М. П. ТРУХИН МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ Лабораторный практикум Министерство образования и науки Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. <...> Трухин Математическое моделирование радиотехнических устройств и систем Рекомендовано методическим советом УрФУ в качестве лабораторного практикума для студентов, обучающихся по программам магистратуры по направлению подготовки «Радиотехника» Екатеринбург Издательство Уральского университета 2014 УДК 621.312.01 (076) ББК 32.88 Т80 Рецензенты: кафедра общепрофессиональных дисциплин технических специальностей, Уральский технический институт связи и информатики ФГБОУ «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (зав. кафедрой проф., д-р технических наук Б. А. Панченко); проф., д-р физ.-мат. наук А. Д. Ивлиев (Российский государственный профессионально-педагогический университет) Научный редактор проф., д-р техн. наук В. Э. Иванов Трухин, М. <...> Программным инструментом моделирования является универсальная система MATLAB и ее пакет Simulink, имеющие удобную среду разработки и анализа виртуальных схем. <...> Спектральные и временные характеристики непрерывных и дискретных сигналов . <...> Теоретические сведения о математических моделях помех . <...> Моделирование обработки сигналов в среде signal processing . <...> Обнаружение сигналов известной формы на фоне независимых шумов . <...> Конечные автоматы и их программная реализация . <...> Разработка моделей конечных автоматов в системе MATLAB . <...> Разработка блоков РЭС в среде Simulink . <...> Моделирование канала передачи данных с исправлением ошибок . <...> Первые две работы посвящены моделированию отдельных элементов и узлов радиотехнических систем и представлены лабораторной работой № 1 (моделирование полупроводникового диода) и № 2 (моделирование аналого-цифрового преобразователя). <...> Лабораторные работы № 6 (моделирование конечных автоматов), № 7 (моделирование <...>
Математическое_моделирование_радиотехнических_устройств_и_систем.pdf
УДК 621.312.01 (076)
ББК 32.88
Т80
Рецензенты:
кафедра общепрофессиональных дисциплин технических специальностей,
Уральский технический институт связи и информатики
ФГБОУ «Сибирский государственный университет телекоммуникаций
и информатики» (зав. кафедрой проф., д-р технических
наук Б. А. Панченко);
проф., д-р физ.-мат. наук А. Д. Ивлиев (Российский государственный
профессионально-педагогический университет)
Научный редактор проф., д-р техн. наук В. Э. Иванов
Трухин, М. П.
Т80
Математическое моделирование радиотехнических устройств
и систем: лабораторный практикум / М. П. Трухин. — Екатеринбург
: Изд-во Уральского университета, 2014. — 190, [2] с.
ISBN 978-5-7996-1292-4
Лабораторный практикум содержит теоретические сведения по тематике
10 лабораторных работ и общие требования по их выполнению. Темы работ
связаны с разработкой и использованием моделей типовых радиотехнических
средств. Программным инструментом моделирования является универсальная
система MATLAB и ее пакет Simulink, имеющие удобную среду
разработки и анализа виртуальных схем. Практикум содержит также указания
к подготовке и выполнению лабораторных работ, требования к составлению
отчетов и контрольные вопросы.
Практикум предназначен для магистров направления «Радиотехника»,
а также для студентов и аспирантов, изучающих вопросы системного моделирования
и обработки сигналов.
Библиогр.: 23 назв. Рис. 78. Табл. 23.
Подготовлено кафедрой теоретических основ радиотехники
УДК 621.312.01 (076)
ББК 32.88
ISBN 978-5-7996-1292-4
© Уральский федеральный
университет, 2014
Стр.3
Оглавление
Введение ................................................................................................ 6
Лабораторная работа № 1.
Моделирование элементов радиотехнических устройств ...................... 7
1.1. Описание алгоритма вычислительной задачи .............................. 7
1.1.1. Аппроксимация нелинейных характеристик ..................... 7
безынерционных элементов ................................................ 7
1.1.2. Структурная схема приложения .........................................10
1.1.3. Примеры составления программных m-файлов [2, 3] .......11
1.1.4. Программа аппроксимации характеристик CurveExpert ...16
1.2. Домашнее задание ........................................................................21
1.3. Лабораторное задание...................................................................21
1.4. Содержание отчета........................................................................23
Контрольные вопросы ........................................................................24
Лабораторная работа № 2.
Моделирование аналого-цифрового преобразователя ..........................25
2.1. Спектральные и временные характеристики
непрерывных и дискретных сигналов .........................................25
2.2. Спектральные и временные характеристики
процессов дискретизации и квантования ...................................34
2.3. Описание модели лабораторной установки ................................39
2.4. Домашняя подготовка к лабораторной работе ............................40
2.5. Лабораторное задание...................................................................41
2.6. Содержание отчета........................................................................46
Контрольные вопросы ........................................................................47
Лабораторная работа № 3.
