通信工程教學(xué)實踐環(huán)節(jié)中仿真技術(shù)的應(yīng)用

邵玉斌 龍 華 劉增力 向鳳紅

[摘要]論述了通信仿真技術(shù)應(yīng)用的必要性和應(yīng)用范圍，討論了仿真技術(shù)在通信工程專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用方法，并總結(jié)了通信工程專業(yè)在教學(xué)科研中應(yīng)用仿真技術(shù)的一些經(jīng)驗，為進一步拓展仿真技術(shù)在通信與電子工程領(lǐng)域的教學(xué)應(yīng)用提出了建議。

[關(guān)鍵詞]仿真技術(shù)；通信工程；仿真軟件工具

[中圖分類號]G40—057

[文獻標識碼]A

[論文編號]1009—8097(2009)13—0309—03

一仿真在現(xiàn)代通信技術(shù)中已成為重要的工程設(shè)計手段

隨著通信技術(shù)和計算機技術(shù)的進步，通信系統(tǒng)仿真技術(shù)已經(jīng)逐漸成為通信系統(tǒng)設(shè)計和驗證的主要手段。近二十年以來，數(shù)字信號處理方法和軟件無線電技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的設(shè)計手段和設(shè)計方法已經(jīng)不能適應(yīng)急劇增加的通信系統(tǒng)復(fù)雜性的要求。今天，如果沒有計算機仿真方法，系統(tǒng)設(shè)計和性能測試是不可能完成的。

傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)設(shè)計中，主要考慮的是對熱噪聲的性能指標問題。傳輸信道一般建模為加性高斯信道，性能指標的評估采用傳統(tǒng)的解析計算方法就可勝任。然而，許多現(xiàn)代通信系統(tǒng)，尤其是工作環(huán)境十分復(fù)雜的無線電通信系統(tǒng)和抗干擾通信系統(tǒng)中，其工作頻率在數(shù)千兆頻帶，電磁波傳播特性也十分復(fù)雜，衰落和多徑效應(yīng)成為系統(tǒng)設(shè)計主要問題。相應(yīng)接收機的復(fù)雜性大大提高：例如復(fù)雜的同步算法，信道估計和符號檢測，RAKE體系結(jié)構(gòu)以及非線性系統(tǒng)在現(xiàn)代無線電通信中被廣泛采用。對此，傳統(tǒng)的理論解析分析方法都不再總是有效的，對于現(xiàn)代通信系統(tǒng)而言，仿真方法是必需的設(shè)計和分析手段。

現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性行為也是必須采用仿真方法研究的原因。傳統(tǒng)的排隊理論和運籌學(xué)可以解決對簡單通信信息流量模型的性能分析和計算問題，但是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性已經(jīng)遠遠超出了傳統(tǒng)數(shù)學(xué)的分析能力。為了快速、便捷而且準確地對通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能做出評估，采用基于事件的離散事件仿真方法幾乎是唯一的選擇。采用仿真方法可以避免理論性能分析的障礙，通過系統(tǒng)建模，參數(shù)選擇和調(diào)整，能夠迅速得出系統(tǒng)在模擬真實環(huán)境中的行為表現(xiàn)，從而對所應(yīng)用的信號處理算法、通信協(xié)議做出評估和改進。

微處理器和數(shù)字信號處理芯片技術(shù)的進步在硬件上保證了現(xiàn)代通信系統(tǒng)的實現(xiàn)問題，在此背景下，算法和協(xié)議的軟件實現(xiàn)越來越成為系統(tǒng)功能實現(xiàn)的主要手段。仿真中應(yīng)用的算法和真實系統(tǒng)中的功能實現(xiàn)算法已經(jīng)融合。同時現(xiàn)代微型計算機的處理能力大大超過了數(shù)年之前的大型計算機，已經(jīng)基本能夠滿足通信仿真軟件和仿真數(shù)值計算對計算機運算能力和存儲空間的需要。現(xiàn)在，在整個通信業(yè)界，基于仿真技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計分析已經(jīng)被廣泛采用，成為研究新理論，開發(fā)新技術(shù)的主流方法。掌握仿真技術(shù)也是通信業(yè)界所必需的技能之一。

二仿真技術(shù)是現(xiàn)代通信實驗必不可少的環(huán)節(jié)

