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(lèi) 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(lèi) 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(shì) 9
1．4 仿真在通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的作用 11
1．4．1 不同開(kāi)發(fā)階段的應(yīng)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(xí) 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(lèi)與準(zhǔn)則 15
2．1．2 實(shí)施步驟 16
2．1．3 思維方法 18
2．2 系統(tǒng)建模的實(shí)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(shí)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(shè)備建模誤差 26
2．3．3 過(guò)程建模誤差 27
2．4 系統(tǒng)仿真的實(shí)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(shí)現(xiàn)方法 31
2．4．3 通信系統(tǒng)分層仿真觀點(diǎn) 33
2．4．4 系統(tǒng)仿真的性能評(píng)估 34
2．5 系統(tǒng)仿真的驗(yàn)證 35
2．5．1 設(shè)備模型的驗(yàn)證 36
2．5．2 隨機(jī)過(guò)程模型的驗(yàn)證 37
2．5．3 系統(tǒng)模型的驗(yàn)證 38
小結(jié) 39
思考與練習(xí) 40
仿真實(shí)驗(yàn) 40
實(shí)驗(yàn)案例：地面通信干擾源跟蹤問(wèn)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(shí)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(dòng)循環(huán)圖建模方法 59
3．4．3 實(shí)體流圖建模方法 61
小結(jié) 63
思考與練習(xí) 63
仿真實(shí)驗(yàn) 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(xué)原理 65
4．1．2 實(shí)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(dòng)掃描法 73
4．2．3 進(jìn)程交互法 75
4．2．4 時(shí)間推進(jìn)機(jī)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(yīng)用 80
4．4 準(zhǔn)解析MC仿真 82
4．4．1 問(wèn)題提出 82
4．4．2 基本原理 82
4．4．3 二進(jìn)制通信系統(tǒng)的QA仿真 84
小結(jié) 85
思考與練習(xí) 86
仿真實(shí)驗(yàn) 87
實(shí)驗(yàn)案例：關(guān)于蒙特卡洛仿真法計(jì)算
圓周率的進(jìn)一步討論 87
第5章 仿真中的隨機(jī)過(guò)程分析 92
5．1 概率論基礎(chǔ) 92
5．1．1 隨機(jī)事件與概率 92
5．1．2 隨機(jī)變量與概率分布 94
5．1．3 單隨機(jī)變量模型 96
5．2 隨機(jī)過(guò)程的基本概念 102
5．2．1 隨機(jī)過(guò)程的一般表述 102
5．2．2 隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性 103
5．3 平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程及其特性分析 105
5．3．1 平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程及其各態(tài)
歷經(jīng)性 105
5．3．2 平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)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(lèi) 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(jī)過(guò)程的模型 126
5．6．1 隨機(jī)序列 126
5．6．2 泊松過(guò)程 130
5．6．3 高斯隨機(jī)過(guò)程 134
5．7 隨機(jī)過(guò)程通過(guò)線性系統(tǒng) 135
5．7．1 基本概念 136
5．7．2 窄帶隨機(jī)過(guò)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(xí) 142
仿真實(shí)驗(yàn) 143
第6章 隨機(jī)變量的實(shí)現(xiàn) 145
6．1 要求與特點(diǎn) 145
6．2 隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生 146
6．2．1 均勻分布隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生 147
6．2．2 任意概率密度函數(shù)隨機(jī)數(shù)的
生成方法 149
6．2．3 斯隨機(jī)變量的產(chǎn)生 155
6．3 獨(dú)立隨機(jī)序列的產(chǎn)生 157
6．3．1 高斯白噪聲序列 157
6．3．2 二進(jìn)制偽隨機(jī)序列 158
6．3．3 M進(jìn)制偽隨機(jī)序列 165
6．4 相關(guān)隨機(jī)序列的產(chǎn)生 167
6．4．1 相關(guān)高斯標(biāo)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(jī)數(shù)產(chǎn)生器的測(cè)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(cè) 177
小結(jié) 179
思考與練習(xí) 180
仿真實(shí)驗(yàn) 180
實(shí)驗(yàn)案例：梅森旋轉(zhuǎn)算法生成隨機(jī)數(shù)
及其改進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn) 217
7．7 解調(diào)與檢測(cè) 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(duì)仿真的影響 225
7．8．2 載波同步恢復(fù) 227
7．8．3 位同步恢復(fù) 229
7．9 仿真的標(biāo)校 231
7．9．1 信號(hào)功率 231
7．9．2 噪聲功率 233
小結(jié) 233
思考與練習(xí) 234
仿真實(shí)驗(yàn) 235
實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)自由空間信道 239
8．1．1 晴空大氣（對(duì)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(yīng) 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(guò)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(diǎn) 259
8．4．2 有限狀態(tài)無(wú)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(jí)仿真 266
8．5．2 碼元級(jí)仿真 267
8．5．3 語(yǔ)音編碼級(jí)仿真 268
8．6 移動(dòng)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(yīng)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(jìn)制對(duì)稱(chēng)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(xí) 276
仿真實(shí)驗(yàn) 276
實(shí)驗(yàn)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(jì) 281
9．1 參數(shù)估計(jì)的基本概念 281
9．1．1 理論背景和基本概念 281
9．1．2 估計(jì)器的性能 283
9．2 波形平均電平和功率估計(jì) 286
9．2．1 波形平均電平估計(jì) 286
9．2．2 波形平均功率估計(jì) 290
9．3 波形幅度概率密度和分布
函數(shù)估計(jì) 291
9．3．1 經(jīng)驗(yàn)分布 292
9．3．2 直方圖 292
9．4 信號(hào)功率譜密度的估計(jì) 295
9．4．1 估計(jì)器的基本形式 295
9．4．2 估計(jì)器的修正形式 297
9．4．3 估計(jì)器的期望值與方差 300
9．4．4 實(shí)現(xiàn)PSD的估計(jì)器 301
9．5 時(shí)延和相位估計(jì) 303
9．5．1 無(wú)噪聲環(huán)境下載波相位和定時(shí)
同步的估計(jì) 304
9．5．2 分組估計(jì)器 305
9．6 性能的目測(cè)指標(biāo) 308
9．6．1 眼圖 308
9．6．2 散布圖 309
小結(jié) 310
思考與練習(xí) 310
仿真實(shí)驗(yàn) 311
第10章 通信仿真中的性能指標(biāo)估計(jì) 312
10．1 信噪比估計(jì) 312
10．1．1 信噪比估計(jì)器的形式 312
10．1．2 估計(jì)器的統(tǒng)計(jì)特性 314
10．1．3 估計(jì)器的實(shí)現(xiàn) 315
10．2 數(shù)字系統(tǒng)性能估計(jì) 318
10．2．1 理論框架 318
10．2．2 MC估計(jì)器的形式 320
10．2．3 MC估計(jì)器的置信區(qū)間 321
10．2．4 MC估計(jì)器的均值和方差 324
10．3 尾部外推法 326
10．3．1 估計(jì)器形式 326
10．3．2 估計(jì)器的性能分析與實(shí)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(xí) 334
仿真實(shí)驗(yàn) 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(xiàn) 341