通信系统仿真原理与无线应用

第一部分  概      论
 第1章  仿真的作用        1
 1.1  复杂性示例        2
 1.1.1  易于解析处理的系统        2
 1.1.2  需繁琐解析处理的系统        3
 1.1.3  难以解析处理的系统        4
 1.2  仿真的多学科特点        5
 1.3  模型        6
 1.4  确定性与随机性仿真        8
 1.4.1  一个确定性仿真的实例        9
 1.4.2  一个随机性仿真的实例        10
 1.5  仿真的作用        11
 1.5.1  链路预算与系统级标校过程        11
 1.5.2  关键元件的实现与测试        12
 1.5.3  完成硬件原型与验证仿真模型        13
 1.5.4  生命终结预测        13
 1.6  仿真软件包        13
 1.7  告诫        15
 1.8  MATLAB的使用        16
 1.9  本书提纲        16
 1.10  进一步的参考读物        16
 第2章  仿真方法论        18
 2.1  概述        18
 2.2  方法论的各方面        19
 2.2.1  将问题映射到仿真模型        19
 2.2.2  单个模块的建模        24
 2.2.3  随机过程建模与仿真        27
 2.3  性能估计        29
 2.4  小结        30
 2.5  进一步的参考读物        30
 2.6  习题        30
 第二部分  基本概念与方法
 第3章  采样与量化        33
 3.1  采样        33
 3.1.1  低通采样定理        33
 3.1.2  低通随机信号的采样        36
 3.1.3  带通采样        37
 3.2  量化        39
 3.3  重构与内插        43
 3.3.1  理想重构        43
 3.3.2  上采样与下采样        44
 3.4  仿真采样频率        47
 3.4.1  通用开发        48
 3.4.2  数据符号的独立性        49
 3.4.3  仿真采样率        51
 3.5  小结        54
 3.6  进一步的参考读物        54
 3.7  参考文献        55
 3.8  习题        55
 第4章  带通信号与系统的低通仿真模型        57
 4.1  带通信号的低通复包络        57
 4.1.1  复包络：时域        57
 4.1.2  复包络：频域        65
 4.1.3  从鱔(f)推导出Xd(f)与Xq(f)        66
 4.1.4  能量与功率        67
 4.1.5  随机带通信号的正交模型        67
 4.1.6  信噪比        69
 4.2  线性带通系统        71
 4.2.1  线性时不变系统        72
 4.2.2  从H(f)推导出hd(t)和hq(t)        75
 4.3  多载波信号        77
 4.4  非线性与时变系统        78
 4.4.1  非线性系统        79
 4.4.2  时变系统        80
 4.5  小结        82
 4.6  进一步的参考读物        82
 4.7  参考文献        82
 4.8  习题        83
 4.9  附录A：MATLAB程序QAMDEMO        86
 4.9.1  主程序        86
 4.9.2  支撑子程序        86
 4.10  附录B：输入输出关系的证明        87
 第5章  滤波器模型与仿真方法        89
 5.1  概述        89
 5.2  IIR与FIR滤波器        91
 5.2.1  IIR 滤波器        91
 5.2.2  FIR 滤波器        92
 5.2.3  综合与仿真        92
 5.3  IIR与FIR滤波器的实现        92
 5.3.1  直接II型与转置直接II型的实现        92
 5.3.2  FIR滤波器的实现        96
 5.4  IIR滤波器：综合方法与滤波器特性        97
 5.4.1  冲激不变滤波器        97
 5.4.2  阶跃不变滤波器        97
 5.4.3  双线性z变换滤波器        98
 5.4.4  IIR数字滤波器的计算机辅助设计        104
 5.4.5  IIR滤波器的误差源        104
 5.5  FIR滤波器：综合技术与滤波器特性        105
 5.5.1  根据幅度响应进行的设计        107
 5.5.2  根据冲激响应进行的设计        111
 5.5.3  FIR滤波器仿真模型的实现        114
 5.5.4  FIR数字滤波器的计算机辅助设计        116
 5.5.5  对FIR设计的评论        118
 5.6  小结        118
 5.7  进一步的参考读物        120
 5.8  参考文献        120
 5.9  习题        120
 5.10  附录A：升余弦脉冲例子        121
 5.10.1  主程序: c5_rcosdemo.m        121
 5.10.2  函数文件c5_rcos.m        122
 5.11  附录B：平方根升余弦脉冲例子        122
 5.11.1  主程序：c5_sqrcdemo.m        122
 5.11.2  函数文件c5_sqrc.m        122
 5.12  附录C：例5-11的MATLAB源代码与数据        123
 5.12.1  c5_FIRFilterExample.m        124
 5.12.2  FIR_Filter_AMP_Delay.m        125
 5.12.3  shift_ifft.m        127
