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通信系统仿真原理与无线应用


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William H.Tranter, K.Sam Shanmugan, Theodore S.Rappaport, Kurt L.Kosbar
7-111-16197-1
59.00
499
2005年06月06日
肖明波 杨光松 许芳 席斌
通信 > 通信系统
Prentice Hall
5916
简体中文
16开
Principles of Communication Systems Simulation with Wireless Applications
教材
电子与电气工程丛书







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。
本书是通信和计算机这两个相关技术近期快速发展的产物。在过去的几十年中,通信系统变得越来越复杂,以至于没有相当程度的计算机支持,就无法再进行系统设计和性能分析。50年前的不少通信系统要么是功率受限的,要么是噪声受限的。在许多这种系统中,使性能恶化的一个重要因素是热噪声,它可用加性高斯白噪声信道来建模。然而,许多现代通信系统(比如无线蜂窝系统)是运行在干扰和带宽受限的环境中。此外,人们对宽带信道和微型器件的渴求,也将传输频率推进到千兆赫兹范围。在这个频段,传播特性变得更复杂,而多径引起的衰落也是一个普遍存在的问题。为了减小这些负面影响,往往要采用复杂的接收机结构。比如,接收机中可能使用复杂的同步结构、解调器与符号估计器以及RAKE处理器。不采用计算机技术,很难对许多这种系统进行分析处理。要设计和分析这些系统,仿真往往必不可少。
  微处理器和DSP技术的发展,推动了现代通信系统的发展,同时也为我们提供了高性能的数字计算机。现代工作站和个人计算机(PC)的计算能力已经大大超过了数年前使用的大型机。而且,现代工作站和PC价格低廉,因而可以配备在设计工程师们的桌面上。因此,基于仿真的设计和分析方法成为整个通信产业中广泛使用的实用工具。
  也正因为如此,有关基于仿真的通信系统设计与分析的研究生课程也变得越来越普遍。学生可从这些课程中多方面受益。通过使用仿真,学生在通信课上可以学习到的系统工作特性比传统通信课上学到的更复杂和更实际,因为在传统通信课上必须将复杂性限制在较低的程度,以保证能够进行分析。仿真允许我们方便地改变系统参数,而且通过对仿真结果进行交互式和可视化的显示,可以迅速评估这些改变的影响。此外,通晓仿真方法对通信领域的许多研究生的研究工作也是一大支持。最后,学了仿真的学生在毕业后进入通信领域时,就掌握了业界所需要的技能。本书打算为这类课程提供支持。
  本书讨论的许多应用和实例都是以无线通信系统为目标的,这样安排有几方面的原因。首先,许多学通信的学生最终将会在无线通信行业工作。其次,相当数量的研究生在大学里开展研究工作时,从事与无线通信相关的课题。最后,因为无线通信目前非常热门,许多研究生培养计划都包含了无线通信方面的课程。本书就是(至少部分是)为这类课程而写作的,同时也是为了满足从业工程师自学的需要。
  本书分成三大部分。第一部分为概论,包括两章。第1章讨论了在分析和设计过程中使用仿真的动机。指明仿真理论涉及多个传统学科领域,比如数论、概率论、随机过程以及数字信号处理等。我们希望读者们能体会到,学习仿真可以将许多单独领域的知识综合在一起。本书讨论了不同类型的仿真以及多个用来进行仿真的软件包。本书的一个基本主题是开发合适的仿真模型和仿真方法论。第1章和第2章对模型开发的基本概念进行了介绍。第2章在一个很高的层面上集中讨论了方法论。整本书里用到的许多基本概念都在这里作了介绍。我们鼓励读者在学习本书其他章节内容时,经常回过头来重读这些内容。对这些内容的回顾将有助于读者在详细地探究具体概念的时候,对整体框架(big picture)仍有一个清晰的把握。
