Simulating Wireless Communication Systems: Practical Models in C++

Cover......Page 1
CONTENTS......Page 8
PREFACE......Page 16
1 SIMULATION: BACKGROUND AND OVERVIEW......Page 18
 1.2 Simulation Process......Page 19
 1.3 Simulation Programs......Page 20
 2.1 Parameter Input......Page 21
  2.1.2 Parameter Arrays......Page 22
  2.1.4 System Parameters......Page 24
  2.1.5 Signal-Plotting Parameters......Page 25
 2.2 Signals......Page 26
  2.2.1 Signal Management Strategy......Page 27
  2.2.2 SMS Implementation......Page 37
 2.3 Controls......Page 46
 2.4 Results Reporting......Page 47
 2A.1 PracSimModel......Page 50
 2A.2 GenericSignal......Page 55
  3.1.1 Unit Step......Page 61
  3.1.2 Rectangular Pulse......Page 62
  3.1.3 Unit Impulse......Page 63
  3.1.4 Software Implementation......Page 64
 3.2 Tone Generators......Page 66
  3.2.1 Software Implementation......Page 67
 3.3 Sampling Baseband Signals......Page 68
  3.3.1 Spectral View of Sampling......Page 70
 3.4 Baseband Data Waveform Generators......Page 71
  3.4.1 NRZ Baseband Signaling......Page 72
  3.4.2 Biphase Baseband Signaling......Page 74
  3.4.3 Delay Modulation......Page 75
  3.4.4 Practical Issues......Page 76
 3.5 Modeling Bandpass Signals......Page 78
 3A.1 MultipleToneGener......Page 81
 3A.2 BasebandWaveform......Page 86
 4.1 Random Sequences......Page 95
  4.1.1 Discrete Distributions......Page 96
  4.1.2 Discrete-Time Random Processes......Page 99
 4.2 Random Sequence Generators......Page 100
  4.2.1 Linear Congruential Sequences......Page 101
  4.2.2 Software Implementations......Page 107
  4.2.3 Evaluating Random-Number Generators......Page 109
 4.3 Continuous-Time Noise Processes......Page 110
  4.3.1 Continuous Random Variables......Page 111
  4.3.2 Random Processes......Page 114
  4.4.1 Gaussian Distribution......Page 116
  4.4.2 Error Function......Page 117
  4.4.3 Spectral Properties......Page 118
  4.4.5 Gaussian Random Number Generators......Page 119
  4.5.1 Envelope and Phase......Page 121
 4.6 Parametric Models of Random Processes......Page 126
  4.6.1 Autoregressive Noise Model......Page 127
 4A.1 AdditiveGaussianNoise......Page 129
 5.1 Discrete Fourier Transform......Page 136
  5.1.2 Properties of the DFT......Page 137
 5.2 Decimation-in-Time Algorithms......Page 140
  5.2.1 Software Notes......Page 143
 5.3 Decimation-in-Frequency Algorithms......Page 148
 5.4 Small -N Transforms......Page 153
  5.5.1 Software Notes......Page 155
 5A.2 FFT Engines......Page 158
 6.1 Sample Spectrum......Page 163
  6.1.1 Software Implementation......Page 164
 6.2 Daniell Periodogram......Page 165
  6.2.1 Software Implementation......Page 166
 6.3 Bartlett Periodogram......Page 168
  6.3.1 Software Implementation......Page 169
 6.4 Windowing and Other Issues......Page 170
  6.4.1 Triangular Window......Page 171
  6.4.2 Software Considerations......Page 172
  6.4.3 von Hann Window......Page 174
  6.4.4 Hamming Window......Page 177
  6.4.5 Software Implementation......Page 178
 6.6 Yule-Walker Method......Page 184
  6.6.1 Software Implementation......Page 185
 6A.1 BartlettPeriodogramWindowed......Page 188
 6A.2 GenericWindow......Page 194
 7.1 Linear Systems......Page 199
  7.1.1 Characterization of Linear Systems......Page 200
  7.1.2 Transfer Functions......Page 201
  7.1.3 Computer Representation of Transfer Functions......Page 203
  7.1.4 Magnitude, Phase, and Delay Responses......Page 206
 7.2 Constellation Plots......Page 209
  7.2.1 Eye Diagrams......Page 210
7A: EXAMPLE SOURCE CODE......Page 216
 7A.1 CmpxIqPlot......Page 217
 7A.2 HistogramBuilder......Page 220
  8.1.1 Numerical Integration......Page 224
  8.1.3 Digital Filters......Page 225
 8.2 Analog Filter Responses......Page 226
  8.2.2 Filter Transformations......Page 227
  8.3.1 Butterworth Filters......Page 234
  8.3.2 Chebyshev Filters......Page 235
  8.3.3 Elliptical Filters......Page 239
  8.3.4 Bessel Filters......Page 244
 8.4 Simulating Filters via Numerical Integration......Page 246
  8.4.1 Biquadratic Form......Page 248
  8.4.2 Software Design......Page 249
 8.5 Using IIR Digital Filters to Simulate Analog Filters......Page 251
  8.5.1 Properties of IIR Filters......Page 253
  8.5.2 Mapping Analog Filters into IIR Designs......Page 254
  8.5.3 Software Design......Page 257
  8.6.1 Fast Convolution......Page 259
  8.6.2 Software Design......Page 261
