlab /Sim ulink, SystemV iew, ADS, SPW, COSSA P 作为通 信系统链路层 仿真的工具软件, 虽然其 各自的设计 初衷是针 对链路层仿真 的不尽相同的目标, 但仍有较多相同的特点: 种 链 路 层 仿 真 软 件 为 : M atlab /S imu link、SystemV iew、ADS、 1)能仿真大 量的 系 统: Sim ulink 支 持连 续、离 散及 两者 108 

混合的线性和非线性 系统, 也支持具有 多种采样速 率的多速 以便实现与 M atlab 的数 据交 互与 仿真。 图 4 为 SystemV iew 率系统; SystemV iew 能在 DSP、通信 和控 制 应用 中构 造 出复 杂的模拟、数字、混 合和 多速 率系 统; ADS 软件 能进 行 DSP、 模拟、射频的单独仿 真或进 行不 同部分 的协 同仿真 , 帮 助工 程师提早完成系统设 计。 2)方便灵活的 图形化 建模 窗口: 这 些软 件都 为用 户提 供了用方框图进行建模的图形 接口, 采 用这种结构 构造模型 具有直观、方便、灵活的优点。 3)丰富的模块库: 软件都提供了开放和丰富的 通信系统 模块库, 如信源模块库、信道 模块库、调制解调 模块库、编 /译 码模块库等。另外, M atlab /S im ulink还 提供了 丰富的 面向特 定领域的专业模 块库和 其它扩展 模块 库, 例如 DSP、Commu n ication模块 库 [ 8]。 SystemV iew 包 含 基本 库 和通 信、DSP、逻 辑、射频、模拟、用户代码等专业库。 ADS 更是包含 了小至元 器件, 大至系统级 的仿 真模 块。图 2 所示 为 SPW 各主 要模 块及其各可选软件包 的关系。 图 2 SPW 各主要模块及其各可选软件包的关系 [ 9] 4)模型的递阶结构: 对于以上的各仿真软件均 支持建立 递阶结构的模型。 用户 可采用 从上 到下或 从下 到上的 结构 创建系统模型, 方便建立复杂通信系统。图 3所示为 ADS仿 真分层示意图。 图 3 ADS仿真分层示意图 5)支持自定义模块的创建: 在软件中用户 也可利用 C /C + + 、M 文 件 等 ( M a tlab System 函 数 ) 定 制 和 创 建 自 己 的 模块。 与其它软件和 硬件的接口框图。 图 4 Sy stemV iew接口框图 [ 10] 3. 3 各软件在几个方面的比较 M atlab /Sim ulink, SystemV iew, ADS, SPW, COSSA P 仿真软 件除具有上述 的相同点之外, 工程师们 更关心的是 以上软件 在系统设计过 程中所 关注 的方面 的体 现的优 劣。以 下主要 对上述软件在各自的主 要仿真方向、是 否支持半实 物仿真以 及与高层体系 结构 HLA 的互联等方面进行比较。 1)软件的主要仿真方向: 以上各软件虽然都是 通信系统 链路层的仿 真软 件, 但 其主 要 针对 的仿 真 方向 却 不完 全相 同。M a tlab /Sim ulink功能强大, 可以 进行小至 元器件 行为级 模型, 大至系统级仿真模型 建立, 应用更 广; SystemV iew 是一 个面向链路 /波形级 的系统 仿真 软件, 主要 用于 电路与 通信 系统的设计、仿真; ADS 的不同 于其 它软件 之处 在于 它在射 频和微波电路 的设计, 通 信系 统的 设计, R F IC 设计, DSP 设 计和向量仿真 方面的强大功能; SPW 主要用于通信系统中数 字信号处理系 统的设计、仿真、实现、测试和评估。 SPW 对算 法的改进、滤波器的设 计、C /C+ + 代码的 建模和 生成、软硬 件结构的混合 设计及硬件的综合尤为理想。 CO SSA P 主要用 于通信系统链路层数字 信号处理算法设计, 可以对 复杂的信 号处理 系统 完 成定 义 描 述、分 析、仿 真及 实 现 [ 11]。 相 比而 言, M atlab的应用领域更加广泛。 2)支持硬件在回路的仿 真 [ 12] : 虽然在上 软件中, System V iew、AD S、SPW 均可 实现 与硬 件集 成电 路或 者专 用测 试仪 表的连接, 但 均 不能 实现 真 正意 义上 的 半实 物 仿真。 只有 M a tlab的 RTW ( real tim e wo rkshop)可以使以已建立的仿真模 型为基础的半 实物仿真变得快速简便。 RTW 可以从构建好的 S imu link模型自动生成优化的、简 洁的、可移植 的 标准 AN SIC 代码 模 型, 而 这 个 stand- a lone ( 独立运行 )的 C 代码 模型 可以 在各 种各 样实 时的、或 者非 实时的软硬件 目标环境中 运行; 可以在 普通的 PC 硬 件平台 上、D SP 上、微 控 制 器 和 裸 板 上 运 行; 也 可 以 在 W indow s、 DO S、或者各 种 商用 的、个 人 的 实时 操 作系 统 ( RTO S) 上运 行, 例如 XPC、VxW o rks等 [ 13]。图 5为 RTW 代码生成过程示 意图。 6)与 M a tlab的接口: 由于 M atlab在 通信设 计、仿 真领域 3)支持 HLA [ 15[ 16] [ 17] [ 18] : H LA 是分布式交互仿真的高层 的广泛应用, 以上仿真 软件均 考虑了 与 M atlab的 接口设 计, 体系结构, 它的基本 思想 就是采 用面 向对象 的方 法来设 计、 109 