學(xué)習(xí)和研究現(xiàn)代通信技術(shù)是一個理論與實踐相結(jié)合的過程。在通信工程實踐環(huán)節(jié)中，仿真技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。透過仿真技術(shù)，通信工程專業(yè)的學(xué)生可以學(xué)習(xí)和研究比傳統(tǒng)通信理論所研究的對象更為復(fù)雜，更為接近真實工作環(huán)境的通信模型。而在傳統(tǒng)理論框架中，系統(tǒng)模型必須加以簡化才能得出解析結(jié)果。另外，利用仿真技術(shù)可以十分方便地修改系統(tǒng)參數(shù)，并且可以很快評估這些參數(shù)變化對系統(tǒng)整體性能的影響。隨著交互式仿真環(huán)境的成熟，設(shè)計者利用簡單的程序編寫和系統(tǒng)方框圖建模方法就可以模擬出復(fù)雜系統(tǒng)的工作行為，這樣，通信工程師就能夠?qū)⒅饕性谕ㄐ畔到y(tǒng)的設(shè)計和本身改進的關(guān)注上，而不需將精力浪費在仿真程序，的編程技巧和調(diào)試上。

在復(fù)雜工作環(huán)境中，通信系統(tǒng)性能研究的基礎(chǔ)是對傳輸信道的建模仿真問題。因此，信道仿真也就成為了系統(tǒng)評估中所必需的。同時，為了適應(yīng)復(fù)雜的和時變的傳輸環(huán)境，現(xiàn)代通信系統(tǒng)的信號處理算法趨于復(fù)雜化。例如采用信道估計自適應(yīng)算法，多天線技術(shù)，智能天線波束成形算法，CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的多用戶檢測算法，正交多載波調(diào)制算法，信道編解碼算法等等。這些技術(shù)的實現(xiàn)必須依靠高速信號處理芯片和軟件實現(xiàn)。對算法在實際通信環(huán)境中的適應(yīng)性驗證和評估就必須借助于仿真來完成。

現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，通信協(xié)議設(shè)計和驗證幾乎都是基于仿真技術(shù)的。為了保證通信的實時性和利用效率，現(xiàn)代通信系統(tǒng)中提出了各種復(fù)雜的具有層次結(jié)構(gòu)的通信協(xié)議，從而構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)。排隊理論和運籌學(xué)只能對通信協(xié)議做出簡化的性能估算，與實際系統(tǒng)中的運行往往存在較大差別。由于實際系統(tǒng)行為的復(fù)雜性，解析分析幾乎是不可能的，因此，對通信協(xié)議在實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的評價就成為了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真分析的主要任務(wù)。

現(xiàn)代通信系統(tǒng)的實現(xiàn)也是基于仿真技術(shù)的。通信功能的軟件化實現(xiàn)、通信節(jié)點傳輸行為的智能化以及軟件無線電技術(shù)本身是計算機技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合的結(jié)果。通信系統(tǒng)的電路級設(shè)計已經(jīng)從基于純硬件集成電路的模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥删幊踢壿嬈骷榫幊虒ο蟮腣HDL軟件編程映射模式。VHDL程序設(shè)計和調(diào)試都是以仿真方法完成的。在系統(tǒng)級設(shè)計中，系統(tǒng)仿真和系統(tǒng)實現(xiàn)是統(tǒng)一的，仿真算法可以直接映射為DSP的實現(xiàn)代碼。而在更高層的協(xié)議級設(shè)計中，通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真代碼也就是協(xié)議實現(xiàn)的核心代碼。軟件無線電技術(shù)使得通信信號處理方法得到廣泛應(yīng)用，在基帶信號處理中可以通過軟件實現(xiàn)信號處理變換，得出射頻波束成形，預(yù)編碼，自適應(yīng)均衡，自適應(yīng)數(shù)字調(diào)制，解調(diào)，信道編解碼，信源編解碼，信息安全算法等等，而對這些算法的仿真算法和實現(xiàn)算法相同，代碼可以直接應(yīng)用于實際系統(tǒng)中。

現(xiàn)代通信系統(tǒng)的測試設(shè)備價格高昂，而且，實際工作中的通信系統(tǒng)往往具有不可測試特性。例如，對營運中的通信網(wǎng)絡(luò)性能測試對于高校學(xué)生來說是幾乎不可能的，也是營運通信網(wǎng)絡(luò)所不允許的。但另一方面，對于通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)的研究是必須有實踐對象的，在這種情況下，通信仿真和網(wǎng)絡(luò)仿真是就必然成為唯一的選擇。

