通信系統(tǒng)仿真原理與無線應用

第一部分  概      論
 第1章  仿真的作用        1
 1.1  復雜性示例        2
 1.1.1  易于解析處理的系統(tǒng)        2
 1.1.2  需繁瑣解析處理的系統(tǒng)        3
 1.1.3  難以解析處理的系統(tǒng)        4
 1.2  仿真的多學科特點        5
 1.3  模型        6
 1.4  確定性與隨機性仿真        8
 1.4.1  一個確定性仿真的實例        9
 1.4.2  一個隨機性仿真的實例        10
 1.5  仿真的作用        11
 1.5.1  鏈路預算與系統(tǒng)級標校過程        11
 1.5.2  關(guān)鍵元件的實現(xiàn)與測試        12
 1.5.3  完成硬件原型與驗證仿真模型        13
 1.5.4  生命終結(jié)預測        13
 1.6  仿真軟件包        13
 1.7  告誡        15
 1.8  MATLAB的使用        16
 1.9  本書提綱        16
 1.10  進一步的參考讀物        16
 第2章  仿真方法論        18
 2.1  概述        18
 2.2  方法論的各方面        19
 2.2.1  將問題映射到仿真模型        19
 2.2.2  單個模塊的建模        24
 2.2.3  隨機過程建模與仿真        27
 2.3  性能估計        29
 2.4  小結(jié)        30
 2.5  進一步的參考讀物        30
 2.6  習題        30
 第二部分  基本概念與方法
 第3章  采樣與量化        33
 3.1  采樣        33
 3.1.1  低通采樣定理        33
 3.1.2  低通隨機信號的采樣        36
 3.1.3  帶通采樣        37
 3.2  量化        39
 3.3  重構(gòu)與內(nèi)插        43
 3.3.1  理想重構(gòu)        43
 3.3.2  上采樣與下采樣        44
 3.4  仿真采樣頻率        47
 3.4.1  通用開發(fā)        48
 3.4.2  數(shù)據(jù)符號的獨立性        49
 3.4.3  仿真采樣率        51
 3.5  小結(jié)        54
 3.6  進一步的參考讀物        54
 3.7  參考文獻        55
 3.8  習題        55
 第4章  帶通信號與系統(tǒng)的低通仿真模型        57
 4.1  帶通信號的低通復包絡        57
 4.1.1  復包絡：時域        57
 4.1.2  復包絡：頻域        65
 4.1.3  從鱔(f)推導出Xd(f)與Xq(f)        66
 4.1.4  能量與功率        67
 4.1.5  隨機帶通信號的正交模型        67
 4.1.6  信噪比        69
 4.2  線性帶通系統(tǒng)        71
 4.2.1  線性時不變系統(tǒng)        72
 4.2.2  從H(f)推導出hd(t)和hq(t)        75
 4.3  多載波信號        77
 4.4  非線性與時變系統(tǒng)        78
 4.4.1  非線性系統(tǒng)        79
 4.4.2  時變系統(tǒng)        80
 4.5  小結(jié)        82
 4.6  進一步的參考讀物        82
 4.7  參考文獻        82
 4.8  習題        83
 4.9  附錄A：MATLAB程序QAMDEMO        86
 4.9.1  主程序        86
 4.9.2  支撐子程序        86
 4.10  附錄B：輸入輸出關(guān)系的證明        87
 第5章  濾波器模型與仿真方法        89
 5.1  概述        89
 5.2  IIR與FIR濾波器        91
 5.2.1  IIR 濾波器        91
 5.2.2  FIR 濾波器        92
 5.2.3  綜合與仿真        92
 5.3  IIR與FIR濾波器的實現(xiàn)        92
 5.3.1  直接II型與轉(zhuǎn)置直接II型的實現(xiàn)        92
 5.3.2  FIR濾波器的實現(xiàn)        96
 5.4  IIR濾波器：綜合方法與濾波器特性        97
 5.4.1  沖激不變?yōu)V波器        97
 5.4.2  階躍不變?yōu)V波器        97
 5.4.3  雙線性z變換濾波器        98
 5.4.4  IIR數(shù)字濾波器的計算機輔助設計        104
 5.4.5  IIR濾波器的誤差源        104
 5.5  FIR濾波器：綜合技術(shù)與濾波器特性        105
