通信系统仿真：建模、方法和技术 （第二版）.pdf通信系统仿真建模、方法和技术Simulation of Communication SystemsModeling, Methodology, and Teechniques(第二版)[EEJMichel C. Jeruchim, Philip BalabanK. Sam Shanmugan周希元陈卫东毕见鑫译北京著作权合同登记图字:军-2003-010号图书在版编目(CIP)数据通信系统仿真/(美)杰鲁切姆( Jeruchim,MC.),(美)巴拉班( Balaban,P.),(美)尚姆贾( Shanmujan,K.S.)著;周希元等译.一北京:国防工业出版社,2004.12书名原文: Simulation of Communications SystemsModeling, Methodology and TechquesISBN7118-03413-4通.Ⅱ.①杰.②巴.③尚.④周.Ⅲ通信系统一系统仿真Ⅳ.TN914中国版本图书馆CIP数据核字(2004)第010524号Copyright( 2003 National Defense Industry Press translation rightsarranged with the Kluwer Academic/ Plenum PublishersC 2000 Kluwer Academic/ Plenum Publishers所钅宫社出版发行(北京市海淀区紫竹院南路23号)(邮政编码100044)北京奥鑫印刷厂印刷新华书店经售开本787×10921/16印张5014千字2004年12月第1版2004年12月北京第1次印刷印数:1-3000册定价:21800元本书如有印装错误,我社负责调换)国防书店:(010)68428422发行邮购:(010)6841474发行传真:(010)6841535发行业务:(010)68472764译者现代社发展要求通信系统功能越来越强,性能越来越高,构成越来越复杂;另一方面,要求通信系统技术研究和产品开发缩短周期,降低成本,提高水平。这样尖锐对立的两个方面的需求,只有通过使用强大的计算机辅助分析设计技术和工具才能实现。计算机辅助分析和设计技术发展十分迅速,出现了大量实用仿真软件与工具,并用于通信系统建模、分析和设计,取得了良好的效果。计算机辅助技术基本上有两大类,一是基于公式的方法,用计算机计算复杂的公式;二是用计算机仿真系统的信号波形,即波形级仿真。在仿真研究中,有时我们得出的仿真结果可能与实际物理系统结果不一致甚至相差甚远。这时可能不是“计算机错了”(假定正确使用了仿真程序环境和编程语言),而是“人错了”。一个简单的例子,就是在二进制系统的传统MC仿真中,用103的序列长度,去仿真10-5量级的误码率性能,显然仿真结果的可靠性或准确度是极差的。这就涉及到通信系统仿真的方法建模和技术等方法论方面的问题。这就是说,取得好的仿真效果,不仅要有一个好的程序环境和编程语言,更重要的是要能正确理解系统仿真原理,准确使用工具,并正确分析和利用仿真结果译者及译者的朋友、同事们在从事通信系统、遥测遥控系统技术研究和产品研发过程中,经常遇到大量的有关仿真方法论方面的问题,深感迫切需要有一本关于通信系统仿真的系统理论文献和工具性参考书。由 Michel c. Jeruchim、 Philip Balaban和K. Sam shanmun编写的《 Simulation Of Communication Systems- Modeling, Methodology and Techniques,SECOND EDITION》正好满足了这一愿望,这是译者翻译本书的主要动因。本书着重讲解采用波形级仿真技术来评估通信系统性能的原理、方法和实现技术。回顾和总结了相关理论基础,重点讨论实用性的方法,如:线性系统的仿真和建模方法、非线性系统的仿真和建模方法、蒙特卡洛仿真方法和随机数的产生、通信系统建模、信道建模,以及仿真中的参数估计和性能评估;另外还给出四类案例研究。在书的最后还给出了大量具有针对性,并富于启发性的思考题和附录。与第一版相比,重点增加了现在比较热门的有关移动无线通信系统仿真的内容。夲书的特点是深入浅出,条理清晰,详尽论述了有关通信系统的计算机辅助仿真的建模、方法和技术问题。通过阅读本书,读者可以全面透彻地理解通信系统的建模原理和实现方法,为实际应用打下坚实的基础,对读者的进一步展开学习、工作或研究也具有很大的帮助。本书非常适合作为通信与电子信息类专业的研究生教材和相关工程技术人员的参考书。