通信系统建模与仿真教程（第3版）

目 录
第1章 绪论 1
1．1 系统与模型 1
1．1．1 系统 1
1．1．2 模型 2
1．1．3 模型的分类 3
1．2 仿真 4
1．2．1 定义 4
1．2．2 相似理论 5
1．2．3 仿真的分类 7
1．3 系统建模与仿真的发展 8
1．3．1 历史回顾 8
1．3．2 发展趋势 9
1．4 仿真在通信系统开发中的作用 11
1．4．1 不同开发阶段的应用 11
1．4．2 有效性分析 12
1．4．3 典型案例分析 12
思考与练习 14
第2章 系统建模与仿真基础 15
2．1 系统建模的基本概念 15
2．1．1 分类与准则 15
2．1．2 实施步骤 16
2．1．3 思维方法 18
2．2 系统建模的实现方法 20
2．2．1 基本思路 21
2．2．2 通信系统建模的实现方法 22
2．2．3 虚拟与混合系统建模 23
2．3 系统建模的误差分析 25
2．3．1 系统建模误差 25
2．3．2 设备建模误差 26
2．3．3 过程建模误差 27
2．4 系统仿真的实现方法 29
2．4．1 仿真理论和方法 30
2．4．2 通信系统仿真的实现方法 31
2．4．3 通信系统分层仿真观点 33
2．4．4 系统仿真的性能评估 34
2．5 系统仿真的验证 35
2．5．1 设备模型的验证 36
2．5．2 随机过程模型的验证 37
2．5．3 系统模型的验证 38
小结 39
思考与练习 40
仿真实验 40
实验案例：地面通信干扰源跟踪问题
的系统建模 40
第3章 系统建模方法 45
3．1 系统的描述 45
3．1．1 时域描述模型 45
3．1．2 传递函数模型 46
3．1．3 状态空间模型 47
3．2 连续系统的建模 48
3．2．1 微分方程建模方法 48
3．2．2 频域建模方法 50
3．2．3 分布参数系统建模方法 52
3．3 离散事件系统建模基础 53
3．3．1 离散事件系统的基本要素 54
3．3．2 离散事件仿真模型的部件与
结构 55
3．4 离散事件系统典型建模方法 57
3．4．1 Petri网建模方法 57
3．4．2 活动循环图建模方法 59
3．4．3 实体流图建模方法 61
小结 63
思考与练习 63
仿真实验 64
第4章 系统仿真方法 65
4．1 连续系统数值仿真方法 65
4．1．1 数学原理 65
4．1．2 实现方法 67
4．1．3 稳定性分析 70
4．2 离散事件系统仿真基本策略 71
4．2．1 事件调度法 71
4．2．2 活动扫描法 73
4．2．3 进程交互法 75
4．2．4 时间推进机制 77
4．3 蒙特卡洛仿真原理 78
4．3．1 蒙特卡洛仿真的定义 79
4．3．2 MC法在通信中的应用 80
4．4 准解析MC仿真 82
4．4．1 问题提出 82
4．4．2 基本原理 82
4．4．3 二进制通信系统的QA仿真 84
小结 85
思考与练习 86
仿真实验 87
实验案例：关于蒙特卡洛仿真法计算
圆周率的进一步讨论 87
第5章 仿真中的随机过程分析 92
5．1 概率论基础 92
5．1．1 随机事件与概率 92
5．1．2 随机变量与概率分布 94
5．1．3 单随机变量模型 96
5．2 随机过程的基本概念 102
5．2．1 随机过程的一般表述 102
5．2．2 随机过程的统计特性 103
5．3 平稳随机过程及其特性分析 105
5．3．1 平稳随机过程及其各态
历经性 105
5．3．2 平稳随机过程的特性分析 106
5．4 信道分析 109
5．4．1 信道模型 109
5．4．2 恒参信道 111
5．4．3 变参信道 113
5．5 噪声 116
5．5．1 噪声的分类 116
5．5．2 起伏噪声 117
5．5．3 白噪声和带限白噪声模型 119
5．5．4 量化噪声 120
5．6 随机过程的模型 126
5．6．1 随机序列 126
5．6．2 泊松过程 130
5．6．3 高斯随机过程 134
5．7 随机过程通过线性系统 135
5．7．1 基本概念 136
5．7．2 窄带随机过程 137
5．7．3 正弦波加窄带高斯噪声 139
小结 141
思考与练习 142
仿真实验 143
第6章 随机变量的实现 145
6．1 要求与特点 145
6．2 随机数产生 146
6．2．1 均匀分布随机数的产生 147
6．2．2 任意概率密度函数随机数的
生成方法 149
6．2．3 斯随机变量的产生 155
6．3 独立随机序列的产生 157
6．3．1 高斯白噪声序列 157
6．3．2 二进制伪随机序列 158
6．3．3 M进制伪随机序列 165
6．4 相关随机序列的产生 167
6．4．1 相关高斯标量序列 168
6．4．2 相关高斯矢量序列 172
6．4．3 相关非高斯序列 174
6．5 随机数产生器的测试 174
6．5．1 平稳性与非相关性 175