 5.5.1  根據(jù)幅度響應進行的設計        107
 5.5.2  根據(jù)沖激響應進行的設計        111
 5.5.3  FIR濾波器仿真模型的實現(xiàn)        114
 5.5.4  FIR數(shù)字濾波器的計算機輔助設計        116
 5.5.5  對FIR設計的評論        118
 5.6  小結(jié)        118
 5.7  進一步的參考讀物        120
 5.8  參考文獻        120
 5.9  習題        120
 5.10  附錄A：升余弦脈沖例子        121
 5.10.1  主程序: c5_rcosdemo.m        121
 5.10.2  函數(shù)文件c5_rcos.m        122
 5.11  附錄B：平方根升余弦脈沖例子        122
 5.11.1  主程序：c5_sqrcdemo.m        122
 5.11.2  函數(shù)文件c5_sqrc.m        122
 5.12  附錄C：例5-11的MATLAB源代碼與數(shù)據(jù)        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: 鎖相環(huán)與微分方程方法        128
 6.1  基本鎖相環(huán)概念        128
 6.1.1  鎖相環(huán)模型        129
 6.1.2  非線性相位模型        130
 6.1.3  具有復輸入的非線性模型        132
 6.1.4  線性模型與環(huán)傳遞函數(shù)        132
 6.2  一階環(huán)與二階環(huán)        133
 6.2.1  一階鎖相環(huán)        133
 6.2.2  二階鎖相環(huán)        135
 6.3  案例研究: 仿真鎖相環(huán)        136
 6.3.1  仿真結(jié)構(gòu)        136
 6.3.2  仿真        137
 6.3.3  仿真結(jié)果        139
 6.3.4  仿真的誤差源        140
 6.4  用仿真來求解微分方程        141
 6.4.1  仿真示意圖        142
 6.4.2  再論鎖相環(huán)        143
 6.5  小結(jié)        146
 6.6  進一步的參考讀物        147
 6.7  參考文獻        147
 6.8  習題        147
 6.9  附錄A：PLL仿真程序        149
 6.10  附錄B：PLL仿真實例的預處理        150
 6.11  附錄C：PLL后處理        151
 6.11.1  主程序        151
 6.11.2  支撐子程序        152
 6.12  附錄D: 例6-3的MATLAB源代碼        153
 第7章  隨機信號的產(chǎn)生與處理        154
 7.1  平穩(wěn)與遍歷性過程         155
 7.2  均勻隨機數(shù)發(fā)生器        157
 7.2.1  線性同余        157
 7.2.2  隨機數(shù)發(fā)生器的測試        160
 7.2.3  最低標準        162
 7.2.4  MATLAB實現(xiàn)        164
 7.2.5  種子數(shù)與種子向量        164
 7.3  將均勻分布隨機變量映射成任意pdf        164
 7.3.1  逆變換法        165
 7.3.2  直方圖法        168
 7.3.3  舍棄法        169
 7.4  產(chǎn)生不相關(guān)的高斯隨機變量        172
 7.4.1  均勻變量求和法        172
 7.4.2  瑞利隨機變量到高斯隨機變量的映射        174
 7.4.3  極坐標法        176
 7.4.4  MATLAB實現(xiàn)        177
 7.5  產(chǎn)生相關(guān)的高斯隨機變量        177
 7.5.1  確定給定的相關(guān)系數(shù)        177
 7.5.2  確定任意的功率譜密度或自相關(guān)函數(shù)        178
 7.6  同時確定pdf和PSD        180
 7.7  PN序列發(fā)生器         182
 7.8  信號處理        185
 7.8.1  輸入-輸出均值        186
 7.8.2  輸入-輸出互相關(guān)        186
 7.8.3  輸出自相關(guān)函數(shù)        186
 7.8.4  輸入-輸出方差        187
 7.9  小結(jié)        187
 7.10  進一步的參考讀物        188
 7.11  參考文獻        188
 7.12  習題        189
 7.13  附錄A：例7-11的MATLAB代碼        191
 7.13.1  主程序        191
 7.13.2  支撐子程序        191
