通信系统的计算机模拟第十讲精.ppt
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1、通信系通信系统的的计算机模算机模拟第十第十讲1第1页,本讲稿共64页第九讲第九讲 回顾回顾l需要随机信号的产生与处理的原因需要随机信号的产生与处理的原因l平稳与遍历性过程平稳与遍历性过程l均匀随机数发生器均匀随机数发生器l线性同余线性同余l混合同余算法混合同余算法l具有素模数的乘性算法具有素模数的乘性算法l具有非素模数的乘性算法具有非素模数的乘性算法l随机数发生器的测试随机数发生器的测试l散点图散点图lDurbin-Watson测试测试l最低标准最低标准lLewis,Goodman和和Miller最低标准最低标准lWichmann-Hill算法算法lMATLAB实现实现2第2页,本讲稿共64页
2、7.3将均匀分布随机变量映射成任意将均匀分布随机变量映射成任意pdf l1已知目标随机变量的累积分布函数具有闭合形式已知目标随机变量的累积分布函数具有闭合形式逆变换逆变换法。法。l2已知目标随机变量的已知目标随机变量的pdf具有闭合形式,但具有闭合形式,但CDF不具有闭不具有闭合形式。高斯随机变量,专用方法,可以用舍弃法。合形式。高斯随机变量,专用方法,可以用舍弃法。l3已知已知pdf和和CDF都不具有闭合形式。在寻求一个随机数都不具有闭合形式。在寻求一个随机数发生器,使其发生器,使其pdf与实验数据的与实验数据的pdf相一致时,经常会出相一致时,经常会出现这种情况。现这种情况。3第3页,本讲
3、稿共64页7.3.1 逆变换法逆变换法 l将一个不相关的均匀分布的随机序列将一个不相关的均匀分布的随机序列U变换为一个具有概率分布函数变换为一个具有概率分布函数Fx(x)的不相关的(独立的样本)序列。的不相关的(独立的样本)序列。l无记忆的非线性器无记忆的非线性器l由于非线性器是无记忆的,在输入序列不相关时,能保证输出序由于非线性器是无记忆的,在输入序列不相关时,能保证输出序列也是不相关的。根据维纳列也是不相关的。根据维纳辛钦定理,不相关随机数序列的功辛钦定理,不相关随机数序列的功率谱密度是常数(白噪声)。逆变换方法简单地设定:率谱密度是常数(白噪声)。逆变换方法简单地设定:4第4页,本讲稿共
4、64页l根据维纳根据维纳辛钦定理,不相关随机数序列的功率谱密辛钦定理,不相关随机数序列的功率谱密度是常数(白噪声)。逆变换方法简单地设定:度是常数(白噪声)。逆变换方法简单地设定:使用逆变换方法时要求已知分布函数为使用逆变换方法时要求已知分布函数为Fx(x)闭合形式闭合形式 5第5页,本讲稿共64页l逆逆变变换换方方法法能能产产生生具具有有所所需需分分布布函函数数的的随随机机变变量量,分分布布函函数数是是自自变变量量的的一一个个非非减减函函数数,如如图图7-5所所示。示。l根据分布函数的定义根据分布函数的定义6第6页,本讲稿共64页例例77l将一个均匀分布的随机变量变换成具有单将一个均匀分布的
5、随机变量变换成具有单边指数分布的随机变量边指数分布的随机变量l其中其中ux是单位阶跃函数是单位阶跃函数 7第7页,本讲稿共64页Solutionl我们首先是要求出我们首先是要求出CDF,也就是,也就是令分布函数与均匀随机变量相等,有令分布函数与均匀随机变量相等,有求解求解X,上式可化为,上式可化为由于随机变量由于随机变量U与与1U等价(与具有相同的等价(与具有相同的pdf),所以可写成),所以可写成8第8页,本讲稿共64页实现均匀分布实现均匀分布指数分布变换指数分布变换的的MATLAB代码代码lclear all%be safeln=input(Enter number of points )
6、;lb=3;%set pdf parameterlu=rand(1,n);%generate Uly_exp=-log(u)/b;%transformationlN_samp,x=hist(y_exp,20)l%get histogram parameterslsubplot(2,1,1)lbar(x,N_samp,1)%plot histogramlylabel(Number of Samples)lxlabel(Independent Variable-x)lsubplot(2,1,2)y=b*exp(-3*x);%calculate pdfdel_x=x(3)-x(2);%determi
