通信工程教學實踐環節中仿真技術的應用

邵玉斌 龍 華 劉增力 向鳳紅

[摘要]論述了通信仿真技術應用的必要性和應用范圍，討論了仿真技術在通信工程專業實踐教學環節中的應用方法，并總結了通信工程專業在教學科研中應用仿真技術的一些經驗，為進一步拓展仿真技術在通信與電子工程領域的教學應用提出了建議。

[關鍵詞]仿真技術；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

一仿真在現代通信技術中已成為重要的工程設計手段

隨著通信技術和計算機技術的進步，通信系統仿真技術已經逐漸成為通信系統設計和驗證的主要手段。近二十年以來，數字信號處理方法和軟件無線電技術得到了廣泛應用，傳統的設計手段和設計方法已經不能適應急劇增加的通信系統復雜性的要求。今天，如果沒有計算機仿真方法，系統設計和性能測試是不可能完成的。

傳統的通信系統設計中，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的解析計算方法就可勝任。然而，許多現代通信系統，尤其是工作環境十分復雜的無線電通信系統和抗干擾通信系統中，其工作頻率在數千兆頻帶，電磁波傳播特性也十分復雜，衰落和多徑效應成為系統設計主要問題。相應接收機的復雜性大大提高：例如復雜的同步算法，信道估計和符號檢測，RAKE體系結構以及非線性系統在現代無線電通信中被廣泛采用。對此，傳統的理論解析分析方法都不再總是有效的，對于現代通信系統而言，仿真方法是必需的設計和分析手段。

現代通信網絡和網絡協議的復雜性行為也是必須采用仿真方法研究的原因。傳統的排隊理論和運籌學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，但是現代通信網絡協議的復雜性已經遠遠超出了傳統數學的分析能力。為了快速、便捷而且準確地對通信網絡協議性能做出評估，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，通過系統建模，參數選擇和調整，能夠迅速得出系統在模擬真實環境中的行為表現，從而對所應用的信號處理算法、通信協議做出評估和改進。

微處理器和數字信號處理芯片技術的進步在硬件上保證了現代通信系統的實現問題，在此背景下，算法和協議的軟件實現越來越成為系統功能實現的主要手段。仿真中應用的算法和真實系統中的功能實現算法已經融合。同時現代微型計算機的處理能力大大超過了數年之前的大型計算機，已經基本能夠滿足通信仿真軟件和仿真數值計算對計算機運算能力和存儲空間的需要。現在，在整個通信業界，基于仿真技術的系統設計分析已經被廣泛采用，成為研究新理論，開發新技術的主流方法。掌握仿真技術也是通信業界所必需的技能之一。

二仿真技術是現代通信實驗必不可少的環節

學習和研究現代通信技術是一個理論與實踐相結合的過程。在通信工程實踐環節中，仿真技術得到了廣泛的應用。透過仿真技術，通信工程專業的學生可以學習和研究比傳統通信理論所研究的對象更為復雜，更為接近真實工作環境的通信模型。而在傳統理論框架中，系統模型必須加以簡化才能得出解析結果。另外，利用仿真技術可以十分方便地修改系統參數，并且可以很快評估這些參數變化對系統整體性能的影響。隨著交互式仿真環境的成熟，設計者利用簡單的程序編寫和系統方框圖建模方法就可以模擬出復雜系統的工作行為，這樣，通信工程師就能夠將主要精力集中在通信系統的設計和本身改進的關注上，而不需將精力浪費在仿真程序，的編程技巧和調試上。

在復雜工作環境中，通信系統性能研究的基礎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評估中所必需的。同時，為了適應復雜的和時變的傳輸環境，現代通信系統的信號處理算法趨于復雜化。例如采用信道估計自適應算法，多天線技術，智能天線波束成形算法，CDMA蜂窩網絡中的多用戶檢測算法，正交多載波調制算法，信道編解碼算法等等。這些技術的實現必須依靠高速信號處理芯片和軟件實現。對算法在實際通信環境中的適應性驗證和評估就必須借助于仿真來完成。