 第8章  后處理        194
 8.1  基本圖形方法        194
 8.1.1  系統(tǒng)實例—p/4 DQPSK傳輸        194
 8.1.2  波形. 眼圖和散點圖        196
 8.2  估計        199
 8.2.1  直方圖        199
 8.2.2  功率譜密度估計        201
 8.2.3  增益. 延遲和信噪比        206
 8.3  編碼        210
 8.3.1  分組編碼的分析方法        210
 8.3.2  卷積碼的分析方法        213
 8.4  小結(jié)        214
 8.5  進一步的參考讀物        215
 8.6  參考文獻        215
 8.7  習題        216
 8.8  附錄A：例8-1的MATLAB代碼        218
 8.8.1  主程序        218
 8.8.2  支撐子程序        219
 第9章  蒙特卡羅方法導論        221
 9.1  基本概念        221
 9.1.1  相對頻率        221
 9.1.2  無偏和一致估計器        222
 9.1.3  蒙特卡羅估計        222
 9.1.4  p的估計        224
 9.2  在通信系統(tǒng)中的應用—AWGN信道        226
 9.2.1  二項式分布        226
 9.2.2  兩個簡單的蒙特卡羅仿真        228
 9.3  蒙特卡羅積分        234
 9.3.1  基本概念        235
 9.3.2  收斂性        236
 9.3.3  置信區(qū)間        237
 9.4  小結(jié)        239
 9.5  進一步的參考讀物        239
 9.6  參考文獻        240
 9.7  習題        240
 第10章  通信系統(tǒng)的蒙特卡羅仿真        242
 10.1  兩個蒙特卡羅實例        242
 10.2  半解析方法        251
 10.2.1  基本考慮        252
 10.2.2  等效噪聲源        254
 10.2.3  PSK系統(tǒng)誤比特率的半解析估計方法        255
 10.2.4  QPSK系統(tǒng)誤比特率的半解析估計方法        256
 10.2.5  數(shù)據(jù)序列的選擇        258
 10.3  小結(jié)        259
 10.4  參考文獻        260
 10.5  習題        260
 10.6  附錄A：例10-1的仿真代碼        260
 10.6.1  主程序        260
 10.6.2  支撐子程序        262
 10.7  附錄B：例10-2的仿真代碼        262
 10.7.1  主程序        262
 10.7.2  支撐子程序        265
 10.7.3  vxcorr.m        265
 10.8  附錄C：例10-3的仿真代碼        266
 10.8.1  主程序        266
 10.8.2  支撐子程序        267
 10.9  附錄D: 例10-4的仿真代碼        267
 10.9.1  主程序        267
 10.9.2  支撐子程序        269
 第11章  無線系統(tǒng)仿真的方法論        271
 11.1  系統(tǒng)級簡化與采樣率考慮        272
 11.2  整體方法論        273
 11.2.1  系統(tǒng)模擬部分仿真的方法論        276
 11.2.2  系統(tǒng)模擬部分仿真方法論的小結(jié)        284
 11.2.3  編碼后BER的估計        284
 11.2.4  語音質(zhì)量指標的估計        284
 11.2.5  整體方法論小結(jié)        285
 11.3  小結(jié)        285
 11.4  進一步的參考讀物        285
 11.5  參考文獻        286
 11.6  習題        286
 第三部分  高級建模與仿真方法
 第12章  非線性系統(tǒng)的建模與仿真        289
 12.1  概述        289
 12.1.1  非線性器的類型與模型        289
 12.1.2  非線性器仿真要考慮的因素        291
 12.2  無記憶非線性器的建模與仿真        291
 12.2.1  基帶非線性器        292
 12.2.2  帶通非線性器—帶狀帶通模型        293
 12.2.3  低通復包絡 (AM-AM和AM-PM)模型        294
 12.2.4  復包絡模型的仿真        299
 12.2.5  多載波形式        299
 12.3  有記憶非線性器的建模與仿真        304
 12.3.1  基于掃頻測量的經(jīng)驗模型        305
 12.3.2  其他模型        306
