本教材將在原有已出版教材《現(xiàn)代通信系統(tǒng)仿真教程》（第2版）的基礎(chǔ)上，以"系統(tǒng)建模與仿真知識(shí)體系框架為主線，圍繞"現(xiàn)代通信系統(tǒng)的典型應(yīng)用，以及"通信理論發(fā)展，進(jìn)行理論體系進(jìn)行重構(gòu)，知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行重組，使之滿足電子信息類專業(yè)高年級(jí)本科教學(xué)，以及相關(guān)專業(yè)研究生學(xué)習(xí)使用的需要。主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)建模與仿真基礎(chǔ)，系統(tǒng)建模方法，系統(tǒng)仿真方法，*模型的描述，*變量的實(shí)現(xiàn)，通信系統(tǒng)建模，通信信道及其模型，仿真中的參數(shù)估計(jì)，仿真中的性能指標(biāo)估計(jì)。
本書每次修訂都是作者重新理解通信系統(tǒng)建模仿真內(nèi)涵，教材內(nèi)容進(jìn)一步提煉和優(yōu)化的過程。
20世紀(jì)90年代，為了配合通信原理課程教學(xué)，作者編寫了MATLAB通信仿真講義（未公開出版）并在校內(nèi)使用，受到教師和學(xué)生的廣泛歡迎，成為我校2006年通信原理國家級(jí)精品課程成功申報(bào)的重要支撐元素之一。2003年現(xiàn)代通信系統(tǒng)仿真獨(dú)立設(shè)課，為滿足課程教學(xué)需要，參考Michel C. Jeruchim的Simulation of Communication Systems，Second Edition，2007年公開出版了本書的第1版，該版教材脫離了通信原理課程輔助教學(xué)的功能，初步形成了現(xiàn)代通信系統(tǒng)建模與仿真課程教學(xué)體系。2008年在我校首屆課程教學(xué)法改革評(píng)比中，作者圍繞研討式課堂教學(xué)環(huán)境構(gòu)建提出的模塊遞進(jìn)式教學(xué)法，獲得全校評(píng)比第一名，其中，課后布置給學(xué)生完成計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)題目，在教學(xué)過程中取得了較好的效果，因此，將這些仿真實(shí)驗(yàn)題目引入到2012年公開出版的第2版教材當(dāng)中。但是，上述幾版的教材，其內(nèi)容中心是通信系統(tǒng)，目標(biāo)核心是通信系統(tǒng)的建模和仿真方法，缺乏對(duì)系統(tǒng)建模和仿真知識(shí)體系框架的完整描述，對(duì)于系統(tǒng)建模仿真原理和技術(shù)沒有真正觸及，為此我們從以下幾方面進(jìn)行再版修訂：
1．理論體系進(jìn)行了重構(gòu)
根據(jù)我校2016年新修訂的課程標(biāo)準(zhǔn)，按照4∶6的比例分別介紹系統(tǒng)建模仿真理論，以及這些理論和技術(shù)在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得學(xué)生在初步掌握系統(tǒng)建模和仿真知識(shí)體系框架的基礎(chǔ)上，具備通信系統(tǒng)建模仿真的能力，進(jìn)而滿足電子信息類專業(yè)高年級(jí)本科教學(xué)，以及相關(guān)專業(yè)研究生學(xué)習(xí)使用的需要。為此本書2、3、4章全部，以及1、5、6章的部分內(nèi)容，重點(diǎn)介紹系統(tǒng)建模仿真原理和技術(shù)，其他章節(jié)介紹通信系統(tǒng)建模仿真的方法。
2．知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行了修訂
教材第2版已經(jīng)被多所院校老師選用，在他們課程教學(xué)活動(dòng)中始終與作者保持聯(lián)絡(luò)，就教材相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了深入探討和交流，得到了大量有益的建議。同時(shí)還有不少學(xué)生就本課程的學(xué)習(xí)中遇到的問題咨詢作者。根據(jù)他們的意見和建議，結(jié)合我們的教學(xué)工作經(jīng)驗(yàn)，作者對(duì)部分內(nèi)容進(jìn)行了修訂。例如，原第1章，去掉原1.3節(jié)內(nèi)容，增加系統(tǒng)建模和仿真發(fā)展內(nèi)容；原第4章，拓展成系統(tǒng)仿真方法和隨機(jī)變量的實(shí)現(xiàn)兩章內(nèi)容，強(qiáng)化了系統(tǒng)建模仿真知識(shí)體系框架。