總之，現(xiàn)代通信系統(tǒng)是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)，對現(xiàn)代通信技術(shù)的學(xué)習(xí)和研究必須采用現(xiàn)代系統(tǒng)論的觀點和方法。現(xiàn)代系統(tǒng)論指出，復(fù)雜巨系統(tǒng)往往是非線性系統(tǒng)，對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模已屬不易，對所建立的數(shù)學(xué)模型進行解析分析計算基本上是不可能的。對復(fù)雜巨系統(tǒng)的研究，關(guān)鍵在于把握系統(tǒng)在外界環(huán)境中的交互行為和系統(tǒng)狀態(tài)的變化。對于計算機仿真來說，可以充分利用計算機的數(shù)值計算能力，在解析計算十分困難的情況下，采用相對簡易的數(shù)值計算獲得工程上可用的結(jié)果。工程設(shè)計的目的是得出符合實際的結(jié)果，在這個意義上來說，仿真方法是一條捷徑。

三仿真是培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)造性思維、建立理論與實踐結(jié)合的橋梁

通信工程專業(yè)對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，除了傳統(tǒng)微積分知識之外，還要求具有積分變換，概率論和隨機過程、信息論的基本知識，排隊論和離散數(shù)學(xué)的基本知識等等。通信工程專業(yè)課程都是建立在這些數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之上的。對通信工程本科學(xué)生的學(xué)習(xí)調(diào)查結(jié)果顯示，大多數(shù)學(xué)生是出于對就業(yè)前景憧憬和單純向往選擇了該專業(yè)的。他們對通信工程專業(yè)的

技術(shù)素質(zhì)要求和未來從事的工作性質(zhì)并不十分了解。于是，雖然學(xué)生有很高的學(xué)習(xí)熱情，但又普遍存在著對數(shù)理基礎(chǔ)知識的輕視和畏懼。抽象的理論和工程實際脫節(jié)是本專業(yè)面臨的教學(xué)困境之一：一方面通信系統(tǒng)的復(fù)雜性使得實驗室不可能擁有系統(tǒng)級實驗環(huán)境，另一方面通信工程的實際工作環(huán)境正是對系統(tǒng)級的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計、運營和維護。如果把通信工程比喻為有血有肉活生生的人，那么通信理論就好比是人的骨架。如此，學(xué)生對學(xué)習(xí)理論知識的畏懼心理就是可以理解的了。如何在通信理論這個骨架上附著血肉，將專業(yè)知識作為活生生的技術(shù)事物展現(xiàn)給學(xué)生，是專業(yè)課程教師必須思考的問題。學(xué)習(xí)興趣是通過教學(xué)藝術(shù)培養(yǎng)出來的，教學(xué)藝術(shù)不是空洞的，而是具體的適應(yīng)與專業(yè)特征的方法。學(xué)習(xí)心理學(xué)指出。對于學(xué)習(xí)成效而言，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣比刻苦精神重要得多。

在多年探索中，我們發(fā)現(xiàn)，對于通信工程專業(yè)的教學(xué)實踐，通信仿真方法較成功地成為了理論聯(lián)系實踐的橋梁。首先，仿真方法將純粹的數(shù)學(xué)理論知識通過計算機轉(zhuǎn)化為生動的數(shù)學(xué)實驗，成為理論實驗的有效工具。利用仿真方法，通過數(shù)值計算得出生動的曲線圖表，學(xué)生可以從中理解數(shù)學(xué)理論的實際內(nèi)涵，從而加深對理論知識的理解和掌握。重建學(xué)習(xí)的興趣。其次，仿真建模分析可以通過相對簡單的仿真過程去對比理論解析結(jié)果，將抽象的理論模型通過仿真實現(xiàn)為具體的可以進行行為調(diào)試的軟通信機。通過仿真建模過程，學(xué)生既對理論分析有了深入的認識，同時也清楚了實際通信系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)參數(shù)對通信機性能指標的影響。例如，對調(diào)制解調(diào)的波形及其頻域分析使得學(xué)生能夠直觀地感受到調(diào)制解調(diào)的作用，噪聲對傳輸?shù)挠绊懸约案道锶~分析的應(yīng)用：對糾錯編解碼的仿真可以直接測試出編碼的抗干擾能力；而對信道和通信收發(fā)信機的仿真可以得出信號噪聲功率比對系統(tǒng)傳輸差錯率的曲線關(guān)系，并可比較各種調(diào)制制式的性能。這樣，通過仿真實驗將通信理論的核心問題實例化，從而深刻理解理論本身的實質(zhì)和意義。通過系統(tǒng)仿真，學(xué)生可以從理論到數(shù)學(xué)建模，再到計算機建模和仿真，在得出結(jié)果的過程中，從建模過程和實驗結(jié)果中體會通信系統(tǒng)的實質(zhì)。經(jīng)過這樣的過程，學(xué)生就不再視通信系統(tǒng)是抽象的死的東西。