本书得以顺利出版,首先要衷心感谢西安电子科技大学杨绍全教授对译稿的认真审阅,感谢中国电子科技集团公司第五十四研究所高晓滨研究员的大力支持,感谢董春曦博士,博士硏究生饶鲜、罗明、崔艳鹏、张煜,硕士:研究生王玉林、曹颖、张丽祜等同志在翻译过程中所作的L作。还要特别感谢国防业出版社为本书出版所作的热情帮助和指导由于全书篇幅太大,涉及专业很广,加之译者水平有限,难免有错误和不妥之处,恳望读者批评指正。译者2004年10月22日Ⅳ自本书的第一版发行以来,有关通信系统建模和仿真领域的许多方面都有了进一步的发展和完善。而且仿真作为一个常用工具,在实际应用中日益普及。近几年,人们已开发岀许多新的建模和仿真方法,以及大量商用仿真工具包。许多功能强大的通用数学应用程序包的开发,为计算机辅助设计和分析提供了更多的选择。随着近年来人们对数字移动通信的关注,与传统的仿真应用相比,无线系统成为建模和仿真应用的主要领域。建模和仿真的目的是研究系统的运行、评价其性能,仿真对象自然包括了已有或者正在设计的各种系统。但是,在某种程度上,仿真是对一些学科的基本原理,例如通信原理的具体化。建模和仿真仍是基于这些基本原理的,这些原理以及伴随原理应用大量出现的许多技巧,仍是本书第二版的重点。第—版在详尽回顾第一版的同时,增加了一些新技术的应用。全书内容经过重新组织和扩展,由原来的七章扩展成十三章,第一版中的一些章节被分成更具逻辑性的单元,对于某些论题做了更深入的扩展,这样的分割使得本书完全可以用做教材。对于第一版提到的某些内容我们又增添了两章:其中一章是非线性系统的建模与仿真,该章深人讨论了对于有记忆功能的“黑箱”非线性系统的建模,以及完整的有关测量计算的内容。正如上面提到的,也许自第一版出版后,在通信和电信业发生的最大变化是无线设备的应用。在第二版中,我们又增加了关于信道建模的内容,主要讨论多径和衰落信道,这是无线系统的常用环境。与第一版相同,书中的一章给出了几个案例的研究,来说明解决问题的不同方法,和对于仿真从事者在应用时可能遇到的建模和计算技术的特殊问题。第一个案例是对第一版的案例的详细回顾,本书还研究了另外三个案例。在第十二章给出了一个综合性的问题。本质上,仿真和建模包含了它们所应用的整个领域。为了覆盖比第一版还多的内容,我们仍要依赖于慷慨的朋友和同事,是他们在许多问题上给予了大量的建议和材料。首先,我要感谢的是第一版的编者们,第二版中仍大量地引用了他们所作的工作。第二版有更多的人给予帮助。我要感谢我的好友和同事, Lockheed Martin M&DS学校的 Robert J.Wole博土,一个出色的数理统计学家,他提供了许多意见、证明、编码以及非线性微分方程、随机数产生和内插等方面的内容。 Wolfe博士还审查了本书的儿章内容并提供了大偏差理论(11.2.5.3.2小节)的基本内容。 Lockheed martin me&s通信分析和仿真小组的其它成员也提供了大量的帮助。除了上:面提到的 Bob wolfe的作外, douglasCastor和 Gregory Maskarinec博士提供了他们已发表的有关最小频移键控方面的研究内容,作为第十二章的案例研究Ⅲ。Dg制作了所有的插图并且检查了案例研究的最终脚本我们还获益于与 Maskarinec博士的关于非线性建模的讨论,这是基于他对文献的广泛阅读而来的。Grey检査了第五章,并对5.3.4.2节的建模提供了帮助。我们非常感谢Grgory Stemberg所作的工作,用其数学专长计算了表11.并绘制了图11.23和图11.24。感谢 Paul beauvilliers,他利用有关锁相环仿真的经验提供了8.12.2的例子和相关图表。我们还要向 Daniel Mcgahey表示感谢,他提供了方框图相关细节和定时信息,这些构成了11.2.1小节的基础。空车部的 Christopher Silva博士, Christopher Clark, Andrew Moulthrop和 Michael muha工作组十分慷慨地向我们传授了他们在非线性系统建模和仿真中的经验和知识,他们对55节中的非线性部件测量技术提供了帮助,Sia博土除了提供5.3.3节中有关归一化Volterra模型、多谱模型以及5.2.4.3节的资料外,还对几个相关问题给予帮助,并对第五章进行了比较彻底的校正。我们要感谢 Chris clar在5.3.4.2节中关于非线性参数离散时间模型的工作。在与TRW的 Harvey Berger就他已发表和未发表的关于非线性放大器模型研究的讨论中,我们也受益匪浅。