7、ne bin widthp_hist=N_samp/n/del_x;%probability from histogramplot(x,y,k,x,p_hist,ok)%compareylabel(Probability Density)xlabel(Independent Variable-x)legend(true pdf,samples from histogram,1)9第9页,本讲稿共64页Result=3,N=3,N100100 10第10页,本讲稿共64页Result N200011第11页,本讲稿共64页例例7-8l作为第二个例子,考虑瑞利随机变量,其作为第二个例子,考虑瑞利随
8、机变量,其pdf表示为表示为单位阶跃函数确定了单位阶跃函数确定了pdf是单边的。瑞利随机变量的是单边的。瑞利随机变量的CDF为为12第12页,本讲稿共64页SolutionlU与与1U等价等价这个变换是这个变换是Box-Muller算法中的第一步。而算法中的第一步。而Box-Muller算法是产生高斯随算法是产生高斯随机变量的一个基本算法。机变量的一个基本算法。我们感兴趣的是实现这个变换,并且根据变换的点数评估其性能我们感兴趣的是实现这个变换,并且根据变换的点数评估其性能令令13第13页,本讲稿共64页N=10000次的结果次的结果14第14页,本讲稿共64页lclear all%be saf
9、eln=input(Enter number of points );lvarR=3;%set pdf parameterlu=rand(1,n);%generate Uly_exp=sqrt(-2*varR*log(u);%transformationlN_samp,r=hist(y_exp,20);%get histogram parameterslsubplot(2,1,1)lbar(r,N_samp,1)%plot histogramlylabel(Number of Samples)lxlabel(Independent Variable-x)lsubplot(2,1,2)lterm
10、1=r.*r/2/varR;%exponentlray=(r/varR).*exp(-term1);%Rayleigh pdfldel_r=r(3)-r(2);%determine bin widthlp_hist=N_samp/n/del_r;%probability from histogramlplot(r,ray,k,r,p_hist,ok)%compare resultslylabel(Probability Density)lxlabel(Independent Variable-x)llegend(true pdf,samples from histogram,1)15第15页,
11、本讲稿共64页7.3.2 直方图法直方图法l假设有一组通过实验测得的数据假设有一组通过实验测得的数据l尽管尽管pdf可由数据的直方图近似,但可由数据的直方图近似,但pdf和和CDF都未知都未知l?如何开发出一种算法,来产生一组样本点使之如何开发出一种算法,来产生一组样本点使之与实验数据具有相似的与实验数据具有相似的pdf。l第一步是产生实验数据的直方图,就大体知道了第一步是产生实验数据的直方图,就大体知道了pdf和和CDF,运用逆变换方法。,运用逆变换方法。l这里变换方法的简单扩展。这里变换方法的简单扩展。16第16页,本讲稿共64页l样本值落在直方图第个直方(样本值落在直方图第个直方(bin