3．相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了剔除
一是過時(shí)內(nèi)容的剔除，在第2版教材中，利用一章介紹了案例研究：碼分多址數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，由于其內(nèi)容僅僅介紹了第一、二、三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，明顯滯后于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展，為此進(jìn)行了全面的刪除。二是重復(fù)內(nèi)容的剔除，對(duì)原教材2.6節(jié)時(shí)間連續(xù)信號(hào)的采樣內(nèi)容進(jìn)行了刪除，主要由于這部分內(nèi)容在本科信號(hào)與線性系統(tǒng)、脈沖與數(shù)字電路和數(shù)字信號(hào)處理等課程中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，因此，進(jìn)行刪除。除此之外，還有部分內(nèi)容進(jìn)行了小規(guī)模刪除，因此，確保了教材內(nèi)容的先進(jìn)性。
4．實(shí)驗(yàn)案例進(jìn)行了增加
在本課程獨(dú)立設(shè)課以來，學(xué)生每年都能結(jié)合課程學(xué)習(xí)完成相關(guān)的課程論文，有的論文已在相關(guān)學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表，本次修訂結(jié)合課程學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)，增加了學(xué)生完成的5個(gè)實(shí)驗(yàn)案例，其目的主要有以下三方面：一是拓展學(xué)生的思維，從課本的知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)到實(shí)驗(yàn)案例（課程論文）的完成，可以說是將知識(shí)轉(zhuǎn)化成能力（應(yīng)用）的過程，通過這些案例的展示，有利于課程知識(shí)的學(xué)習(xí)與學(xué)生能力的培養(yǎng)。二是翻轉(zhuǎn)的學(xué)生角色，學(xué)生從知識(shí)的輸入者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)的輸出者，有利于老師了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度，更有利于激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情。三是探索混合學(xué)習(xí)模式，2016年作者成功申報(bào)軍隊(duì)學(xué)位與研究生重點(diǎn)研究課題混合學(xué)習(xí)在研究生課程教學(xué)中的應(yīng)用研究（****16B02），本書是該課題的研究成果之一，同時(shí)還為混合學(xué)習(xí)的實(shí)施提供了支撐。
5．對(duì)第2版中有些內(nèi)容和印刷錯(cuò)誤進(jìn)行了調(diào)整和修正
修訂后本書知識(shí)點(diǎn)雖然進(jìn)行了調(diào)整，但知識(shí)內(nèi)容總體數(shù)量變化不大，因此，在教學(xué)活動(dòng)中如果全部進(jìn)行講解，其參考學(xué)時(shí)為54學(xué)時(shí)，當(dāng)然講授內(nèi)容也可以根據(jù)課程設(shè)置的具體情況、專業(yè)特點(diǎn)、教學(xué)要求和教學(xué)對(duì)象的不同進(jìn)行取舍。
在第3版中，全部章節(jié)內(nèi)容的調(diào)整、修訂和編寫由陳樹新教授完成，石磊老師重新編寫了本書的仿真實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容和附錄，實(shí)驗(yàn)案例內(nèi)容由吳昊博士進(jìn)行收集與編寫，王希碩士完成了全書文字稿的校對(duì)，陳坤和劉卓威博士完成相關(guān)資料的收集和整理，最后由陳樹新對(duì)全書進(jìn)行了統(tǒng)稿。
書中有部分內(nèi)容源自作者承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金（61673392）的研究成果。