 12.4  非線性微分方程的求解方法        308
 12.4.1  非線性微分方程的狀態(tài)向量形式        308
 12.4.2  線性微分方程的遞歸解法—標量形式        310
 12.4.3  多步法的一般形式        313
 12.4.4  數(shù)值積分法的精度與穩(wěn)定性        313
 12.4.5  求解高階非線性微分方程—向量形式        314
 12.5  鎖相環(huán)的例子        315
 12.6  小結(jié)        316
 12.7  進一步的參考讀物        316
 12.8  參考文獻        317
 12.9  習題        318
 12.10  附錄A：Saleh 模型        319
 12.11  附錄B：例12-2 的MATLAB代碼        319
 12.11.1  主程序        319
 12.11.2  支撐子程序        320
 第13章  時變系統(tǒng)的建模與仿真        321
 13.1  概述        321
 13.1.1  時變系統(tǒng)的實例        321
 13.1.2  建模與仿真方法        322
 13.2  線性時變系統(tǒng)的模型        322
 13.2.1  線性時變系統(tǒng)的時域描述        323
 13.2.2  線性時變系統(tǒng)的頻域描述        324
 13.2.3  線性時變系統(tǒng)的特性        326
 13.3  隨機過程模型        330
 13.4  線性時變系統(tǒng)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  小結(jié)        338
 13.7  進一步的參考讀物        338
 13.8  參考文獻        338
 13.9  習題        338
 13.10  附錄A：例1的MATLAB代碼        339
 13.10.1  主程序        339
 13.10.2  支撐子程序        340
 13.11  附錄B：例2的MATLAB代碼        340
 13.11.1  主程序        340
 13.11.2  支撐子程序        341
 13.11.3  mpsk_pulses.m        341
 第14章  波形信道的建模與仿真        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  離散信道模型        344
 14.1.4  通信系統(tǒng)性能仿真方法論        345
 14.1.5  本章提綱        345
 14.2  有線與導波信道        345
 14.3  無線信道        346
 14.3.1  對流層信道        347
 14.3.2  降雨對無線信道的影響        347
 14.4  多徑衰落信道        348
 14.4.1  概述        348
 14.4.2  多徑衰落信道的例子        348
 14.4.3  離散與散射多徑        353
 14.5  多徑衰落信道建模        353
 14.6  隨機過程模型        354
 14.6.1  信道響應中的時變模型        356
 14.6.2  重要參數(shù)        357
 14.7  仿真方法論        358
 14.7.1  散射多徑衰落信道的仿真        358
 14.7.2  離散多徑衰落信道的仿真        362
 14.7.3  離散多徑衰落信道模型的例子        367
 14.7.4  室內(nèi)無線信道模型        371
 14.8  小結(jié)        371
 14.9  進一步的參考讀物        372
 14.10  參考文獻        372
 14.11  習題        374
 14.12  附錄A：例14-1的MATLAB代碼        374
 14.12.1  主程序        374
 14.12.2  支撐子程序        376
 14.13  附錄B：例14-2的MATLAB代碼        376
 14.13.1  主程序        376
 14.13.2  支撐子程序        378
 第15章  離散信道模型        379
 15.1  概述        379
 15.2  離散無記憶信道模型        381
 15.3  離散記憶信道的馬爾可夫模型        382
 15.3.1  兩狀態(tài)模型        383
 15.3.2  N狀態(tài)馬爾可夫模型        388
 15.3.3  一階馬爾可夫過程        388
 15.3.4  平穩(wěn)性        389
 15.3.5  馬爾可夫模型仿真        389
 15.4  示例HMMs-Gilbert模型和Fritchman模型        391
 15.5  馬爾可夫模型的參數(shù)估計        393
 15.5.1  比例縮放        398
