通信系統(tǒng)建模與仿真教程（第3版）

目 錄
第1章 緒論 1
1．1 系統(tǒng)與模型 1
1．1．1 系統(tǒng) 1
1．1．2 模型 2
1．1．3 模型的分類 3
1．2 仿真 4
1．2．1 定義 4
1．2．2 相似理論 5
1．2．3 仿真的分類 7
1．3 系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展 8
1．3．1 歷史回顧 8
1．3．2 發(fā)展趨勢 9
1．4 仿真在通信系統(tǒng)開發(fā)中的作用 11
1．4．1 不同開發(fā)階段的應用 11
1．4．2 有效性分析 12
1．4．3 典型案例分析 12
思考與練習 14
第2章 系統(tǒng)建模與仿真基礎(chǔ) 15
2．1 系統(tǒng)建模的基本概念 15
2．1．1 分類與準則 15
2．1．2 實施步驟 16
2．1．3 思維方法 18
2．2 系統(tǒng)建模的實現(xiàn)方法 20
2．2．1 基本思路 21
2．2．2 通信系統(tǒng)建模的實現(xiàn)方法 22
2．2．3 虛擬與混合系統(tǒng)建模 23
2．3 系統(tǒng)建模的誤差分析 25
2．3．1 系統(tǒng)建模誤差 25
2．3．2 設備建模誤差 26
2．3．3 過程建模誤差 27
2．4 系統(tǒng)仿真的實現(xiàn)方法 29
2．4．1 仿真理論和方法 30
2．4．2 通信系統(tǒng)仿真的實現(xiàn)方法 31
2．4．3 通信系統(tǒng)分層仿真觀點 33
2．4．4 系統(tǒng)仿真的性能評估 34
2．5 系統(tǒng)仿真的驗證 35
2．5．1 設備模型的驗證 36
2．5．2 隨機過程模型的驗證 37
2．5．3 系統(tǒng)模型的驗證 38
小結(jié) 39
思考與練習 40
仿真實驗 40
實驗案例：地面通信干擾源跟蹤問題
的系統(tǒng)建模 40
第3章 系統(tǒng)建模方法 45
3．1 系統(tǒng)的描述 45
3．1．1 時域描述模型 45
3．1．2 傳遞函數(shù)模型 46
3．1．3 狀態(tài)空間模型 47
3．2 連續(xù)系統(tǒng)的建模 48
3．2．1 微分方程建模方法 48
3．2．2 頻域建模方法 50
3．2．3 分布參數(shù)系統(tǒng)建模方法 52
3．3 離散事件系統(tǒng)建模基礎(chǔ) 53
3．3．1 離散事件系統(tǒng)的基本要素 54
3．3．2 離散事件仿真模型的部件與
結(jié)構(gòu) 55
3．4 離散事件系統(tǒng)典型建模方法 57
3．4．1 Petri網(wǎng)建模方法 57
3．4．2 活動循環(huán)圖建模方法 59
3．4．3 實體流圖建模方法 61
小結(jié) 63
思考與練習 63
仿真實驗 64
第4章 系統(tǒng)仿真方法 65
4．1 連續(xù)系統(tǒng)數(shù)值仿真方法 65
4．1．1 數(shù)學原理 65
4．1．2 實現(xiàn)方法 67
4．1．3 穩(wěn)定性分析 70
4．2 離散事件系統(tǒng)仿真基本策略 71
4．2．1 事件調(diào)度法 71
4．2．2 活動掃描法 73
4．2．3 進程交互法 75
4．2．4 時間推進機制 77
4．3 蒙特卡洛仿真原理 78
4．3．1 蒙特卡洛仿真的定義 79
4．3．2 MC法在通信中的應用 80
4．4 準解析MC仿真 82
4．4．1 問題提出 82
4．4．2 基本原理 82
4．4．3 二進制通信系統(tǒng)的QA仿真 84
小結(jié) 85
思考與練習 86
仿真實驗 87
實驗案例：關(guān)于蒙特卡洛仿真法計算
圓周率的進一步討論 87