本書在構(gòu)思和選材過程中，參閱了大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)，在此向相關(guān)原著者表示敬意和感謝。在編寫過程中，作者始終得到吳德偉教授的關(guān)心和支持。研究生黃森、陳建華對(duì)本書的初稿進(jìn)行了認(rèn)真閱讀，并提出了大量寶貴意見，在此表示感謝。同時(shí)還需要感謝軍用導(dǎo)航國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，大學(xué)科研部機(jī)關(guān)和研究中心等機(jī)構(gòu)的支持。
由于作者水平有限，書中難免存在錯(cuò)誤和不足，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正，聯(lián)系E-mail：chenshuxin68@sina.com。
作 者
2016年12月
陳樹新，空軍工程大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，從事信息與通信工程領(lǐng)域的科研和教學(xué)工作；主持和參與多項(xiàng)空軍院校軍事教育科研立項(xiàng)課題，其中"《通信原理》課程建設(shè)與實(shí)踐，2005年獲軍隊(duì)教學(xué)成果三等獎(jiǎng);"通信原理網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，2008年獲軍隊(duì)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)一等獎(jiǎng)，均排名前3。
目 錄
第1章 緒論1
1.1 系統(tǒng)與模型1
1.1.1 系統(tǒng)1
1.1.2 模型2
1.1.3 模型的分類3
1.2 仿真4
1.2.1 定義4
1.2.2 相似理論5
1.2.3 仿真的分類7
1.3 系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展8
1.3.1 歷史回顧8
1.3.2 發(fā)展趨勢(shì)9
1.4 仿真在通信系統(tǒng)開發(fā)中的作用11
1.4.1 不同開發(fā)階段的應(yīng)用11
1.4.2 有效性分析12
1.4.3 典型案例分析12
思考與練習(xí)14
第2章 系統(tǒng)建模與仿真基礎(chǔ)15
2.1 系統(tǒng)建模的基本概念15
2.1.1 分類與準(zhǔn)則15
2.1.2 實(shí)施步驟16
2.1.3 思維方法18
2.2 系統(tǒng)建模的實(shí)現(xiàn)方法20
2.2.1 基本思路21
2.2.2 通信系統(tǒng)建模的實(shí)現(xiàn)方法22
2.2.3 虛擬與混合系統(tǒng)建模23
2.3 系統(tǒng)建模的誤差分析25
2.3.1 系統(tǒng)建模誤差25
2.3.2 設(shè)備建模誤差26
2.3.3 過程建模誤差27
2.4 系統(tǒng)仿真的實(shí)現(xiàn)方法29
2.4.1 仿真理論和方法30
2.4.2 通信系統(tǒng)仿真的實(shí)現(xiàn)方法31
2.4.3 通信系統(tǒng)分層仿真觀點(diǎn)33
2.4.4 系統(tǒng)仿真的性能評(píng)估34
2.5 系統(tǒng)仿真的驗(yàn)證35
2.5.1 設(shè)備模型的驗(yàn)證36
2.5.2 隨機(jī)過程模型的驗(yàn)證37
2.5.3 系統(tǒng)模型的驗(yàn)證38
小結(jié)39
思考與練習(xí)40
仿真實(shí)驗(yàn)40
實(shí)驗(yàn)案例：地面通信干擾源跟蹤問題
的系統(tǒng)建模40
第3章 系統(tǒng)建模方法45
3.1 系統(tǒng)的描述45
3.1.1 時(shí)域描述模型45
3.1.2 傳遞函數(shù)模型46
3.1.3 狀態(tài)空間模型47
3.2 連續(xù)系統(tǒng)的建模48
3.2.1 微分方程建模方法48
3.2.2 頻域建模方法50
3.2.3 分布參數(shù)系統(tǒng)建模方法52
3.3 離散事件系統(tǒng)建模基礎(chǔ)53
3.3.1 離散事件系統(tǒng)的基本要素54
3.3.2 離散事件仿真模型的部件與
結(jié)構(gòu)55
3.4 離散事件系統(tǒng)典型建模方法57
3.4.1 Petri網(wǎng)建模方法57
3.4.2 活動(dòng)循環(huán)圖建模方法59
3.4.3 實(shí)體流圖建模方法61
小結(jié)63
思考與練習(xí)63
仿真實(shí)驗(yàn)64
第4章 系統(tǒng)仿真方法65
4.1 連續(xù)系統(tǒng)數(shù)值仿真方法65
4.1.1 數(shù)學(xué)原理65