大學(xué)教育不僅僅是對專業(yè)知識的灌輸，專業(yè)教育應(yīng)更加重視創(chuàng)造力的培養(yǎng)。沒有適當(dāng)?shù)膶嵺`手段和方法，是很難有效地培養(yǎng)創(chuàng)造性，利用仿真手段，學(xué)生可以將其頭腦中利用專業(yè)基礎(chǔ)知識和創(chuàng)造靈感得到的系統(tǒng)模型在計算機中加以實現(xiàn)，創(chuàng)造性地構(gòu)建通信系統(tǒng)，驗證其思想，不斷總結(jié)工程經(jīng)驗，驗證系統(tǒng)行為的過程，如此反復(fù)，會使得學(xué)習(xí)的主動性大大提高。創(chuàng)造能力也就在這一生動的實踐活動中逐步培養(yǎng)得以形成。

通信仿真實驗是對傳統(tǒng)硬件軟件實驗的綜合和升華。對于通信工程的學(xué)生，具備基本的電子技術(shù)知識是十分重要的，尤其是電子技術(shù)的實踐經(jīng)驗對于專業(yè)學(xué)習(xí)和未來的工作能力起著關(guān)鍵作用。電路模塊是通信系統(tǒng)的構(gòu)成元素，線性系統(tǒng)是電路的功能模型，而信號處理則是線性系統(tǒng)理論的應(yīng)用提升。通信工程專業(yè)是一門系統(tǒng)級的工程學(xué)科，通信系統(tǒng)就是通過通信協(xié)議聯(lián)系起來的以信號處理為功能實體的復(fù)雜系統(tǒng)。從層次上，只有對傳統(tǒng)的硬件和軟件具有實踐經(jīng)驗的人才能夠真正理解通信系統(tǒng)，也才能在系統(tǒng)仿真中把握物理實質(zhì)。通信仿真實驗通常是系統(tǒng)級的，即把通信系統(tǒng)模塊視為功能模塊。以協(xié)議聯(lián)系這些模塊，仿真就是考察系統(tǒng)行為的過程。

四現(xiàn)代通信仿真技術(shù)的層次和軟件需求

根據(jù)仿真對象的不同，相應(yīng)的仿真手段、方法和適用的軟件也有所不同。隨著仿真技術(shù)在通信領(lǐng)域的推廣，在通信技術(shù)的各層次都產(chǎn)生了相應(yīng)的仿真工具。通信技術(shù)從底至上，大體可以劃分為：電路系統(tǒng)、功能模塊、通信系統(tǒng)方框圖以及通信網(wǎng)絡(luò)等幾個層次。

在電路系統(tǒng)層次，工程目標是設(shè)計滿足要求的電路系統(tǒng)，對于模擬電路，如設(shè)計放大器、頻率綜合器、鎖相環(huán)、變頻、調(diào)制解調(diào)器等等。對于數(shù)字電路，如各種時序邏輯電路、偽隨機碼發(fā)生器、編解碼器等等。在電路系統(tǒng)層次的設(shè)計關(guān)鍵是電路拓撲設(shè)計和電參數(shù)選擇。仿真語言Pspice可以勝任模擬電路領(lǐng)域的設(shè)計和仿真問題，集成了Pspice語言的可視化仿真軟件眾多，常用的有EWB、ORCAD、Protel DXP以及最新的Altium(Protel)EDA設(shè)計軟件。其中EWB簡單易用，目前已經(jīng)廣泛用于模擬電路課程教學(xué)和實驗中，0RCAD和Protel DXP是電路設(shè)計的專業(yè)軟件，從電路原理圖設(shè)計、原理圖級仿真到印制板圖生成和印制板級仿真都可完成，Altium(Protel)EDA設(shè)計軟件則逐漸成為了現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計中從芯片開發(fā)、板級設(shè)計、電磁兼容到機電一體化設(shè)計整個環(huán)節(jié)的統(tǒng)一仿真設(shè)計平臺。數(shù)字電路的設(shè)計現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)入了大規(guī)模可編程邏輯器件時代，主要以VHDL語言作為軟件設(shè)計語言，不同廠商為其產(chǎn)品提供了相應(yīng)的設(shè)計和仿真平臺，如Max-Plus Ⅱ等等。對于數(shù)字信號處理芯片(DSP)的設(shè)計，也有廠商提供的編程仿真環(huán)境可用，如T1的DSP編程仿真平臺CCS，可完成編程、軟件仿真和目標板硬件仿真直到代碼下載全過程。功能模塊層次的仿真任務(wù)是解決通信功能模塊的輸入輸出參數(shù)指標設(shè)計問題，也包括模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和算法問題。如電磁傳播環(huán)境仿真、信道均衡，波形估計和信號參數(shù)估計，智能天線、編碼調(diào)制等等。在通信系統(tǒng)方框圖層次的任務(wù)是根據(jù)設(shè)計目標構(gòu)建通信系統(tǒng)，包括發(fā)信機、信道以及收信機。仿真目標是研究整個通信系統(tǒng)在使用信道環(huán)境下的適應(yīng)性，如傳輸差錯率性能，抗干擾性能等等。