12、)上的概率为)上的概率为 17第17页,本讲稿共64页l在在x点处估算的点处估算的CDF值可表示为值可表示为where其中其中U是均匀随机变量是均匀随机变量 18第18页,本讲稿共64页求取所需随机数发生器的算法可求取所需随机数发生器的算法可分为以下三步实现分为以下三步实现 l1从一个能产生(从一个能产生(0,1)区间均匀分布的随机数发生器中取)区间均匀分布的随机数发生器中取出样本,产生随机变量出样本,产生随机变量U。l2确定满足如下条件的值。确定满足如下条件的值。l3根据式(根据式(7-51)产生)产生X,并将返回给主调程序(,并将返回给主调程序(Calling Program)。)。l随机
13、数发生器的重视精度显然取决于对应直方图的精度,随机数发生器的重视精度显然取决于对应直方图的精度,而直方图的精度又取决于可获得的样本数目。而直方图的精度又取决于可获得的样本数目。19第19页,本讲稿共64页7.3.3 舍弃法舍弃法 l用于产生具有期望或用于产生具有期望或“目标目标”pdf的随机变量的舍弃(或接受)方法的随机变量的舍弃(或接受)方法l用函数用函数Mgx(x)界定目标)界定目标pdf,这里,这里gx(x)表示一个易于产生的随机变量的表示一个易于产生的随机变量的pdf,M是一个满足下式的适当大的常数是一个满足下式的适当大的常数.全部全部 x在最简单的形式下,在最简单的形式下,gx(x)
14、均匀分布在均匀分布在(0,a)区间。如果目标区间。如果目标pdf在在(0,a)以外为以外为零,则有零,则有20第20页,本讲稿共64页l由于由于Mgx(x)界定界定fx(x),在上式中,在上式中21第21页,本讲稿共64页用于产生用于产生pdf为为fx(x)的随机变量算的随机变量算法包括以下四步:法包括以下四步:l1产生在产生在(0,1)上均匀分布的上均匀分布的U1和和U2。l2产生在产生在(0,a)上均匀分布的上均匀分布的V1,其中,其中a是是X的最大值。的最大值。l3产生在(产生在(0,b)上均匀分布的)上均匀分布的V2,其中,其中b不小于不小于fx(x)的最大值。的最大值。l4如果如果
15、,令,令X=V1;如果不等式不满足,则丢弃;如果不等式不满足,则丢弃V1和和V2,从第一步开始重复以上过程。,从第一步开始重复以上过程。l以上算法产生的随机变量具有目标以上算法产生的随机变量具有目标pdf fx(x)。22第22页,本讲稿共64页l因为因为V1和和V2都是均匀分布,所以样本对产生的点等概率地分布于都是均匀分布,所以样本对产生的点等概率地分布于ab区域内任何位置。区域内任何位置。V1的接受概率等于的接受概率等于fx(x)所覆盖的部分在区域所覆盖的部分在区域ab所占比所占比重,即图重,即图7-10阴影部分跟总面积的比值,因此有阴影部分跟总面积的比值,因此有由概率密度函数的定义,上式
16、中分子等于由概率密度函数的定义,上式中分子等于1,于是有:,于是有:因此有因此有23第23页,本讲稿共64页例例7-9 将上述方法应用于以下将上述方法应用于以下pdf:l令令24第24页,本讲稿共64页lR=7;%default value of RlM=4/pi;%value of MlN=input(Input number of points N );%set Nlfx=zeros(1,N);%array of output sampleslu1=rand(1,N);u2=rand(1,N);%generate u1 and u2lv1=R*u1;%generate v1lv2=(M/R
17、)*rand(1,N);%generate v2(g(x)lkpts=0;%initialize counterlfor k=1:Nl if v2(k)(M/(R*R)*sqrt(R*R-v1(k)*v1(k);l kpts=kpts+1;%increment counterl fx(kpts)=v1(k);%save output samplel endlend25第25页,本讲稿共64页lfx=fx(1:kpts);lN_samp,x=hist(fx,20);%get histogram parameterslsubplot(2,1,1)lbar(x,N_samp,1)%plot hist