4.1.2 實(shí)現(xiàn)方法67
4.1.3 穩(wěn)定性分析70
4.2 離散事件系統(tǒng)仿真基本策略71
4.2.1 事件調(diào)度法71
4.2.2 活動(dòng)掃描法73
4.2.3 進(jìn)程交互法75
4.2.4 時(shí)間推進(jìn)機(jī)制77
4.3 蒙特卡洛仿真原理78
4.3.1 蒙特卡洛仿真的定義79
4.3.2 MC法在通信中的應(yīng)用80
4.4 準(zhǔn)解析MC仿真82
4.4.1 問題提出82
4.4.2 基本原理82
4.4.3 二進(jìn)制通信系統(tǒng)的QA仿真84
小結(jié)85
思考與練習(xí)86
仿真實(shí)驗(yàn)87
實(shí)驗(yàn)案例：關(guān)于蒙特卡洛仿真法計(jì)算
圓周率的進(jìn)一步討論87
第5章 仿真中的隨機(jī)過程分析92
5.1 概率論基礎(chǔ)92
5.1.1 隨機(jī)事件與概率92
5.1.2 隨機(jī)變量與概率分布94
5.1.3 單隨機(jī)變量模型96
5.2 隨機(jī)過程的基本概念102
5.2.1 隨機(jī)過程的一般表述102
5.2.2 隨機(jī)過程的統(tǒng)計(jì)特性103
5.3 平穩(wěn)隨機(jī)過程及其特性分析105
5.3.1 平穩(wěn)隨機(jī)過程及其各態(tài)
歷經(jīng)性105
5.3.2 平穩(wěn)隨機(jī)過程的特性分析106
5.4 信道分析109
5.4.1 信道模型109
5.4.2 恒參信道111
5.4.3 變參信道113
5.5 噪聲116
5.5.1 噪聲的分類116
5.5.2 起伏噪聲117
5.5.3 白噪聲和帶限白噪聲模型119
5.5.4 量化噪聲120
5.6 隨機(jī)過程的模型126
5.6.1 隨機(jī)序列126
5.6.2 泊松過程130
5.6.3 高斯隨機(jī)過程134
5.7 隨機(jī)過程通過線性系統(tǒng)135
5.7.1 基本概念136
5.7.2 窄帶隨機(jī)過程137
5.7.3 正弦波加窄帶高斯噪聲139
小結(jié)141
思考與練習(xí)142
仿真實(shí)驗(yàn)143
第6章 隨機(jī)變量的實(shí)現(xiàn)145
6.1 要求與特點(diǎn)145
6.2 隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生146
6.2.1 均勻分布隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生147
6.2.2 任意概率密度函數(shù)隨機(jī)數(shù)的
生成方法149
6.2.3 斯隨機(jī)變量的產(chǎn)生155
6.3 獨(dú)立隨機(jī)序列的產(chǎn)生157
6.3.1 高斯白噪聲序列157
6.3.2 二進(jìn)制偽隨機(jī)序列158
6.3.3 M進(jìn)制偽隨機(jī)序列165
6.4 相關(guān)隨機(jī)序列的產(chǎn)生167
6.4.1 相關(guān)高斯標(biāo)量序列168
6.4.2 相關(guān)高斯矢量序列172
6.4.3 相關(guān)非高斯序列174
6.5 隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的測(cè)試174
6.5.1 平穩(wěn)性與非相關(guān)性175
6.5.2 擬合優(yōu)良度檢測(cè)177
小結(jié)179
思考與練習(xí)180
仿真實(shí)驗(yàn)180
實(shí)驗(yàn)案例：梅森旋轉(zhuǎn)算法生成隨機(jī)數(shù)
及其改進(jìn)算法181
第7章 通信系統(tǒng)建模183
7.1 通信系統(tǒng)的建模方法與原則183
7.2 信源184
7.2.1 模擬信源185
7.2.2 數(shù)字信源186
7.3 信源編譯碼188
7.3.1 模擬信源編譯碼188
7.3.2 數(shù)字信源的編譯碼189
7.4 數(shù)字基帶191
7.4.1 邏輯到邏輯的映射192
7.4.2 邏輯到波形的映射194
7.4.3 二進(jìn)制數(shù)字基帶通信系統(tǒng)
仿真196
7.5 信道編碼197
7.5.1 分組碼198
7.5.2 卷積碼203
7.5.3 編碼通信的鏈路仿真207
7.6 調(diào)制系統(tǒng)210
7.6.1 模擬調(diào)制211
7.6.2 數(shù)字調(diào)制212
7.6.3 仿真與實(shí)現(xiàn)217
7.7 解調(diào)與檢測(cè)219
7.7.1 相干解調(diào)219