  第二部分为基本概念与方法,包括九章(第3~11章)。这九章讲述了在几乎所有通信系统仿真中都会碰到的基本内容。第3章的主题是采样定理及其在仿真中的作用。这一章还涵盖了量化、脉冲成形(Pulse Shaping)以及脉冲成形对所需采样频率的影响。第4章的主题是带通信号的正交(quadrature)低通信号表示。这种表示法是仿真方法中的一个基本工具。这一章很关键,因为其中讨论的方法将在全书中反复使用。第5章的主题是滤波器模型及数字滤波器的仿真方法。滤波器当然是带记忆的,因而仿真滤波器比仿真系统中其他功能模块需要更多的计算。因此,要获得合理的运行时间,必须有效地仿真滤波器。第6章以案例研究形式讨论了锁相环的仿真。虽然在仿真学习的前期就讨论了这个内容,但读者们应该认识到,我们完全可以用此前学到的工具对一些重要问题进行研究。该案例研究集中考虑锁相环的捕捉特性。捕捉研究要使用非线性模型,因而,很难用传统方法进行分析。用于开发仿真的方法论在这一部分作了详尽讨论,也为本书以后章节的仿真开发提供了指南。第7章的主题是用来产生随机数的仿真方法。最初,集中考虑产生具有均匀概率密度函数(pdf)的伪随机序列。这包括基于伪噪声序列的线性同余方法和技术两方面。这一章还讨论了随机序列的pdf和功率谱密度(PSD)成形的几个方法。第8章的主题是后处理,即将仿真产生的数据处理成适于可视化和分析的形式。作为估计参数值的一种通用工具,第9章介绍蒙特卡罗仿真方法。这一章还介绍了无偏和一致估计器的概念,并研究了估计器的收敛性。第9章讨论的概念在第10章的通信系统中得到了应用。第10章专门讨论通信系统的蒙特卡罗仿真和半解析仿真。这一章还给出了几个简单的例子。第11章详细讨论了用于仿真缓慢变化环境下无线通信系统的方法论。这一章还强调了中断概率(Outage Probability)的计算,讨论了几个减少仿真运行时间的半解析方法。
  本书第三部分是高级建模与仿真方法,介绍在开发高级仿真时遇到的一些专题。第12章专门讨论非线性系统的仿真。这一章强调了基于测量的模型开发,还介绍了许多已得到广泛应用的模型。第13章讨论时变系统,具体介绍了时变信道建模这一重要主题。第14章讨论波形信道的几个模型。运用前一章的内容,我们开发了多径衰落信道的模型。第15章继续研究信道模型,讨论了用符号级离散信道模型代替波形信道模型的方法。这样做的目的在于大规模地降低所需的仿真运行时间。使用的主要工具为Baum-Welch算法和隐式马尔可夫模型(hidden Markov model)。介绍了基于隐式马尔可夫模型的几个系统模型。第16章讨论了降低误比特率估计器方差的各种策略。这一章介绍了好几种策略,但着重强调的是重要性采样。第17章专门讨论无线蜂窝通信系统的仿真。蜂窝系统被证明是干扰受限而非噪声受限的系统。在许多系统中,同频干扰是性能恶化的一个主要因素。第18章以两个示例仿真结束全书。其中第一个例子考虑CDMA系统,并给出其仿真。在这个仿真中,误比特率是作为扩频处理增益、干扰源个数、功率-延时曲线和接收器输入端信噪比的函数计算出来的。仿真采集到的数据被用来构建一个基于隐式马尔可夫模型的离散信道模型。接下来用这个隐式马尔可夫模型统计重构信道差错事件。然后使用离散信道模型计算误比特率(BER),并将结果与使用波形级信道模型获得的结果作比较。第二个例子是运行在非线性信道上的一个FDM系统。我们使用半解析方法研究了交调失真对误比特率的影响。
  从前面的介绍可以看出,本书覆盖面非常广。如果要对这里涉及的所有问题都进行完全严格的论述,书的容量将是目前的几倍,结果就会不适合于作教材。在撰写教材时总是需要在完整性和严格性方面进行折衷。在写作这本书时,我们尽力提供足够的严格性,使得结果易于理解同时又具有可信度。本书还给出了大量的参考文献,供欲作进一步研究的读者参考。
  尽管本书是为通信专业一个学期的课程而写作的,里面包括的内容在一个学期内通常无法讲授完。依作者看来,使用本书作教材的所有课程应该包括前两部分(第1~11章)。在时间允许的情况下,教师可以再从第三部分(第12~18章)中选择部分内容来完成授课。