18、ogramlylabel(Number of Samples)lxlabel(Independent Variable-x)lsubplot(2,1,2)lyt=(M/R/R)*sqrt(R*R-x.*x);%calculate pdfldel_x=x(3)-x(2);%determine bin widthlp_hist=N_samp/kpts/del_x;%probability from histogramlplot(x,yt,k,x,p_hist,ok)%comparelylabel(Probability Density)lxlabel(Independent Variable-x)
19、llegend(true pdf,samples from histogram,3)ltext=The number of points accepted is,.l num2str(kpts,15),and N is,num2str(N,15),.;ldisp(text)26第26页,本讲稿共64页Result27第27页,本讲稿共64页7.4产生不相关的高斯随机变量产生不相关的高斯随机变量 l在通信系统中经常会碰到高斯随机变量在通信系统中经常会碰到高斯随机变量l 热噪声和许多其他现象的模型热噪声和许多其他现象的模型l在很多仿真中,高斯噪声发生器都是一个基本的构建在很多仿真中,高斯噪声发生器
20、都是一个基本的构建模块,因此,目前已研究出了多种产生高斯随机变量模块,因此,目前已研究出了多种产生高斯随机变量的方法。高斯随机变量的的方法。高斯随机变量的CDF为:为:由于高斯函数不能写成闭合形式,所以无法使用逆变换方法,可以用舍由于高斯函数不能写成闭合形式,所以无法使用逆变换方法,可以用舍弃法,但效率不高,因此,需要寻找其他方法来产生高斯随机变量。弃法,但效率不高,因此,需要寻找其他方法来产生高斯随机变量。28第28页,本讲稿共64页7.4.1 均匀变量求和法均匀变量求和法 l中心极限定理(中心极限定理(central limit theorem,CLT)l在很广义的条件下,当时,个独立随机
21、变量之和在很广义的条件下,当时,个独立随机变量之和的的pdf 收敛为高斯随机变量的收敛为高斯随机变量的pdf。其中其中B是常量,决定是常量,决定Y的方差的方差 29第29页,本讲稿共64页l可以由此求得可以由此求得Y的方差。设各随机变量是相的方差。设各随机变量是相互独立的互独立的时要折中考虑速度与所得时要折中考虑速度与所得pdf拖尾的精度,拖尾的精度,通常通常N取取12,因为这会给出简单结果。,因为这会给出简单结果。30第30页,本讲稿共64页讨论讨论l因为因为 的变化范围是的变化范围是1/2从到从到 l可知值可知值Y在在-BN/2到到BN/2 l如果仿真数字通信系统的目的是确定误码率,此时如
22、果仿真数字通信系统的目的是确定误码率,此时pdf的拖尾的拖尾是十分重要的,因为是十分重要的,因为pdf 的拖尾表示导致传输差错的大噪的拖尾表示导致传输差错的大噪声。声。l若取得足够大,对若取得足够大,对pdf进行截尾所带来的影响可以减到很小。进行截尾所带来的影响可以减到很小。31第31页,本讲稿共64页l因此因此“近似高斯近似高斯”pdf被截短后,只在以下区被截短后,只在以下区间内取非零值间内取非零值32第32页,本讲稿共64页7.4.2 瑞利随机变量到高斯随机变量的映射瑞利随机变量到高斯随机变量的映射 l由例由例7-8可知,通过变换式可知,通过变换式 可由均匀随机变量产生瑞利随机可由均匀随机
23、变量产生瑞利随机变量变量R。l瑞利随机变量映射为高斯随机变量瑞利随机变量映射为高斯随机变量l设有两个独立的高斯随机变量设有两个独立的高斯随机变量X和和Y,具有相同的方差,具有相同的方差2 2 l由于和相互独立,联合概率密度函数等于边缘概率密度函数的乘积。由于和相互独立,联合概率密度函数等于边缘概率密度函数的乘积。令令33第33页,本讲稿共64页l通过以下变换可由通过以下变换可由 求得联合概率密度求得联合概率密度函数函数 ;34第34页,本讲稿共64页l化简化简R的的pdf为为 可以看出可以看出R是一个瑞利随机变量,是一个瑞利随机变量,是一个均匀随机变量。是一个均匀随机变量。由于瑞利随机变量可由
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