 5.12.4  log_psd.m        127
 第6章  案例研究: 锁相环与微分方程方法        128
 6.1  基本锁相环概念        128
 6.1.1  锁相环模型        129
 6.1.2  非线性相位模型        130
 6.1.3  具有复输入的非线性模型        132
 6.1.4  线性模型与环传递函数        132
 6.2  一阶环与二阶环        133
 6.2.1  一阶锁相环        133
 6.2.2  二阶锁相环        135
 6.3  案例研究: 仿真锁相环        136
 6.3.1  仿真结构        136
 6.3.2  仿真        137
 6.3.3  仿真结果        139
 6.3.4  仿真的误差源        140
 6.4  用仿真来求解微分方程        141
 6.4.1  仿真示意图        142
 6.4.2  再论锁相环        143
 6.5  小结        146
 6.6  进一步的参考读物        147
 6.7  参考文献        147
 6.8  习题        147
 6.9  附录A：PLL仿真程序        149
 6.10  附录B：PLL仿真实例的预处理        150
 6.11  附录C：PLL后处理        151
 6.11.1  主程序        151
 6.11.2  支撑子程序        152
 6.12  附录D: 例6-3的MATLAB源代码        153
 第7章  随机信号的产生与处理        154
 7.1  平稳与遍历性过程         155
 7.2  均匀随机数发生器        157
 7.2.1  线性同余        157
 7.2.2  随机数发生器的测试        160
 7.2.3  最低标准        162
 7.2.4  MATLAB实现        164
 7.2.5  种子数与种子向量        164
 7.3  将均匀分布随机变量映射成任意pdf        164
 7.3.1  逆变换法        165
 7.3.2  直方图法        168
 7.3.3  舍弃法        169
 7.4  产生不相关的高斯随机变量        172
 7.4.1  均匀变量求和法        172
 7.4.2  瑞利随机变量到高斯随机变量的映射        174
 7.4.3  极坐标法        176
 7.4.4  MATLAB实现        177
 7.5  产生相关的高斯随机变量        177
 7.5.1  确定给定的相关系数        177
 7.5.2  确定任意的功率谱密度或自相关函数        178
 7.6  同时确定pdf和PSD        180
 7.7  PN序列发生器         182
 7.8  信号处理        185
 7.8.1  输入-输出均值        186
 7.8.2  输入-输出互相关        186
 7.8.3  输出自相关函数        186
 7.8.4  输入-输出方差        187
 7.9  小结        187
 7.10  进一步的参考读物        188
 7.11  参考文献        188
 7.12  习题        189
 7.13  附录A：例7-11的MATLAB代码        191
 7.13.1  主程序        191
 7.13.2  支撑子程序        191
 第8章  后处理        194
 8.1  基本图形方法        194
 8.1.1  系统实例—p/4 DQPSK传输        194
 8.1.2  波形. 眼图和散点图        196
 8.2  估计        199
 8.2.1  直方图        199
 8.2.2  功率谱密度估计        201
 8.2.3  增益. 延迟和信噪比        206
 8.3  编码        210
 8.3.1  分组编码的分析方法        210
 8.3.2  卷积码的分析方法        213
 8.4  小结        214
 8.5  进一步的参考读物        215
 8.6  参考文献        215
 8.7  习题        216
 8.8  附录A：例8-1的MATLAB代码        218
 8.8.1  主程序        218
 8.8.2  支撑子程序        219
 第9章  蒙特卡罗方法导论        221
 9.1  基本概念        221
 9.1.1  相对频率        221
 9.1.2  无偏和一致估计器        222
 9.1.3  蒙特卡罗估计        222
 9.1.4  p的估计        224
 9.2  在通信系统中的应用—AWGN信道        226
 9.2.1  二项式分布        226
 9.2.2  两个简单的蒙特卡罗仿真        228
 9.3  蒙特卡罗积分        234
 9.3.1  基本概念        235
 9.3.2  收敛性        236
 9.3.3  置信区间        237
 9.4  小结        239
 9.5  进一步的参考读物        239
 9.6  参考文献        240
 9.7  习题        240
 第10章  通信系统的蒙特卡罗仿真        242
 10.1  两个蒙特卡罗实例        242
 10.2  半解析方法        251
 10.2.1  基本考虑        252
 10.2.2  等效噪声源        254
 10.2.3  PSK系统误比特率的半解析估计方法        255
 10.2.4  QPSK系统误比特率的半解析估计方法        256
 10.2.5  数据序列的选择        258
 10.3  小结        259
 10.4  参考文献        260
 10.5  习题        260