7.7.2 非相干解調(diào)221
7.8 同步224
7.8.1 同步技術(shù)對(duì)仿真的影響225
7.8.2 載波同步恢復(fù)227
7.8.3 位同步恢復(fù)229
7.9 仿真的標(biāo)校231
7.9.1 信號(hào)功率231
7.9.2 噪聲功率233
小結(jié)233
思考與練習(xí)234
仿真實(shí)驗(yàn)235
實(shí)驗(yàn)案例：卷積碼軟判決維特比譯碼
的性能仿真與分析235
第8章 通信信道及其建模239
8.1 準(zhǔn)自由空間信道239
8.1.1 晴空大氣（對(duì)流層）信道239
8.1.2 雨衰信道241
8.1.3 電離層相位信道242
8.2 衰落與多徑信道243
8.2.1 陰影衰落244
8.2.2 多徑衰落245
8.2.3 WSSUS模型的特性分析248
8.2.4 衰落信道的沖擊響應(yīng)250
8.3 多徑衰落信道的結(jié)構(gòu)模型252
8.3.1 彌散多徑信道模型252
8.3.2 離散多徑信道模型255
8.3.3 抽頭增益過程的生成257
8.3.4 HAPS多徑信道模型258
8.4 有限狀態(tài)信道模型259
8.4.1 定義和特點(diǎn)259
8.4.2 有限狀態(tài)無記憶模型260
8.4.3 有限狀態(tài)有記憶模型：隱馬爾
可夫模型（HMM）261
8.4.4 Fritchman模型265
8.5 衰落信道中通信系統(tǒng)的仿真
方法266
8.5.1 波形級(jí)仿真266
8.5.2 碼元級(jí)仿真267
8.5.3 語音編碼級(jí)仿真268
8.6 移動(dòng)信道的參考模型268
8.6.1 線路損耗模型268
8.6.2 信道沖激響應(yīng)模型269
8.7 Simulink中的信道模塊270
8.7.1 加性高斯白噪聲信道270
8.7.2 二進(jìn)制對(duì)稱信道271
8.7.3 多徑瑞利衰落信道272
8.7.4 多徑萊斯衰落信道273
8.7.5 射頻損耗274
小結(jié)275
思考與練習(xí)276
仿真實(shí)驗(yàn)276
實(shí)驗(yàn)案例：Ka頻段臨近空間通信
信道建模277
第9章 通信仿真中的參數(shù)估計(jì)281
9.1 參數(shù)估計(jì)的基本概念281
9.1.1 理論背景和基本概念281
9.1.2 估計(jì)器的性能283
9.2 波形平均電平和功率估計(jì)286
9.2.1 波形平均電平估計(jì)286
9.2.2 波形平均功率估計(jì)290
9.3 波形幅度概率密度和分布
函數(shù)估計(jì)291
9.3.1 經(jīng)驗(yàn)分布292
9.3.2 直方圖292
9.4 信號(hào)功率譜密度的估計(jì)295
9.4.1 估計(jì)器的基本形式295
9.4.2 估計(jì)器的修正形式297
9.4.3 估計(jì)器的期望值與方差300
9.4.4 實(shí)現(xiàn)PSD的估計(jì)器301
9.5 時(shí)延和相位估計(jì)303
9.5.1 無噪聲環(huán)境下載波相位和定時(shí)
同步的估計(jì)304
9.5.2 分組估計(jì)器305
9.6 性能的目測(cè)指標(biāo)308
9.6.1 眼圖308
9.6.2 散布圖309
小結(jié)310
思考與練習(xí)310
仿真實(shí)驗(yàn)311
第10章 通信仿真中的性能指標(biāo)估計(jì)312
10.1 信噪比估計(jì)312
10.1.1 信噪比估計(jì)器的形式312
10.1.2 估計(jì)器的統(tǒng)計(jì)特性314
10.1.3 估計(jì)器的實(shí)現(xiàn)315
10.2 數(shù)字系統(tǒng)性能估計(jì)318
10.2.1 理論框架318
10.2.2 MC估計(jì)器的形式320
10.2.3 MC估計(jì)器的置信區(qū)間321
10.2.4 MC估計(jì)器的均值和方差324
10.3 尾部外推法326
10.3.1 估計(jì)器形式326
10.3.2 估計(jì)器的性能分析與實(shí)現(xiàn)329
10.4 重要事件采樣法330
10.4.1 重要事件采樣法工作原理330
10.4.2 偏差概率密度函數(shù)的選擇332
小結(jié)333
思考與練習(xí)334
仿真實(shí)驗(yàn)334
附錄A 傅里葉變換335
附錄B 離散傅里葉變換（DFT）337
附錄C 幾種通信系統(tǒng)仿真中常用的
概率分布339
附錄D 誤差函數(shù)表340
參考文獻(xiàn)341
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