適用于功能模塊層次和通信系統(tǒng)方框圖層次的仿真軟件眾多，有Matlab／Simulink，Scilab和SystemView等等。其中，SystemView是通信系統(tǒng)專用的系統(tǒng)級仿真軟件，軟件模塊庫提供了全面的通信系統(tǒng)模塊，完成可視化模塊建模后立即可得出仿真結(jié)果。Matlab／Simulink則是較為通用的系統(tǒng)仿真和科學(xué)計算平臺，幾乎所有理工學(xué)科的仿真實驗和數(shù)值計算均可在該平臺上完成。Matlab通過編程可完成算法仿真，Simulink是Matlab的擴展，是可視化方框圖建模仿真工具。Matlab提供了C／C++編譯和C／C++語言的接口，其信號處理工具箱還提供了DSP代碼翻譯接口，將仿真和算法實現(xiàn)統(tǒng)一起來。Scilab是法國國立信息與自動化研究院INRIA開發(fā)的一個開放源碼的免費科學(xué)計算仿真軟件，與Matlab相兼容。

在通信網(wǎng)絡(luò)層次的仿真問題以通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真為主，主要以網(wǎng)絡(luò)信息流量和阻塞率指標為參數(shù)。廣為采用的仿真平臺有OPNET和NS，OPNET是商用專業(yè)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，工作于Windows平臺，在C++編譯器的支持下，可進行從廣域到局域，有線到無線的全網(wǎng)絡(luò)仿真。NS是Linux下的開源軟件，也是廣為應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。

五實踐效果評價和建議

在通信工程專業(yè)教學(xué)中，我們建立了通信仿真實驗室，以Matlab／Simulink和OPNET為主要仿真工具，在專業(yè)課程實驗、課程設(shè)計、實習(xí)以及畢業(yè)設(shè)計中應(yīng)用了系統(tǒng)仿真的方法。在大學(xué)二年級階段，開設(shè)了Matlab語言基礎(chǔ)課程，系統(tǒng)介紹了這一科學(xué)計算和系統(tǒng)仿真工具，在專業(yè)課程前期開設(shè)了通信系統(tǒng)仿真課程，以Matlab和OPNET為工具介紹了通信系統(tǒng)仿真的基本思想、仿真方法論和實踐。在課程實驗和課程設(shè)計中鼓勵學(xué)生創(chuàng)造新系統(tǒng)并得出仿真結(jié)果。通過畢業(yè)設(shè)計課題對仿真應(yīng)用加以升華。通過多層次的仿真技術(shù)教學(xué)實踐活動的開展，學(xué)生的編程能力和通信系統(tǒng)思想得到了很大提高。

在實踐教學(xué)中，我們認為，仿真技術(shù)的應(yīng)用是以電路硬件實驗作為基礎(chǔ)的。沒有一定數(shù)量的電路實驗和硬件平臺實驗的支撐，仿真技術(shù)只能是空中樓閣。系統(tǒng)論是仿真技術(shù)方法論的基礎(chǔ)，軟件無線電技術(shù)和通信信號處理技術(shù)作為仿真技術(shù)的應(yīng)用背景，也起著重要作用。所以仿真技術(shù)的應(yīng)用不是單純是軟件應(yīng)用問題，而是一個綜合的學(xué)科建設(shè)問題。只有從通信工程學(xué)科的高度，從通信工程學(xué)科內(nèi)在要求來認識和應(yīng)用仿真技術(shù)才能起到好的作用。