 15.5.2  收斂和終止準則        399
 15.5.3  塊等效馬爾可夫模型        399
 15.6  兩個例子        401
 15.7  小結(jié)        405
 15.8  進一步的參考讀物        406
 15.9  參考文獻        406
 15.10  習題        407
 15.11  附錄A：差錯向量的產(chǎn)生        409
 15.11.1  程序：c15_errvector.m        409
 15.11.2  程序：c15_hmmtest.m        409
 15.12  附錄B：Baum-Welch算法        410
 15.13  附錄C：半隱式馬爾可夫模型        412
 15.14  附錄D：游程碼的產(chǎn)生        415
 15.15  附錄E：無差錯分布的確定        415
 15.15.1  c15_intervals1.m        416
 15.15.2  c15_intervals2.m        416
 第16章  高效仿真技術(shù)        417
 16.1  尾外推法        417
 16.2  pdf估計器        419
 16.3  重要性采樣        421
 16.3.1  橢圓的面積        421
 16.3.2  對pdf的敏感性        427
 16.3.3  最后一筆        428
 16.3.4  通信問題        429
 16.3.5  常規(guī)與改進的重要性采樣        430
 16.4  小結(jié)        431
 16.5  進一步的參考讀物        431
 16.6  參考文獻        432
 16.7  習題        432
 16.8  附錄A: 例16-3的MATLAB代碼        433
 16.8.1  主程序        433
 16.8.2  支撐子程序        437
 第17章  案例研究：蜂窩無線通信系統(tǒng)的仿真        438
 17.1  概述        438
 17.2  蜂窩無線系統(tǒng)        439
 17.2.1  系統(tǒng)級描述        439
 17.2.2  蜂窩通信系統(tǒng)的建模        441
 17.3  仿真方法論        448
 17.3.1  仿真        448
 17.3.2  仿真結(jié)果的處理        457
 17.4  小結(jié)        461
 17.5  進一步的參考讀物        461
 17.6  參考文獻        461
 17.7  習題        462
 17.8  附錄A：產(chǎn)生愛爾蘭B圖的程序        463
 17.9  附錄B：仿真代碼的初始化        464
 17.10  附錄C：同頻干擾建模        465
 17.10.1  Wilkinson方法        466
 17.10.2  Schwartz與Yeh方法        467
 17.11  附錄D：Wilkinson方法的MATLAB代碼        467
 第18章  兩個仿真實例        468
 18.1  碼分多址系統(tǒng)         468
 18.1.1  系統(tǒng)        468
 18.1.2  仿真程序        471
 18.1.3  實例仿真        473
 18.1.4  馬爾可夫模型的開發(fā)        475
 18.2  包含非線性衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的FDM系統(tǒng)        478
 18.2.1  系統(tǒng)描述和仿真目標        478
 18.2.2  整體仿真模型        480
 18.2.3  上行鏈路FDM信號的產(chǎn)生        481
 18.2.4  衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器模型        482
 18.2.5  接收機模型與半解析BER估計器        482
 18.2.6  仿真結(jié)果        483
 18.2.7  小結(jié)        485
 18.3  參考文獻        485
 18.4  附錄A: CDMA例子的MATLAB代碼        486
 18.4.1  主程序        486
 18.4.2  支撐子程序        489
 18.5  附錄B: CDMA應用的預處理        490
 18.5.1  驗證運行        490
 18.5.2  闡明萊斯K因子影響的研究        490
 18.6  附錄C：MATLAB函數(shù)c18_ errvector.m        491
 18.7  附錄D：衛(wèi)星FDM例子的MATLAB代碼        492
 18.7.1  主程序        492
 18.7.2  支撐子程序        495
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