現代通信系統中，通信協議設計和驗證幾乎都是基于仿真技術的。為了保證通信的實時性和利用效率，現代通信系統中提出了各種復雜的具有層次結構的通信協議，從而構成通信網絡。排隊理論和運籌學只能對通信協議做出簡化的性能估算，與實際系統中的運行往往存在較大差別。由于實際系統行為的復雜性，解析分析幾乎是不可能的，因此，對通信協議在實際網絡環境中的評價就成為了網絡協議仿真分析的主要任務。

現代通信系統的實現也是基于仿真技術的。通信功能的軟件化實現、通信節點傳輸行為的智能化以及軟件無線電技術本身是計算機技術和通信技術結合的結果。通信系統的電路級設計已經從基于純硬件集成電路的模式轉變為以可編程邏輯器件為編程對象的VHDL軟件編程映射模式。VHDL程序設計和調試都是以仿真方法完成的。在系統級設計中，系統仿真和系統實現是統一的，仿真算法可以直接映射為DSP的實現代碼。而在更高層的協議級設計中，通信網絡協議仿真代碼也就是協議實現的核心代碼。軟件無線電技術使得通信信號處理方法得到廣泛應用，在基帶信號處理中可以通過軟件實現信號處理變換，得出射頻波束成形，預編碼，自適應均衡，自適應數字調制，解調，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算法相同，代碼可以直接應用于實際系統中。

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

總之，現代通信系統是一個復雜巨系統，對現代通信技術的學習和研究必須采用現代系統論的觀點和方法。現代系統論指出，復雜巨系統往往是非線性系統，對系統的數學建模已屬不易，對所建立的數學模型進行解析分析計算基本上是不可能的。對復雜巨系統的研究，關鍵在于把握系統在外界環境中的交互行為和系統狀態的變化。對于計算機仿真來說，可以充分利用計算機的數值計算能力，在解析計算十分困難的情況下，采用相對簡易的數值計算獲得工程上可用的結果。工程設計的目的是得出符合實際的結果，在這個意義上來說，仿真方法是一條捷徑。

三仿真是培養學生的學習興趣、創造性思維、建立理論與實踐結合的橋梁

通信工程專業對學生的數學基礎要求高，除了傳統微積分知識之外，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，排隊論和離散數學的基本知識等等。通信工程專業課程都是建立在這些數學基礎之上的。對通信工程本科學生的學習調查結果顯示，大多數學生是出于對就業前景憧憬和單純向往選擇了該專業的。他們對通信工程專業的

技術素質要求和未來從事的工作性質并不十分了解。于是，雖然學生有很高的學習熱情，但又普遍存在著對數理基礎知識的輕視和畏懼。抽象的理論和工程實際脫節是本專業面臨的教學困境之一：一方面通信系統的復雜性使得實驗室不可能擁有系統級實驗環境，另一方面通信工程的實際工作環境正是對系統級的通信網絡設備的設計、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，學生對學習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，將專業知識作為活生生的技術事物展現給學生，是專業課程教師必須思考的問題。學習興趣是通過教學藝術培養出來的，教學藝術不是空洞的，而是具體的適應與專業特征的方法。學習心理學指出。對于學習成效而言，學生的學習興趣比刻苦精神重要得多。

在多年探索中，我們發現，對于通信工程專業的教學實踐，通信仿真方法較成功地成為了理論聯系實踐的橋梁。首先，仿真方法將純粹的數學理論知識通過計算機轉化為生動的數學實驗，成為理論實驗的有效工具。利用仿真方法，通過數值計算得出生動的曲線圖表，學生可以從中理解數學理論的實際內涵，從而加深對理論知識的理解和掌握。重建學習的興趣。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果，將抽象的理論模型通過仿真實現為具體的可以進行行為調試的軟通信機。通過仿真建模過程，學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的工作原理和系統參數對通信機性能指標的影響。例如，對調制解調的波形及其頻域分析使得學生能夠直觀地感受到調制解調的作用，噪聲對傳輸的影響以及傅里葉分析的應用：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信機的仿真可以得出信號噪聲功率比對系統傳輸差錯率的曲線關系，并可比較各種調制制式的性能。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和意義。通過系統仿真，學生可以從理論到數學建模，再到計算機建模和仿真，在得出結果的過程中，從建模過程和實驗結果中體會通信系統的實質。經過這樣的過程，學生就不再視通信系統是抽象的死的東西。

