内容简介

仿真是设计与实现高级通信系统以获得最优性能的重要工具。本书通过大量实例介绍高级通信系统建模与仿真的实际操作，采用系统级方法，集成了数字通信、信道建模、编码、统计估计方法基础以及建模仿真其他方面的基本内容。本书用MATLAB建立全套仿真模型；这些模型可以用作虚拟实验室，来预测系统设计变化的影响。还详细分析了几个案例，包括锁相环、CDMA系统、多信道非线性系统以及一个从头至尾的高级蜂窝系统的完整仿真，非常具有实用价值。

目       录

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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作者简介

William H.Tranter，是美国产弗吉尼亚理工大学教授，移动与便携无线电研究室主任。曾任密苏里大学罗拉分校电子工程系教授。他撰写并与他人合著了大量学术论文及教材。因其杰出的研究和教学工作，他获得了众多奖项。他担任过IEEE JSAC杂志的主编和IEEE通信分会的期刊主任。1985年他当选为IEEE会士，还担任过IEEE通信分会技术活动副主席。

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编辑荐语

仿真是设计与实现高级通信系统以获得最优性能的重要工具。本书通过大量实例介绍高级通信系统建模与仿真的实际操作，采用系统级方法，集成了数字通信、信道建模、编码、统计估计方法基础以及建模仿真其他方面的基本内容。本书用MATLAB建立全套仿真模型；这些模型可以用作虚拟实验室，来预测系统设计变化的影响。还详细分析了几个案例，包括锁相环、CDMA系统、多信道非线性系统以及一个从头至尾的高级蜂窝系统的完整仿真，非常具有实用价值。

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