图 5 RTW 代码生成过程 [14] 开发和实现仿真系统 的对象模型, 以获 得仿真联邦 高层次的 互操作和重用。基于 HLA 的仿真系统开发是当前 一个重要 的研究方向 [ 19] 。目前, 国 内外 很多 研究 机构 和大 学对 于将 所建立的比较完善的 S im ulink 模型应用 到 HLA 仿真 中去做 了很多的研究, 并取得了较多的成果。 其中比较成 熟的有清 华大学 的 MATLAB 与 HLA /RT I的 通用适 配器、国防 科大开 发的 K D - HLAS im ulink工 具箱 和 MAK 公 司的 H LA /D IS 工 具箱。使用工具箱时, M ATLA B 或 S im ulink 应用程序就成为 了一个健全的 HLA /D IS 联邦成员, 可以加 入联邦, 订购各种 对象和 交互类, 并能 够通过 H LA RT I 或 D IS 网络结 合扩展 的仿真应用进行数据 交换。文 献 [ 20]就是利用 M AK 公司的 HLA /D IS工具 箱实现 Sim ulink模型 与 HLA 的互 联。而其它 几个仿真软件在这方 面的研 究深 度和 成果还 远不 如在 M at lab /S imu link与 HLA 的互联的研究深入。 4 仪表着陆系统仿真软件应用及优选示例 在仪表着 陆系 统的 链 路层 波形 级 全 数字 仿 真中, 应用 M a tlab /Sim ulink完成了 对该 导航 系 统的 建 模与 仿真。 在建 模仿真的全过程中, 利用 SystemV iew 创建其中部分 通信模块 的仿真模型, 并于 M a tlab/S im ulink的仿真比较。某 些细节电 路模块的功能及 波形 利用 ADS 仿真软 件搭 建和 验证。图 6 为该系统 S im ulink整体仿真框图。 移的不平衡功率分配器 的链路级仿真, 由于 SystemV iew 没有 适用的模块, 每次仿 真只能 实现 对设定 的载 频的 相移, 而利 用 S im ulink经适 当变 换 即可 实 现 对任 意 载频 信 号的 相 移。 以下两图分 别为 利用 SystemV iew 和 Sim ulink 创建 的地 面信 标天线馈电分 系统的功分器仿真模型。 在图 7中 , 不平衡 功分器的相移只能通 过计算已知载频 的某一相移对 应的时 间延 迟 来实 现, 载频 一旦改 变, 预设 相移对 应的载频时间延迟 参数也必须随之改变。 在图 8中, 相移一旦设定, 就不必再随载频的改 变重新设 置参数。说明 M a tlab /Sim ulink模块的灵活性 。 在机载接 收机部分, 由 于对警 旗信 号的 形成模 块 ( 附属 电路, 收到地面导航信息即报警息 )概念模糊 。在利用 S imu link建 模之 前, 利用 AD S搭 建了 实物 电路 的 电路 级仿 真模 型。通过分析警旗模块 的 ADS仿真结果, 利用 Sim ulink的积 分模块实现了 接收机警旗的仿真。 另外, M atlab /S imu lik在半实物仿 真和建 立 H LA 高层体 系结构上的灵 活性也是 最终选 择它 作为系 统仿 真软 件的重 要因素。已用 S im ulink 建立了 米波 仪表 着陆 系统 地面 分系 统和机载分系 统的仿 真模 型。飞机 动力学 模型 分系 统仿真 模型正在创建中。下一步的工作 是基于国防科大 开发的 K D - HLA S imu link工具箱, 将仪表着陆 系统地面分系统、机载分 系统和飞机动 力学模型组成联邦。图 9为基于 H LA 的米波 图 6 仪表着陆系统 SIMUL INK 总体仿真框图 仪表着陆系统 仿真的体系架构。 通过实验 和综合比较, 最终确 定利用 S im ulink进 行整个 在天线馈电分系 统的仿真中, 欲实 现对任意载 频信号相 仪表着陆系统 的建模和仿真。 110 

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