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，*模型的描述，*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。

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。
由于作者水平有限，书中难免存在错误和不足，恳请广大读者批评指正，联系E-mail：chenshuxin68@sina.com。

作 者
2016年12月

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