第5章 仿真中的隨機過程分析 92
5．1 概率論基礎(chǔ) 92
5．1．1 隨機事件與概率 92
5．1．2 隨機變量與概率分布 94
5．1．3 單隨機變量模型 96
5．2 隨機過程的基本概念 102
5．2．1 隨機過程的一般表述 102
5．2．2 隨機過程的統(tǒng)計特性 103
5．3 平穩(wěn)隨機過程及其特性分析 105
5．3．1 平穩(wěn)隨機過程及其各態(tài)
歷經(jīng)性 105
5．3．2 平穩(wěn)隨機過程的特性分析 106
5．4 信道分析 109
5．4．1 信道模型 109
5．4．2 恒參信道 111
5．4．3 變參信道 113
5．5 噪聲 116
5．5．1 噪聲的分類 116
5．5．2 起伏噪聲 117
5．5．3 白噪聲和帶限白噪聲模型 119
5．5．4 量化噪聲 120
5．6 隨機過程的模型 126
5．6．1 隨機序列 126
5．6．2 泊松過程 130
5．6．3 高斯隨機過程 134
5．7 隨機過程通過線性系統(tǒng) 135
5．7．1 基本概念 136
5．7．2 窄帶隨機過程 137
5．7．3 正弦波加窄帶高斯噪聲 139
小結(jié) 141
思考與練習 142
仿真實驗 143
第6章 隨機變量的實現(xiàn) 145
6．1 要求與特點 145
6．2 隨機數(shù)產(chǎn)生 146
6．2．1 均勻分布隨機數(shù)的產(chǎn)生 147
6．2．2 任意概率密度函數(shù)隨機數(shù)的
生成方法 149
6．2．3 斯隨機變量的產(chǎn)生 155
6．3 獨立隨機序列的產(chǎn)生 157
6．3．1 高斯白噪聲序列 157
6．3．2 二進制偽隨機序列 158
6．3．3 M進制偽隨機序列 165
6．4 相關(guān)隨機序列的產(chǎn)生 167
6．4．1 相關(guān)高斯標量序列 168
6．4．2 相關(guān)高斯矢量序列 172
6．4．3 相關(guān)非高斯序列 174
6．5 隨機數(shù)產(chǎn)生器的測試 174
6．5．1 平穩(wěn)性與非相關(guān)性 175
6．5．2 擬合優(yōu)良度檢測 177
小結(jié) 179
思考與練習 180
仿真實驗 180
實驗案例：梅森旋轉(zhuǎn)算法生成隨機數(shù)
及其改進算法 181
第7章 通信系統(tǒng)建模 183
7．1 通信系統(tǒng)的建模方法與原則 183
7．2 信源 184
7．2．1 模擬信源 185
7．2．2 數(shù)字信源 186
7．3 信源編譯碼 188
7．3．1 模擬信源編譯碼 188
7．3．2 數(shù)字信源的編譯碼 189
7．4 數(shù)字基帶 191
7．4．1 邏輯到邏輯的映射 192
7．4．2 邏輯到波形的映射 194
7．4．3 二進制數(shù)字基帶通信系統(tǒng)
仿真 196
7．5 信道編碼 197
7．5．1 分組碼 198
7．5．2 卷積碼 203
7．5．3 編碼通信的鏈路仿真 207
7．6 調(diào)制系統(tǒng) 210
7．6．1 模擬調(diào)制 211
7．6．2 數(shù)字調(diào)制 212
7．6．3 仿真與實現(xiàn) 217
7．7 解調(diào)與檢測 219
7．7．1 相干解調(diào) 219
7．7．2 非相干解調(diào) 221
7．8 同步 224
7．8．1 同步技術(shù)對仿真的影響 225
7．8．2 載波同步恢復 227
7．8．3 位同步恢復 229
7．9 仿真的標校 231
7．9．1 信號功率 231
7．9．2 噪聲功率 233
小結(jié) 233
思考與練習 234
仿真實驗 235
