[科普中国]-模拟系统

模拟系统由若干相互联系和相互作用的模拟等其它要素（模拟要素——事物的一种形式）组成的具有特定模拟结构和功能的有机整体。

定义模拟系统(analog system)用以研究信息理论和方法的系统之一输人信号与输出信号都是模拟信号的系统。由模拟器件构成。对于具有稳定性和因果性的线性非移变模拟系统，可用其单位冲激响应h(t)来完全表征，也可用其传输函数H (s)来完全表征。

模拟系统具体指以某种工具和手段（主要是电子计算机及其软件）模仿系统的工作过程和运行状态，也称为系统仿真。基本方法是运用统计试验，研究系统的假想模型，以获得系统有关的动态特性。它既是分析同题、求解复杂问题的方法，也是一种实验手段。在话务理论研究中占有重要的地位。1

简述许多实际电信系统的结构和性能是很复杂的，以至这些系统的数学模型不总是可以用数学解析方法求解的。此时，系统模拟是仅有可行的方法。通过模拟研究改进设计方案，可获得系统设计的最佳结果。系统模拟不但用于解决任何不能用数学解析方法解决的复杂电信系统的设计和话务计算问题，还可用于理论研究工作，如对理论研究结果的验证等。系统模拟也是改进正在运行的系统的好方法。

通过改变模拟数据和分析模拟的结果，有助于了解系统中各变量的作用和相互影响的程度，从而找出改进系统的方法和依据。（张富）电信技术基础信号发生（signal-generating）在没有外加激励的条件下，电路自动地产生具有特定波形和参数的电振荡过程。实质上是一种直流电能向交流电能转换的过程。输出信号的波形和参数，如幅度和周期，由产生信号的电路本身和直流供电电压所决定。2

特点测试环境再现的实际工作条件越真实，测试数据越有意义。模拟系统能够以稳定的精度、质量和可靠性实现这一目标。这些系统用于执行极其真实的测试，使您能够在可控的测试实验室中准确、可重复地模拟从汽车和商用飞机到桥墩和人体脊柱的多种结构的工作环境。

世界各地的主要制造商、研究人员和工程师都信任模拟系统能够帮助他们优化植入式医疗设备、土木结构以及车辆零部件、系统和零部件的性能。无论是再现道路状况、复杂的运动研究还是地震的地震效应，模拟系统都能够确保真实的测试、精确的测量和高质量的结果。

模拟系统的模拟图与框图三种运算器系统模拟中应用的运算器有三种：加法器、数乘器(也称标量乘法器)和积分器。三种运算器的表示符号及其时域、s域中输入与输出的关系。

系统模拟的定义与系统的模拟图在实验室中用三种运算器：加法器、数乘器和积分器来模拟给定系统的数学模型——微分方程或系统函数H(s)，称为线性系统的模拟，简称系统模拟。经过模拟而得到的系统称为模拟系统。

从系统模拟的定义可看出，所谓系统模拟，仅是指数学意义上的模拟。模拟的不是实际的系统，而是系统的数学模型——微分方程或系统函数H(s)。这就是说，不管是任何实际系统，只要它们的数学模型相同，则它们的模拟系统就一样，就可以在实验室里用同一个模拟系统对系统的特性进行研究。例如当系统参数或输入信号改变时，系统的响应如何变化，系统的工作是否稳定，系统的性能指标能否满足要求，系统的频率响应如何变化，等等。所有这些都可用实验仪器直接进行观测，或在计算机的输出装置上直接显示出来。模拟系统的输出信号，就是系统微分方程的解，称为模拟解。这不仅比直接求解系统的微分方程来得简便，而且便于确定系统的最佳参数和最佳工作状态。这正是系统模拟的重要实用意义和理论价值。 3

在工程实际中，三种运算器：加法器、数乘器和积分器，都是用含有运算放大器的电路来实现，这在电路基础课程中已进行了研究，不再赘述。系统模拟一般都是用模拟计算机或数字计算机实现，也可在专用的实验设备上实现。由加法器、数乘器和积分器连接而成的图称为系统模拟图，简称模拟图。模拟图与系统的微分方程(或系统函数H(s))在描述系统特性方面是等价的。

常用的模拟图形式常用的模拟图有四种形式：直接形式、并联形式、级联形式和混联形式。它们都可以根据系统的微分方程或系统函数H(s)画出。在模拟计算机中，每一个积分器都备有专用的输入初始条件的引入端，当进行模拟实验时，每一个积分器都要引入它应有的初始条件。有了这样的理解，下面画系统模拟图时，为简明方便，先设系统的初始状态为零，即系统为零状态。此时，模拟系统的输出信号，就只是系统的零状态响应了。3

信号分类按波形分类，有周期性信号和随机信号。周期信号又可分为正弦波和非正弦波。常见的非正弦波有：矩形波、三角波、锯齿波、尖顶脉冲和阶梯波等；其显著特点是波形兼有快速变化部分和缓慢变化部分，两种变化速度相差较大。具有这种特点的信号又称脉冲信号（见脉冲技术）。产生这些信号的装置叫信号发生器。4