我们要感谢一些目前或曾经在AT&T实验室或Be实验室工作的技术人员。感谢William Turin博士对第十二章案例硏究Ⅳ的共同硏究与编撰;感谢Bi对 Markov模型的有关章节进行的认真检查。我们还要感谢DonL博土对案例研究Ⅳ的共同研究;非常感谢Thomas m.WliⅢ博士,他提供了第九章中有关阴影衰落的材料;还要感谢 Seng(Sam)Kim博士,他在第九章提供了有关室内信道建模方面的资料和数据。我们感谢 Zoran Kosic博士就码分多址(CDMA)系统问题的建议,他的建议对案例研究Ⅳ很有帮助。以色列海法 Technion的 Irving Kalet教授提供了第87.22小节中有关正交频分复用(OFDM)的资料,对此我们非常感谢。我们还要感谢 North Carolina State University的JKeith Townsend教授关于重要采样的讨论,这些内容都写进了第1.2.5.4节的随机重要采样和第11.2.6节的重要分割理论中。由于篇幅有限,我们无法列出Keih向我们提供的许多重要的资料。我们感谢 Qualcomm的 Faroukh Abrishamkar博土对CDMA系统建模的建议和在第九章附录中提供的信道模型参考文献资料。在 Arlington的 Texas大学的Ⅴ asantPrabhu教授十分慷慨地提供了他在讲授仿真课程中涉及的一些问题;同时我们也要向提供第十二章的一些题目的 Virginia Polytechnic Institute的 Brian woerner教授表示感谢。最后,再次向我们的家人表示感谢——第二次——感谢他们在这么长的编写过程中所给与的支持Michel C. JeruchimPhilip balabanK. Sam ShanmuganⅥ目复第一章绪论甲s············::··曾····●●鲁。●命申車·@●血1性能评估方法1.1.1引言···········4·:·····.···············4············°·····“····.··1.1.2分层观点鲁·。1.2仿真方法通信系统的波形级仿真1.3仿真在通信系统设计中的应用…·鲁曹鲁·看香看。·看。·●·1.4仿真的发展历史1.5本书概要…鲁4569参考文献……第二章仿真与建模方法论鲁即着兽··看t·2.1关于方法论的一般性知识介绍2.2仿真方法论2.3建模的基本概念142.3.1系统建模…172.3.2设备建模…t··命·中中自D中●命●自·血·命自申●甲单●命。●。●命非要非D。,鲁看,鲁D要·看●看2.3.3随机过程建模●·曾·自非自自·曲2.3.4虛拟系统建模2.3.5混合仿真中●中命·◆你·中非·。要··要。●晋骨要看·。·●看··看鲁看●看量看。。●……202.4性能评估方法…202.5仿真中的误差源2.5.1系统建模误差··鲁t章自·●自自非曲自音2.5.2设备建模误差2.5.3随机过程建模误差击血当自自由曲甲甲。。中甲。。看看。看··。·●262.5.4处理误差2.6有效性·即最····非鲁·自非。·即·.鲁音··看2.6.1设备或子系统模型的有效性…2.6.2随机过程模型的有效性……………31Ⅶ2.6.3系统模型的有效性2.7仿真环境和软件问题332.7.1软件环境的特点342.7.2软件环境的组成……………352.7.3硬件环境…2.7.4其它28仿真在通信系统工程中的作用392.9小结42参考文献43第三章仿真中信号和系统的表示:解析基础…3.1确定信号和系统概述443.1.1连续时间信号……3.1.2离散时间信号3.1.3系统···,音·辛·自·非·自.。44垂3.1.3.1系统特性…早鲁·鲁香·鲁··音473.1.2.2系统的框图表示3.2线性时不变系统…3.2.1连续时间线性时不变系统····自书993.2.1.1冲激响应…493.2.1.2卷积积分………··,··,自最。32.2离散时间线性时不变系统………503.22.1冲激响应3222卷积和(离散卷积)3.3频域表示…甲鲁··●3.3.1傅里叶变换…·身··鲁···卓歌·看··自a51332连续时间周期信号的频域表示…513.3.2.1傅里叶级数…………513.3.2.2周期信号的帕斯瓦尔定理3.3.3傅里叶变换·……………533.3.3.1收敛性533.3.3.2傅里叶变换的性质3.3.4频率响应…553.3.4.1频域中系统的互联334.2连续时间信号的帕斯瓦尔定理3.3.5 Gibbs现象·····.·自音··。·····“·是。·。···音非鲁鲁。垂33.6傅里叶变换和傅里叶级数的关系…573.6.1引言57