Исследование и применение генераторов псевдослучайных чисел .......49
3.1. Применение случайных чисел в алгоритмах
статистического моделирования ..................................................49
3.1.1. Определение объема выборки ...................................................49
3.2. Датчики псевдослучайных чисел .................................................53
3.2.1. Получение равномерно распределенных случайных чисел ..53
3.2.2. Получение нормально распределенных случайных чисел ....57
3.2.3. Получение случайных чисел с произвольным
распределением ...................................................................59
3.3. Применение случайных чисел в алгоритмах
статистического моделирования ..................................................60
3
Стр.4
М. П. Трухин. Математическое моделирование радиотехнических устройств и систем
3.3.1. Проверка принадлежности чисел распределения R(0,1) ...60
3.3.2. Проверка некоррелированности чисел
распределения R(0,1) ..........................................................61
3.4. Домашнее задание ........................................................................62
3.5. Лабораторное задание...................................................................63
3.6. Содержание отчета........................................................................65
Контрольные вопросы ........................................................................66
Лабораторная работа № 4.
Математическое моделирование помех в телекоммуникации ...............67
4.1. Теоретические сведения о математических моделях помех ........67
4.2. Программный генератор моделей помех .....................................78
4.2.1. Математические модели модулирующих помех ................78
4.2.2. Программный комплекс моделирования радиопомех ......84
4.2.3. Математическое моделирование узкополосных
процессов ............................................................................85
4.3. Домашнее задание ........................................................................95
4.4. Лабораторное задание...................................................................95
4.5. Содержание отчета........................................................................96
Контрольные вопросы ........................................................................97
Лабораторная работа № 5.
Моделирование обработки сигналов в среде signal processing .............98
5.1. Основные сведения по методам обнаружения и оценивания ....98
5.1.1. Обнаружение сигналов известной формы
на фоне независимых шумов ..............................................98
5.1.2. Оптимальная линейная фильтрация случайных
сигналов ............................................................................104
5.2. Домашнее задание ......................................................................109
5.3. Лабораторное задание.................................................................109
5.4. Содержание отчета......................................................................110
Контрольные вопросы ......................................................................111
Лабораторная работа № 6.
Моделирование конечных автоматов .................................................112
6.1. Конечные автоматы и их программная реализация .................112
6.1.1. Дискретно-детерминированные модели ..........................112
6.1.2. Дискретно-вероятностные модели ...................................114
6.1.3. Разработка моделей конечных автоматов
в системе MATLAB ...........................................................118
6.2. Домашнее задание ......................................................................120
6.3. Лабораторное задание.................................................................121
6.4. Содержание отчета......................................................................122
Контрольные вопросы ......................................................................122
Лабораторная работа № 7.
Моделирование системы массового обслуживания ............................124
7.1. Системы массового обслуживания ...........................................124
7.1.1. Показатели эффективности функционирования СМО ...125
4
Стр.5
Оглавление
7.1.2. Математические модели потоков событий ......................127
7.1.3. Основные аналитические соотношения
для СМО M/M/1/1 ...........................................................130
7.2. Домашнее задание ......................................................................135
7.3. Лабораторное задание.................................................................135
7.4. Содержание отчета......................................................................137
Контрольные вопросы ......................................................................138
Лабораторная работа № 8.
Моделирование типовых динамических звеньев ................................140
8.1. Основные теоретические сведения о модели звена...................140
8.2. Домашнее задание .....................................................................145
8.3. Лабораторное задание.................................................................145
8.4. Содержание отчета......................................................................148
Контрольные вопросы ......................................................................148
Лабораторная работа № 9.
Разработка блоков РЭС в среде Simulink ...........................................150
9.1. Разработка подсистем, блоков и библиотек пользователя........150
9.1.1. Создание подсистемы из части основной модели РЭС ...151
9.1.2. Построение подсистем на основе блока Subsystem .........154
9.1.3. Управляемые подсистемы ................................................155
9.2. Создание собственных блоков ..................................................160
9.2.1. Разработка пользовательского блока ...............................161
9.2.2. Создание библиотек пользователя ...................................168
9.3. Домашнее задание ......................................................................170
9.4. Лабораторное задание.................................................................170
9.5. Содержание отчета......................................................................172
Контрольные вопросы ......................................................................172
Лабораторная работа № 10.
Моделирование канала передачи данных с исправлением ошибок ....174
10.1. Систематические коды .............................................................174
10.1.1. Общие определения ......................................................174
10.1.2. Систематический код (7.4) ...........................................177
10.2. Описание лабораторной установки .........................................179
10.3. Подготовка к лабораторной работе ..........................................186
10.4. Лабораторное задание ...............................................................186
10.5. Требования к отчету ..................................................................188
Контрольные вопросы ......................................................................188
Библиографический список .............................................................189
5
Стр.6