實驗案例：卷積碼軟判決維特比譯碼
的性能仿真與分析 235
第8章 通信信道及其建模 239
8．1 準自由空間信道 239
8．1．1 晴空大氣（對流層）信道 239
8．1．2 雨衰信道 241
8．1．3 電離層相位信道 242
8．2 衰落與多徑信道 243
8．2．1 陰影衰落 244
8．2．2 多徑衰落 245
8．2．3 WSSUS模型的特性分析 248
8．2．4 衰落信道的沖擊響應 250
8．3 多徑衰落信道的結(jié)構(gòu)模型 252
8．3．1 彌散多徑信道模型 252
8．3．2 離散多徑信道模型 255
8．3．3 抽頭增益過程的生成 257
8．3．4 HAPS多徑信道模型 258
8．4 有限狀態(tài)信道模型 259
8．4．1 定義和特點 259
8．4．2 有限狀態(tài)無記憶模型 260
8．4．3 有限狀態(tài)有記憶模型：隱馬爾
可夫模型（HMM） 261
8．4．4 Fritchman模型 265
8．5 衰落信道中通信系統(tǒng)的仿真
方法 266
8．5．1 波形級仿真 266
8．5．2 碼元級仿真 267
8．5．3 語音編碼級仿真 268
8．6 移動信道的參考模型 268
8．6．1 線路損耗模型 268
8．6．2 信道沖激響應模型 269
8．7 Simulink中的信道模塊 270
8．7．1 加性高斯白噪聲信道 270
8．7．2 二進制對稱信道 271
8．7．3 多徑瑞利衰落信道 272
8．7．4 多徑萊斯衰落信道 273
8．7．5 射頻損耗 274
小結(jié) 275
思考與練習 276
仿真實驗 276
實驗案例：Ka頻段臨近空間通信
信道建模 277
第9章 通信仿真中的參數(shù)估計 281
9．1 參數(shù)估計的基本概念 281
9．1．1 理論背景和基本概念 281
9．1．2 估計器的性能 283
9．2 波形平均電平和功率估計 286
9．2．1 波形平均電平估計 286
9．2．2 波形平均功率估計 290
9．3 波形幅度概率密度和分布
函數(shù)估計 291
9．3．1 經(jīng)驗分布 292
9．3．2 直方圖 292
9．4 信號功率譜密度的估計 295
9．4．1 估計器的基本形式 295
9．4．2 估計器的修正形式 297
9．4．3 估計器的期望值與方差 300
9．4．4 實現(xiàn)PSD的估計器 301
9．5 時延和相位估計 303
9．5．1 無噪聲環(huán)境下載波相位和定時
同步的估計 304
9．5．2 分組估計器 305
9．6 性能的目測指標 308
9．6．1 眼圖 308
9．6．2 散布圖 309
小結(jié) 310
思考與練習 310
仿真實驗 311
第10章 通信仿真中的性能指標估計 312
10．1 信噪比估計 312
10．1．1 信噪比估計器的形式 312
10．1．2 估計器的統(tǒng)計特性 314
10．1．3 估計器的實現(xiàn) 315
10．2 數(shù)字系統(tǒng)性能估計 318
10．2．1 理論框架 318
10．2．2 MC估計器的形式 320
10．2．3 MC估計器的置信區(qū)間 321
10．2．4 MC估計器的均值和方差 324
10．3 尾部外推法 326
10．3．1 估計器形式 326
10．3．2 估計器的性能分析與實現(xiàn) 329
10．4 重要事件采樣法 330
10．4．1 重要事件采樣法工作原理 330
10．4．2 偏差概率密度函數(shù)的選擇 332
小結(jié) 333
思考與練習 334
仿真實驗 334
附錄A 傅里葉變換 335
附錄B 離散傅里葉變換（DFT） 337
附錄C 幾種通信系統(tǒng)仿真中常用的
概率分布 339
附錄D 誤差函數(shù)表 340
參考文獻 341