信号产生方法采用正反馈放大器或负阻放大器实现。

1、采用正反馈放大器实现正弦波信号的产生

正反馈放大器与选频网络相配合，以保证输出所需频率。放大器的输出信号通过正反馈电路反馈到放大器的输入端，要求反馈信号与输入信号幅度相等、相位相同，以维持放大器在没有激励的条件下产生振荡。

2、采用正反馈放大器实现非正弦波信号的产生

需要有含储能元件的定时电路构成正反馈电路。通过储能元件上能量的补充与释放，改变电压，控制放大器中器件工作状态的转换。放大器中器件工作状态的改变，又反过来为储能元件上能量的补充与释放创造条件，从而产生电振荡。

3、采用负阻放大器实现信号的产生

用负阻器件配合外部选频网络产生正弦波，或配合外部定时元件产生非正弦波。负阻器件的特征是伏安特性有一段具有负斜率，即在该区域的微变电阻为负值。应用负阻器件产生信号时，负阻器件必须工作在负阻区，依靠负阻特性将直流电能转换为交流电能。

指标正弦波信号的主要指标有频率稳定度、振幅稳定度和波形失真。

1、频率稳定度

分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度两种表示方法。绝对频率稳定度为一定时间内振荡频率的变化量。相对频率稳定度为一定时间内振荡频率变化量与实际振荡频率之比。实际振荡频率是一个不定值，但由于它十分接近于标称振荡频率值，故一般用振荡频率变化量与标称振荡频率值之比定义相对频率稳定度。有的系统要求在短期内有很高的频率稳定度；有的系统要求在长期内有很高的频率稳定度。

2、振幅稳定度

用振幅变化的百分比表示。不同的使用情况，对振幅稳定度有不同的要求。对于工作于一个频段内的信号发生器，除了要求振幅不随时间而变化外，还要求在整个频段内有良好的稳定度。

3、波形失真

用谐波系数度量。谐波系数越大，表示失真越大。在实际产生正弦波信号的电路中，总是包含具有非线性特性的元器件。在产生正弦波的同时，必然伴随着出现谐波分量，即产生的波形为一个理想的正弦波（称基波）和它的各次谐波之和。各次谐波有救值与基波有效值的比值称为该次谐波的谐波系数，其符号为。

（式中n=2，3，4，。。。）为谐波次数，为基波电压有效值．为n次谐波电压有效值。有效值代表功率，故总谐波系数δ等于各次谐波系数平方和的开方。在谐波系数相同的条件下，发送功率越大，其谐波功率也越大，所以当发送功率越大时，要求谐波系散越小。要使产生的正弦波信号谐波含量低，一方面可合理选择产生正弦波信号的电路及电子器件的工作状态，另一方面是加滤波网络。

模拟系统应用在通信设备、测量仪器、计算机和自动控制系统中，模拟系统需要发生出各式各样的信号，以实现各种不同的功能。

1、载波信号

一般为正弦波。载波车身不包含有用信息，只是起着运载信息的作用。通过调制，使正弦波的振幅、或频率、或相位按有用信息的变化规律改变。有用信息即寓存于正弦波的振幅、频率或相位的变化之中。调制后的信号称为已调幅、已调频或已调相波。有时为了简单，省去“已”字，称为调幅波、调频波或调相波。

2、本机振荡信号

超外差式接收机中必不可少的信号，与接收到的高频信号进行混频后，变换为较低频率的信号，便于进行后续处理，有利于提高接收信号的质量。

3、呼叫、应答、告警信号

如电话通信中的振铃信号、拨号音信号、占线信号，利用频率不同和断续时间不同的正弦波信号，将电话网的工作状态告知使用者。载波通信中的导频信号，用来监视传输系统的稳定情况。告警信号使电声器件发声，告知值机人员通信设备的某一部分出现了故障。

4、测试信号

测试仪器产生的信号，根据测试项目的不同而异。如作为载频测试信号时，不仅需要产生等幅波，还需有调幅波、调频波。为了满足测试的要求，幅度和频率可以调节。对于已调信号，还要求测试信号的调制系数也是可调的。又如测试用的矩形脉冲信号，不但幅度和周期可调，还要求脉冲宽度、延迟时间可调。还有某些专用仪表的测试信号。波形十分复杂。如测试电视接收机用的复合同步信号、棋盘格信号和彩条信号等。

5、控制信号

测试仪器内部、计算机及自动控制系统中，控制电子束、机械动作的各种信号。例如，在示波器中，加到示波管偏转板上控制电子束运动的锯齿波电压；在电视接收和计算机的监示器中，加在显像管的偏转线圈上控制电子束偏转的锯齿波电流；在计数式频率计中，作为时间基准控制计数脉冲通过闸门的矩形脉冲。还有计算机中种类繁多的指令信号、加到显示器中显像管栅阴极间控制电子束强弱的信号，都是持续期和休止期各不相同的矩形脉冲。

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学