 10.6  附录A：例10-1的仿真代码        260
 10.6.1  主程序        260
 10.6.2  支撑子程序        262
 10.7  附录B：例10-2的仿真代码        262
 10.7.1  主程序        262
 10.7.2  支撑子程序        265
 10.7.3  vxcorr.m        265
 10.8  附录C：例10-3的仿真代码        266
 10.8.1  主程序        266
 10.8.2  支撑子程序        267
 10.9  附录D: 例10-4的仿真代码        267
 10.9.1  主程序        267
 10.9.2  支撑子程序        269
 第11章  无线系统仿真的方法论        271
 11.1  系统级简化与采样率考虑        272
 11.2  整体方法论        273
 11.2.1  系统模拟部分仿真的方法论        276
 11.2.2  系统模拟部分仿真方法论的小结        284
 11.2.3  编码后BER的估计        284
 11.2.4  语音质量指标的估计        284
 11.2.5  整体方法论小结        285
 11.3  小结        285
 11.4  进一步的参考读物        285
 11.5  参考文献        286
 11.6  习题        286
 第三部分  高级建模与仿真方法
 第12章  非线性系统的建模与仿真        289
 12.1  概述        289
 12.1.1  非线性器的类型与模型        289
 12.1.2  非线性器仿真要考虑的因素        291
 12.2  无记忆非线性器的建模与仿真        291
 12.2.1  基带非线性器        292
 12.2.2  带通非线性器—带状带通模型        293
 12.2.3  低通复包络 (AM-AM和AM-PM)模型        294
 12.2.4  复包络模型的仿真        299
 12.2.5  多载波形式        299
 12.3  有记忆非线性器的建模与仿真        304
 12.3.1  基于扫频测量的经验模型        305
 12.3.2  其他模型        306
 12.4  非线性微分方程的求解方法        308
 12.4.1  非线性微分方程的状态向量形式        308
 12.4.2  线性微分方程的递归解法—标量形式        310
 12.4.3  多步法的一般形式        313
 12.4.4  数值积分法的精度与稳定性        313
 12.4.5  求解高阶非线性微分方程—向量形式        314
 12.5  锁相环的例子        315
 12.6  小结        316
 12.7  进一步的参考读物        316
 12.8  参考文献        317
 12.9  习题        318
 12.10  附录A：Saleh 模型        319
 12.11  附录B：例12-2 的MATLAB代码        319
 12.11.1  主程序        319
 12.11.2  支撑子程序        320
 第13章  时变系统的建模与仿真        321
 13.1  概述        321
 13.1.1  时变系统的实例        321
 13.1.2  建模与仿真方法        322
 13.2  线性时变系统的模型        322
 13.2.1  线性时变系统的时域描述        323
 13.2.2  线性时变系统的频域描述        324
 13.2.3  线性时变系统的特性        326
 13.3  随机过程模型        330
 13.4  线性时变系统的仿真模型        332
 13.5  MATLAB例子        335
 13.5.1  MATLAB例1        335
 13.5.2  MATLAB例2        337
 13.6  小结        338
 13.7  进一步的参考读物        338
 13.8  参考文献        338
 13.9  习题        338
 13.10  附录A：例1的MATLAB代码        339
 13.10.1  主程序        339
 13.10.2  支撑子程序        340
 13.11  附录B：例2的MATLAB代码        340
 13.11.1  主程序        340
 13.11.2  支撑子程序        341
 13.11.3  mpsk_pulses.m        341
 第14章  波形信道的建模与仿真        343
 14.1  概述        343
 14.1.1  通信信道模型        343
 14.1.2  通信信道仿真        344
 14.1.3  离散信道模型        344
 14.1.4  通信系统性能仿真方法论        345
 14.1.5  本章提纲        345
 14.2  有线与导波信道        345
 14.3  无线信道        346
 14.3.1  对流层信道        347
 14.3.2  降雨对无线信道的影响        347
 14.4  多径衰落信道        348
 14.4.1  概述        348
 14.4.2  多径衰落信道的例子        348
 14.4.3  离散与散射多径        353
 14.5  多径衰落信道建模        353
 14.6  随机过程模型        354
 14.6.1  信道响应中的时变模型        356
 14.6.2  重要参数        357
 14.7  仿真方法论        358
 14.7.1  散射多径衰落信道的仿真        358
 14.7.2  离散多径衰落信道的仿真        362
 14.7.3  离散多径衰落信道模型的例子        367