  在正文里,包括了许多用MATLAB写的计算机程序。决定在书的主体部分包含计算机代码有几方面的原因。首先,程序阐明了用于仿真开发的方法论,也阐明了用于许多重要DSP运算的算法。此外,读者可以使用包含在MATLAB例子里的许多代码段来进行自己的仿真开发。为了不打断行文,章节正文里仅包括了较短的程序,即长度不超过一页的程序。一页容不下的长程序都放在每章后面的附录里。这里包括的MATLAB代码都设计得易于为读者所理解。因此,许多MATLAB程序没有用最有效的方法编写(比如我们经常使用for循环来代替矩阵运算)。我们不建议读者照书本重新输入计算机代码。Prentice Hall出版社维护的一个网页包含了本书里面的所有计算机代码,可供下载。这个网页的URL为
http://authors.phptr.com/tranter/这个网站上的MATLAB代码将会定期更新,以保证错误和疏漏之处得到及时的更正。
  这里还要对选择MATLAB作些解释。作这个选择是出于好几方面的原因,这些原因将在第1章里详细讨论。其中的主要原因在于紧凑性(复杂的算法可以用很少的几行代码表示)、图形支持和已安装的平台。由于MATLAB在工程类课程中得到了广泛的应用,因此多数学生已经拥有运行这里包括的程序所需的资源。许多仿真程序涉及到较大的计算量,要获得合理的执行时间需要采用诸如C或C++之类的编译语言。在高信噪比的情况下,用来估计误比特率的蒙特卡罗仿真尤其如此。要获得高质量(低方差)的估计器,必须在信道上处理许多符号。然而,即使是这种情况,MATLAB也是一个功能强大的工具,因为可以用MATLAB开发原型(prototype)仿真,以设计和测试整个仿真和单独的信号处理算法。MATLAB代码可以变换成C或C++代码以提高运行效率,获得的结果和用MATLAB原型仿真的结果可以相媲美。使用MATLAB开发原型可以很快地找出概念性错误,而这往往会加快最终软件产品的开发。尽管SIMULINK是专为仿真而设计的,但本书没有使用它,因为使用MATLAB,学生才可以很清楚仿真程序使用的算法的细节和开发仿真代码的方法论。

致谢
  许多同事、研究资助者和机构对本书贡献巨大。在本项写作计划的早期,美国国家自然科学基金(NSF)对弗吉尼亚理工大学的联合研究课程开发(CRCD)项目进行了资助。本书第3~10章和第17章的很大一部分内容的写作都属于这项工作的一部分。NSF项目经理Mary Poats鼓励我们在通信学科的课程计划中开设基于仿真的课程,我们感谢她的鼓励和支持。作者们感谢弗吉尼亚理工大学的Cyndy Graham具有的LaTeX技巧,也感谢她对这么大一个手稿的写作过程进行了管理。此外,各个作者有如下具体的致谢。
  William H. Tranter感谢在密苏里大学罗拉分校,坎特伯雷大学(新西兰,基督城)弗吉尼亚理工大学曾使用讲义选修通信系统仿真课程的众多学生。这些讲义形成了本书的很大一部分基础。这些学生提出了许多宝贵的建议。特别感谢Jing Jiang在第10章的半解析估计器方面提供了帮助;Ihsan Akbar编写了第15章的马尔可夫和半马尔可夫模型估计器的许多代码(尤其是附录B、附录C和附录D中所包含的代码);以及Bob Boyle 开发了CDMA估计器,第18章的CDMA案例研究就是建立在这项工作的基础上的。他也要感谢Sam Shanmugan在本书写作的这些年里所提供的友谊、支持、鼓励以及最重要的耐性。还要感谢Des Taylor和Richard Duke通过坎特伯雷大学的Erskine奖金提供的资助,以及弗吉尼亚理工大学的Theodore Rappaport在一个学术假期间所提供的资助。正是在这个学术假期间,开始写作了本书前面几章的许多内容的初稿。
