通信系统建模与仿真教程

本教材将在原有已出版教材《现代通信系统仿真教程》（第2版）的基础上，以"系统建模与仿真”知识体系框架为主线，围绕"现代通信系统”的典型应用，以及"通信理论”发展，进行理论体系进行重构，知识内容进行重组，使之满足电子信息类专业高年级本科教学，以及相关专业研究生学习使用的需要。主要内容包括：系统建模与仿真基础，系统建模方法，系统仿真方法，随机模型的描述，随机变量的实现，通信系统建模，通信信道及其模型，仿真中的参数估计，仿真中的性能指标估计。

陈树新，空军工程大学教授，博士生导师，从事信息与通信工程领域的科研和教学工作；主持和参与多项空军院校军事教育科研立项课题，其中"《通信原理》课程建设与实践”，2005年获军队教学成果三等奖;"通信原理网络虚拟实验室”，2008年获军队实验室建设一等奖，均排名前3。

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

本书每次修订都是作者重新理解通信系统建模仿真内涵，教材内容进一步提炼和优化的过程。

20世纪90年代，为了配合“通信原理”课程教学，作者编写了MATLAB通信仿真讲义（未公开出版）并在校内使用，受到教师和学生的广泛欢迎，成为我校2006年“通信原理”国家级精品课程成功申报的重要支撑元素之一。2003年“现代通信系统仿真”独立设课，为满足课程教学需要，参考Michel C. Jeruchim的Simulation of Communication Systems，Second Edition，2007年公开出版了本书的第1版，该版教材脱离了“通信原理”课程辅助教学的功能，初步形成了现代通信系统建模与仿真课程教学体系。2008年在我校首届课程教学法改革评比中，作者围绕“研讨式课堂教学环境构建”提出的“模块递进式教学法”，获得全校评比第一名，其中，课后布置给学生完成计算机仿真实验题目，在教学过程中取得了较好的效果，因此，将这些仿真实验题目引入到2012年公开出版的第2版教材当中。但是，上述几版的教材，其内容中心是通信系统，目标核心是通信系统的建模和仿真方法，缺乏对系统建模和仿真知识体系框架的完整描述，对于系统建模仿真原理和技术没有真正触及，为此我们从以下几方面进行再版修订：

1．理论体系进行了重构

根据我校2016年新修订的课程标准，按照4∶6的比例分别介绍系统建模仿真理论，以及这些理论和技术在通信系统中的应用，使得学生在初步掌握系统建模和仿真知识体系框架的基础上，具备通信系统建模仿真的能力，进而满足电子信息类专业高年级本科教学，以及相关专业研究生学习使用的需要。为此本书2、3、4章全部，以及1、5、6章的部分内容，重点介绍系统建模仿真原理和技术，其他章节介绍通信系统建模仿真的方法。

2．知识内容进行了修订

教材第2版已经被多所院校老师选用，在他们课程教学活动中始终与作者保持联络，就教材相关内容进行了深入探讨和交流，得到了大量有益的建议。同时还有不少学生就本课程的学习中遇到的问题咨询作者。根据他们的意见和建议，结合我们的教学工作经验，作者对部分内容进行了修订。例如，原第1章，去掉原1.3节内容，增加“系统建模和仿真发展”内容；原第4章，拓展成“系统仿真方法”和“随机变量的实现”两章内容，强化了系统建模仿真知识体系框架。

3．相关内容进行了剔除

一是过时内容的剔除，在第2版教材中，利用一章介绍了“案例研究：码分多址数字蜂窝移动通信系统”，由于其内容仅仅介绍了第一、二、三代移动通信系统，明显滞后于现代通信系统的发展，为此进行了全面的删除。二是重复内容的剔除，对原教材2.6节“时间连续信号的采样”内容进行了删除，主要由于这部分内容在本科“信号与线性系统”、“脉冲与数字电路”和“数字信号处理”等课程中已经进行了详细的介绍，因此，进行删除。除此之外，还有部分内容进行了小规模删除，因此，确保了教材内容的先进性。

4．实验案例进行了增加

在本课程独立设课以来，学生每年都能结合课程学习完成相关的课程论文，有的论文已在相关学术期刊上发表，本次修订结合课程学习的知识点，增加了学生完成的5个实验案例，其目的主要有以下三方面：一是拓展学生的思维，从课本的知识点学习到实验案例（课程论文）的完成，可以说是将知识转化成能力（应用）的过程，通过这些案例的展示，有利于课程知识的学习与学生能力的培养。二是翻转的学生角色，学生从知识的输入者转变为知识的输出者，有利于老师了解学生对知识的掌握程度，更有利于激发学生主动学习的热情。三是探索混合学习模式，2016年作者成功申报军队学位与研究生重点研究课题“混合学习在研究生课程教学中的应用研究”（****16B02），本书是该课题的研究成果之一，同时还为混合学习的实施提供了支撑。

5．对第2版中有些内容和印刷错误进行了调整和修正

修订后本书知识点虽然进行了调整，但知识内容总体数量变化不大，因此，在教学活动中如果全部进行讲解，其参考学时为54学时，当然讲授内容也可以根据课程设置的具体情况、专业特点、教学要求和教学对象的不同进行取舍。

在第3版中，全部章节内容的调整、修订和编写由陈树新教授完成，石磊老师重新编写了本书的仿真实验部分内容和附录，实验案例内容由吴昊博士进行收集与编写，王希硕士完成了全书文字稿的校对，陈坤和刘卓威博士完成相关资料的收集和整理，最后由陈树新对全书进行了统稿。

书中有部分内容源自作者承担的国家自然科学基金（61673392）的研究成果。

本书在构思和选材过程中，参阅了大量的国内外文献，在此向相关原著者表示敬意和感谢。在编写过程中，作者始终得到吴德伟教授的关心和支持。研究生黄森、陈建华对本书的初稿进行了认真阅读，并提出了大量宝贵意见，在此表示感谢。同时还需要感谢“军用导航”国家级实验教学示范中心，大学科研部机关和研究中心等机构的支持。

作 者

2016年12月