 14.7.4  室内无线信道模型        371
 14.8  小结        371
 14.9  进一步的参考读物        372
 14.10  参考文献        372
 14.11  习题        374
 14.12  附录A：例14-1的MATLAB代码        374
 14.12.1  主程序        374
 14.12.2  支撑子程序        376
 14.13  附录B：例14-2的MATLAB代码        376
 14.13.1  主程序        376
 14.13.2  支撑子程序        378
 第15章  离散信道模型        379
 15.1  概述        379
 15.2  离散无记忆信道模型        381
 15.3  离散记忆信道的马尔可夫模型        382
 15.3.1  两状态模型        383
 15.3.2  N状态马尔可夫模型        388
 15.3.3  一阶马尔可夫过程        388
 15.3.4  平稳性        389
 15.3.5  马尔可夫模型仿真        389
 15.4  示例HMMs-Gilbert模型和Fritchman模型        391
 15.5  马尔可夫模型的参数估计        393
 15.5.1  比例缩放        398
 15.5.2  收敛和终止准则        399
 15.5.3  块等效马尔可夫模型        399
 15.6  两个例子        401
 15.7  小结        405
 15.8  进一步的参考读物        406
 15.9  参考文献        406
 15.10  习题        407
 15.11  附录A：差错向量的产生        409
 15.11.1  程序：c15_errvector.m        409
 15.11.2  程序：c15_hmmtest.m        409
 15.12  附录B：Baum-Welch算法        410
 15.13  附录C：半隐式马尔可夫模型        412
 15.14  附录D：游程码的产生        415
 15.15  附录E：无差错分布的确定        415
 15.15.1  c15_intervals1.m        416
 15.15.2  c15_intervals2.m        416
 第16章  高效仿真技术        417
 16.1  尾外推法        417
 16.2  pdf估计器        419
 16.3  重要性采样        421
 16.3.1  椭圆的面积        421
 16.3.2  对pdf的敏感性        427
 16.3.3  最后一笔        428
 16.3.4  通信问题        429
 16.3.5  常规与改进的重要性采样        430
 16.4  小结        431
 16.5  进一步的参考读物        431
 16.6  参考文献        432
 16.7  习题        432
 16.8  附录A: 例16-3的MATLAB代码        433
 16.8.1  主程序        433
 16.8.2  支撑子程序        437
 第17章  案例研究：蜂窝无线通信系统的仿真        438
 17.1  概述        438
 17.2  蜂窝无线系统        439
 17.2.1  系统级描述        439
 17.2.2  蜂窝通信系统的建模        441
 17.3  仿真方法论        448
 17.3.1  仿真        448
 17.3.2  仿真结果的处理        457
 17.4  小结        461
 17.5  进一步的参考读物        461
 17.6  参考文献        461
 17.7  习题        462
 17.8  附录A：产生爱尔兰B图的程序        463
 17.9  附录B：仿真代码的初始化        464
 17.10  附录C：同频干扰建模        465
 17.10.1  Wilkinson方法        466
 17.10.2  Schwartz与Yeh方法        467
 17.11  附录D：Wilkinson方法的MATLAB代码        467
 第18章  两个仿真实例        468
 18.1  码分多址系统         468
 18.1.1  系统        468
 18.1.2  仿真程序        471
 18.1.3  实例仿真        473
 18.1.4  马尔可夫模型的开发        475
 18.2  包含非线性卫星转发器的FDM系统        478
 18.2.1  系统描述和仿真目标        478
 18.2.2  整体仿真模型        480
 18.2.3  上行链路FDM信号的产生        481
 18.2.4  卫星转发器模型        482
 18.2.5  接收机模型与半解析BER估计器        482
 18.2.6  仿真结果        483
 18.2.7  小结        485
 18.3  参考文献        485
 18.4  附录A: CDMA例子的MATLAB代码        486
 18.4.1  主程序        486
 18.4.2  支撑子程序        489
 18.5  附录B: CDMA应用的预处理        490
 18.5.1  验证运行        490
 18.5.2  阐明莱斯K因子影响的研究        490
 18.6  附录C：MATLAB函数c18_ errvector.m        491
 18.7  附录D：卫星FDM例子的MATLAB代码        492
 18.7.1  主程序        492
 18.7.2  支撑子程序        495
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