大學教育不僅僅是對專業知識的灌輸，專業教育應更加重視創造力的培養。沒有適當的實踐手段和方法，是很難有效地培養創造性，利用仿真手段，學生可以將其頭腦中利用專業基礎知識和創造靈感得到的系統模型在計算機中加以實現，創造性地構建通信系統，驗證其思想，不斷總結工程經驗，驗證系統行為的過程，如此反復，會使得學習的主動性大大提高。創造能力也就在這一生動的實踐活動中逐步培養得以形成。

通信仿真實驗是對傳統硬件軟件實驗的綜合和升華。對于通信工程的學生，具備基本的電子技術知識是十分重要的，尤其是電子技術的實踐經驗對于專業學習和未來的工作能力起著關鍵作用。電路模塊是通信系統的構成元素，線性系統是電路的功能模型，而信號處理則是線性系統理論的應用提升。通信工程專業是一門系統級的工程學科，通信系統就是通過通信協議聯系起來的以信號處理為功能實體的復雜系統。從層次上，只有對傳統的硬件和軟件具有實踐經驗的人才能夠真正理解通信系統，也才能在系統仿真中把握物理實質。通信仿真實驗通常是系統級的，即把通信系統模塊視為功能模塊。以協議聯系這些模塊，仿真就是考察系統行為的過程。

四現代通信仿真技術的層次和軟件需求

根據仿真對象的不同，相應的仿真手段、方法和適用的軟件也有所不同。隨著仿真技術在通信領域的推廣，在通信技術的各層次都產生了相應的仿真工具。通信技術從底至上，大體可以劃分為：電路系統、功能模塊、通信系統方框圖以及通信網絡等幾個層次。

在電路系統層次，工程目標是設計滿足要求的電路系統，對于模擬電路，如設計放大器、頻率綜合器、鎖相環、變頻、調制解調器等等。對于數字電路，如各種時序邏輯電路、偽隨機碼發生器、編解碼器等等。在電路系統層次的設計關鍵是電路拓撲設計和電參數選擇。仿真語言Pspice可以勝任模擬電路領域的設計和仿真問題，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設計軟件。其中EWB簡單易用，目前已經廣泛用于模擬電路課程教學和實驗中，0RCAD和Protel DXP是電路設計的專業軟件，從電路原理圖設計、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設計軟件則逐漸成為了現代電子系統設計中從芯片開發、板級設計、電磁兼容到機電一體化設計整個環節的統一仿真設計平臺。數字電路的設計現在已經轉入了大規模可編程邏輯器件時代，主要以VHDL語言作為軟件設計語言，不同廠商為其產品提供了相應的設計和仿真平臺，如Max-Plus Ⅱ等等。對于數字信號處理芯片(DSP)的設計，也有廠商提供的編程仿真環境可用，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是解決通信功能模塊的輸入輸出參數指標設計問題，也包括模塊內部的結構和算法問題。如電磁傳播環境仿真、信道均衡，波形估計和信號參數估計，智能天線、編碼調制等等。在通信系統方框圖層次的任務是根據設計目標構建通信系統，包括發信機、信道以及收信機。仿真目標是研究整個通信系統在使用信道環境下的適應性，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是通信系統專用的系統級仿真軟件，軟件模塊庫提供了全面的通信系統模塊，完成可視化模塊建模后立即可得出仿真結果。Matlab／Simulink則是較為通用的系統仿真和科學計算平臺，幾乎所有理工學科的仿真實驗和數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，將仿真和算法實現統一起來。Scilab是法國國立信息與自動化研究院INRIA開發的一個開放源碼的免費科學計算仿真軟件，與Matlab相兼容。

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

五實踐效果評價和建議

在通信工程專業教學中，我們建立了通信仿真實驗室，以Matlab／Simulink和OPNET為主要仿真工具，在專業課程實驗、課程設計、實習以及畢業設計中應用了系統仿真的方法。在大學二年級階段，開設了Matlab語言基礎課程，系統介紹了這一科學計算和系統仿真工具，在專業課程前期開設了通信系統仿真課程，以Matlab和OPNET為工具介紹了通信系統仿真的基本思想、仿真方法論和實踐。在課程實驗和課程設計中鼓勵學生創造新系統并得出仿真結果。通過畢業設計課題對仿真應用加以升華。通過多層次的仿真技術教學實踐活動的開展，學生的編程能力和通信系統思想得到了很大提高。

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