6．5．2 拟合优良度检测 177
小结 179
思考与练习 180
仿真实验 180
实验案例：梅森旋转算法生成随机数
及其改进算法 181
第7章 通信系统建模 183
7．1 通信系统的建模方法与原则 183
7．2 信源 184
7．2．1 模拟信源 185
7．2．2 数字信源 186
7．3 信源编译码 188
7．3．1 模拟信源编译码 188
7．3．2 数字信源的编译码 189
7．4 数字基带 191
7．4．1 逻辑到逻辑的映射 192
7．4．2 逻辑到波形的映射 194
7．4．3 二进制数字基带通信系统
仿真 196
7．5 信道编码 197
7．5．1 分组码 198
7．5．2 卷积码 203
7．5．3 编码通信的链路仿真 207
7．6 调制系统 210
7．6．1 模拟调制 211
7．6．2 数字调制 212
7．6．3 仿真与实现 217
7．7 解调与检测 219
7．7．1 相干解调 219
7．7．2 非相干解调 221
7．8 同步 224
7．8．1 同步技术对仿真的影响 225
7．8．2 载波同步恢复 227
7．8．3 位同步恢复 229
7．9 仿真的标校 231
7．9．1 信号功率 231
7．9．2 噪声功率 233
小结 233
思考与练习 234
仿真实验 235
实验案例：卷积码软判决维特比译码
的性能仿真与分析 235
第8章 通信信道及其建模 239
8．1 准自由空间信道 239
8．1．1 晴空大气（对流层）信道 239
8．1．2 雨衰信道 241
8．1．3 电离层相位信道 242
8．2 衰落与多径信道 243
8．2．1 阴影衰落 244
8．2．2 多径衰落 245
8．2．3 WSSUS模型的特性分析 248
8．2．4 衰落信道的冲击响应 250
8．3 多径衰落信道的结构模型 252
8．3．1 弥散多径信道模型 252
8．3．2 离散多径信道模型 255
8．3．3 抽头增益过程的生成 257
8．3．4 HAPS多径信道模型 258
8．4 有限状态信道模型 259
8．4．1 定义和特点 259
8．4．2 有限状态无记忆模型 260
8．4．3 有限状态有记忆模型：隐马尔
可夫模型（HMM） 261
8．4．4 Fritchman模型 265
8．5 衰落信道中通信系统的仿真
方法 266
8．5．1 波形级仿真 266
8．5．2 码元级仿真 267
8．5．3 语音编码级仿真 268
8．6 移动信道的参考模型 268
8．6．1 线路损耗模型 268
8．6．2 信道冲激响应模型 269
8．7 Simulink中的信道模块 270
8．7．1 加性高斯白噪声信道 270
8．7．2 二进制对称信道 271
8．7．3 多径瑞利衰落信道 272
8．7．4 多径莱斯衰落信道 273
8．7．5 射频损耗 274
小结 275
思考与练习 276
仿真实验 276
实验案例：Ka频段临近空间通信
信道建模 277
第9章 通信仿真中的参数估计 281
9．1 参数估计的基本概念 281
9．1．1 理论背景和基本概念 281
9．1．2 估计器的性能 283
9．2 波形平均电平和功率估计 286
9．2．1 波形平均电平估计 286
9．2．2 波形平均功率估计 290
9．3 波形幅度概率密度和分布
函数估计 291
9．3．1 经验分布 292
9．3．2 直方图 292
9．4 信号功率谱密度的估计 295
9．4．1 估计器的基本形式 295
9．4．2 估计器的修正形式 297
9．4．3 估计器的期望值与方差 300
9．4．4 实现PSD的估计器 301
9．5 时延和相位估计 303
9．5．1 无噪声环境下载波相位和定时
同步的估计 304
9．5．2 分组估计器 305
9．6 性能的目测指标 308
9．6．1 眼图 308
9．6．2 散布图 309
小结 310
思考与练习 310
仿真实验 311
第10章 通信仿真中的性能指标估计 312
10．1 信噪比估计 312
10．1．1 信噪比估计器的形式 312
10．1．2 估计器的统计特性 314
10．1．3 估计器的实现 315
10．2 数字系统性能估计 318
10．2．1 理论框架 318
10．2．2 MC估计器的形式 320
10．2．3 MC估计器的置信区间 321
10．2．4 MC估计器的均值和方差 324
10．3 尾部外推法 326
10．3．1 估计器形式 326
10．3．2 估计器的性能分析与实现 329
10．4 重要事件采样法 330
10．4．1 重要事件采样法工作原理 330
10．4．2 偏差概率密度函数的选择 332
小结 333
思考与练习 334
仿真实验 334
附录A 傅里叶变换 335
附录B 离散傅里叶变换（DFT） 337
附录C 几种通信系统仿真中常用的
概率分布 339
附录D 误差函数表 340
参考文献 341