 8A.1 Classical Filters......Page 264
 9.1 Simulation Issues......Page 279
  9.1.1 Using the Recovered Carrier......Page 280
 9.2 Quadrature Phase Shift Keying......Page 281
  9.2.1 Nonideal Behaviors......Page 283
  9.2.2 Quadrature Modulator Models......Page 286
  9.2.3 Correlation Demodulator Models for QPSK......Page 287
  9.2.4 Quadrature Demodulator Models......Page 290
  9.2.5 QPSK Simulations......Page 292
  9.2.6 Properties of QPSK Signals......Page 296
  9.2.7 Offset QPSK......Page 299
  9.3.1 BPSK Modulator Models......Page 303
  9.3.2 BPSK Demodulation......Page 304
  9.3.3 BPSK Simulations......Page 306
  9.3.4 Properties of BPSK Signals......Page 307
  9.3.5 Error Performance......Page 309
  9.4.1 Ideal m-PSK Modulation and Demodulation......Page 310
  9.4.2 Power Spectral Densities of m-PSK Signals......Page 312
  9.4.3 Error Performance......Page 315
 9.5 Frequency Shift Keying......Page 316
  9.5.1 FSK Modulators......Page 320
  9.6.1 Nonideal Behaviors......Page 323
  9.6.2 MSK Modulator Models......Page 326
  9.6.3 Properties of MSK Signals......Page 329
9A: EXAMPLE SOURCE CODE......Page 332
 9A.1 MskModulator......Page 333
 9A.2 MpskOptimalDemod......Page 337
10 AMPLIFIERS AND MIXERS......Page 342
  10.1.1 Hard Limiters......Page 343
  10.1.2 Bandpass Amplifiers......Page 344
  10.2.1 AM/AM and AM/PM......Page 359
  10.2.2 Swept-Frequency Response......Page 360
  10.3.1 Filter Measurements......Page 361
 10A.1 NonlinearAmplifier......Page 367
 11.1 Shifting Signals in Time......Page 373
  11.1.1 Delaying Signals by Multiples of the Sampling Interval......Page 374
  11.1.2 Advancing Signals by Multiples of the Sampling Interval......Page 377
  11.1.3 Continuous-Time Delays via Interpolation......Page 385
 11.2 Correlation-Based Delay Estimation......Page 402
  11.2.1 Software Implementation......Page 404
 11.3 Phase-Slope Delay Estimation......Page 405
 11.4 Changing Clock Rates......Page 410
 11A.1 DiscreteDelay......Page 415
12 SYNCHRONIZATION RECOVERY......Page 423
 12.1 Linear Phase-Locked Loops......Page 424
  12.2.1 Phase-Frequency Detector......Page 429
  12.3.1 Squaring Loop......Page 441
  12.3.2 Costas Loop......Page 443
 12A.1 DigitalPLL......Page 447
  13.1.1 Binary Symmetric Channel......Page 457
  13.1.2 Other Binary Channels......Page 458
  13.1.3 Nonbinary Channels......Page 460
  13.2.1 System Functions......Page 466
  13.2.2 Randomly Time-Varying Channels......Page 472
 13.3 Diffuse Multipath Channels......Page 476
  13.3.1 Uncorrelated Tap Gains......Page 477
  13.3.2 Correlated Tap Gains......Page 478
 13.4 Discrete Multipath Channels......Page 480
 14.1 Basic Concepts of Multirate Signal Processing......Page 482
  14.1.2 Interpolation by Integer Factors......Page 483
  14.1.3 Decimation and Interpolation by Noninteger Factors......Page 485
 14.2 Filter Design for Interpolators and Decimators......Page 486
  14.2.1 Interpolation......Page 488
  14.2.2 Decimation......Page 497
  14.3.2 Quadrature Modulation......Page 504
  15.1.1 Coefficient Quantization......Page 508
  15.1.3 Finite-Precision Arithmetic......Page 512
 15.2 FIR Filters......Page 513
 15.3 IIR Filters......Page 518
 16.1 Block Codes......Page 523
  16.1.1 Cyclic Codes......Page 524
 16.2 BCH Codes......Page 526
  16.3.1 Block Interleavers......Page 530
  16.3.2 Convolutional Interleavers......Page 531
 16.4 Convolutional Codes......Page 532
  16.4.1 Trellis Representation of a Convolutional Encoder......Page 535
  16.4.2 Viterbi Decoding......Page 536
 16.5 Viterbi Decoding with Soft Decisions......Page 542
 A.1 Trigonometric Identities......Page 549
 A.2 Table of Integrals......Page 551
 A.4 Modified Bessel Functions of the First Kind......Page 553
  A.4.1 Identities......Page 554
 B.2 Gaussian Distribution......Page 555
 B.3 Exponential Distribution......Page 556
 B.4 Rayleigh Distribution......Page 557
 B.5 Rice Distribution......Page 558
  B.5.1 Marcum Q Function......Page 559
 C.1 Finite Fields......Page 560
 C.2 Polynomial Arithmetic......Page 562
 C.3 Computer Generation of Extension Fields......Page 568
  C.3.2 Using a Computer to Find Primitive Polynomials......Page 569
  C.3.3 Programming Considerations......Page 574
 C.4 Minimal Polynomials and Cyclotomic Cosets......Page 576
D: REFERENCES......Page 580
 C......Page 584
 H......Page 585
 P......Page 586
 U......Page 587
 Y......Page 588