  Sam Shanmugan想要感谢他在堪萨斯大学的同事和学生,他们在多方面对本书作出了贡献。也要感谢位于新西兰基督城的坎特伯雷大学在他学术假期间提供的Erskine教授职位。在这个学术假期间,写作了本书的许多内容。他也要感谢他的妻子在本书和其他写作计划时对他表现出的耐心、理解和支持。Shanmugan博士还要特别感谢他的合著者William Tranter教授的友谊和他将本书全部内容整合在一起所付出的额外劳动。
  Ted Rappaport想要感谢他的许多研究生,他们通过在无线通信仿真与分析方面的教学和科研活动,提供了深入理解和支持。尤其是巴西Campinas大学的Paulo Cardieri教授、高通公司的Hao Xu以及佐治亚理工学院的Gregory Durgin教授,他们几个都对本书提出了建议。特别感谢Cardieri博士他研究生阶段开展的研究工作形成了第17章的基础。
  Kurt Kosbar感谢核对过本书几个早期版本的学生们和提出了宝贵意见的几位评阅人,包括Douglas Bell、Harry Nichols和David Cunningham。

William H. Tranter
K. Sam Shanmugan
Theodore S. Rappaport
Kurt L. Kosbar

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
随着信息技术的迅猛发展,通信系统在性能不断提高的同时也变得越来越复杂。正因为如此,采用传统技术对通信系统进行分析和设计的日子已经一去不复返,而计算机仿真方法则由于其廉价性、高效性和灵活性,成为了通信产业中的主要设计和分析手段之一。另一方面,计算机仿真更是进行通信与网络等方面科研时所必备的工具。然而,目前许多学生都缺乏这个环节的系统训练,得出来的仿真结果往往可信度较差,甚至将“仿真”做成了“仿假”还不自知。因此,我们很高兴地将这本书翻译出来推荐给大家。
  本书是在国际通信与信号处理领域里享有盛誉的几位重量级教授总结多年教学和科研成果推出的一部力作。它不仅系统地介绍了通信系统(尤其是无线通信系统)的设计、分析和仿真方法,而且还提供了大量极具参考价值的仿真实例。本书的全部仿真程序都是采用MATLAB编写的,这不仅方便读者理解仿真的实现过程,还允许读者修改或使用这些代码段来进行自己的仿真开发。几乎每一章后面都提供了大量的参考文献和经过精心设计的各类练习题。因此,本书非常适合作为高等院校通信、电子、信息等专业低年级研究生或高年级本科生相关课程的教材。我们相信通过对本书进行系统学习,读者不仅可以更深入地理解“通信原理”和“移动通信”等课程的内容,而且还可以掌握必要的仿真技能,为将来的科研和工作打下牢固的基础。另外,本书对于通信领域的科研技术人员以及相关专业的教师也不失为一本有价值的参考书。
  本书分成三大部分,共18章。第一部分为概论,讨论了仿真的作用和方法论。第二部分为基本方法部分,主要介绍了采样定理及其在仿真中的应用、带通信号的低通表示、滤波器模型及数字滤波器的仿真、锁相环的仿真、随机数的产生、后处理、通信系统的蒙特卡罗仿真和半解析仿真以及无线通信系统的仿真方法论。第三部分是高级建模与仿真方法,着重论述了非线性系统的仿真、时变系统建模、波形信道模型、离散信道模型以及高效仿真方法。这一部分还专门讨论了无线蜂窝通信系统仿真中的特殊问题,并总结性地给出了两个仿真实例。
  本书由肖明波、杨光松、许芳和席斌等人翻译。姚彦教授和肖明波教授对全书进行了审校。参加本书初稿翻译、校对、讨论、文字整理和公式录入等工作的还有时斌、卢菲恬、徐位凯、庄铭杰、卢贵主、高志斌、叶丽芬、郑旭琴、陈浩等人。衷心感谢清华大学电子工程系肖立民副教授及其同事在百忙中对翻译稿提出了宝贵的修改意见。在此还要衷心感谢机械工业出版社华章分社的编辑们给予我们的大力支持。
  整个翻译过程中,我们在取得作者确认的情况下,对原书中出现的多处错误做了订正。由于译者水平有限,加上时间紧迫,译文中难免出现新的不妥当乃至错误之处,敬请读者和专家不吝赐教。
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