Simulink 在“通信原理”課程中的應用

周維龍 羅 飛 聶 輝

（湖南工業大學，湖南 株洲 412008）

0 引言

《通信原理》這門課程是電子信息工程類專業一門重要的專業核心課，也是《衛星通信》、《光纖通信》等后續專業課的基礎，因此許多學校將《通信原理》列為通信類專業研究生入學考試的必考科目。而這門課的特點是：要求數學基礎扎實，這門課以《概率論與數理統計》、《隨機過程》、《信號與系統》和《高頻電子線路》等課程為基礎，該課程涉及的知識面廣，公式和數學推導較多，而且概念和原理抽象、深奧，學生學習起來普遍感覺吃力[1]。是一門理論性與實踐性都比較強的課程。在教學和實驗過程中，為了更好地將理論教學和實踐相結合，把系統性能與參數之間關系形象的展現，可利用Matlab/Simulink軟件強大的仿真功能和豐富的專業工具箱，設計構建通信原理仿真模型，使得通信系統的設計和分析過程變得相對直觀和便捷，有助于學生更好地理解通信系統性能。學生還可利用通信系統仿真廣泛的適應性和極好的靈活性，通過對現有通信系統模型的研究，結合所學專業知識，編寫相應的仿真程序，自主設計電子通信仿真系統。[2]

1 Simulink與“通信原理”課程教學

Simulink作為Matlab語言上的一個可視化建模仿真平臺，起源于對自動控制系統的仿真需求，它采用方框圖建模的形式，更加貼近于工程習慣。隨著Matlab/Simulink通信、信號處理專業函數庫和專業工具的成熟，它們逐漸為廣大通信技術領域的專家學者和工程師所熟悉，在通信理論研究、算法設計、系統設計、建模仿真和性能分析驗證等方面的應用也更加廣泛。非常適合應用于“通信原理”課程教學中。其主要特點有：

（1）豐富的可擴充的預定義模塊庫；

（2）交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖；

（3）以設計功能的層次性來分割模型，實現對復雜設計的管理；

（4）通過Model Explorer 導航、創建、配置、搜索模型中的任意信號、參數、屬性，生成模型代碼；

（5）提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成；

（6）使用Embedded MATLAB? 模塊在Simulink和嵌入式系統執行中調用MATLAB算法；

（7）使用定步長或變步長運行仿真，根據仿真模式(Normal，Accelerator，Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型；

（8）圖形化的調試器和剖析器來檢查仿真結果，診斷設計的性能和異常行為；

（9）可訪問MATLAB從而對結果進行分析與可視化，定制建模環境，定義信號參數和測試數據；

（10）模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤。

根據通信系統的組成和通信原理課程進度安排，利用simulink構建的通信仿真系統可分為三部分：基本通信模塊的設計、通信系統的搭建、綜合仿真系統?；就ㄐ拍K根據通信系統構架，結合課堂理論知識點，將整體系統分成不同模塊，分別介紹各個組成部分功能指標，主要用于課堂教學中基本概念、定理的演示。通信系統模塊將基本模塊有機組合，構建完整的通信系統，對模擬、數字通信系統進行仿真，分析系統特性參數，主要用于課堂教學和實驗教學中。有一定的理論基礎和簡單通信仿真系統搭建經驗后，學生可自主設計綜合通信系統，完成相應課程設計和畢業設計。

2 Simulink仿真訓練的必要性與可行性

在發達國家的主流理工大學里，MATLAB已經成為一門必修課程。而在國內外的科研機構、大型公司企業的計算部門里，MATLAB也是最普遍的仿真計算工具?？梢姡砉た茖W生熟練掌握MATLAB這門語言，無論對其學習還是工作都是十分必要的。

在課程教學中，通過MATLABMATLAB/Simulink的形象化展示，可以引導學生理解物理概念和掌握基本原理，使學生對書本理論的理解更為直觀和透徹；在課后學習及實驗過程中，通過基于MATLAB的仿真編程訓練，可以使學生充分掌握所學知識，更深入理解相關理論，從而使學生學習更具主動性，更有創造性。因此，為了鍛煉學生對MATLAB軟件的使用能力，在“通信原理”課程中有針對性地開展MATLAB/Simulink仿真訓練，變抽象為具體，變枯燥為生動，激發學生學習興趣，達到切實提高課程教學質量的目的，是有其必要性的[3]。

當前，湖南工業大學以及大部分高校都已建成多媒體教室和計算機開放實驗中心，每個學生寢室平均都有一臺以上的電腦，硬件條件已經成熟。從理工科本科教學的實際情況來看，學生在學習“通信原理”課程時已經具有基本的計算機編程能力。如果將MATLAB/Simulink軟件與教學相結合，學生在對新的編程軟件快速上手的同時，還能對基本理論有更直觀的認識。授課老師也可以充分利用它來輔助理論教學和實驗教學?？偟膩碚f，在教學中引入MATLAB/Simulink仿真訓練無疑是完全可行的。

3 擴頻調制系統的建模與仿真

3.1 擴頻調制實現方法[4]

擴頻調制通常的實現方式是將一個待擴頻的信號與一個擴頻碼在時域相乘，實現框圖如圖 1示。其中 Signal_in為窄帶信號，經過擴頻后，得到Signal_out為寬帶信號。接收時，經過解擴乘以相同的PN碼，恢復出窄帶信號。而傳輸過程中加入的干擾，在解擴時相當于進行了擴頻，大大降低了干擾信號的頻譜密度，從而達到抗干擾的目的。

圖1 擴頻調制原理框圖

3.2 擴頻調制的建模與仿真

由圖1可得，擴頻調制由信號源，PN碼發生器以及乘法器等三個部分組成，為設計簡單，可直接采用Bernoulli Binary Generator模塊作為信號源，PN Sequence Generator模塊和Unipolar to Bipolar Converter模塊共同構成PN碼產生器，其仿真模型如圖2所示[5]。在Matlab/Simulink中建立一個M文件，并調出相應的模塊，構成如圖2所示電路圖，對各模塊的參數進行相應的設置后，便可進行仿真，運行結束后，雙擊模塊中的“Compare”示波器，可觀察到輸入信號和輸出信號的波形，如圖3所示，頻譜示波器Base-Band中顯示的是擴頻調制前的頻譜圖，如圖4所示；頻譜示波器PN中顯示的是擴頻調制后的頻譜圖，如圖5所示。

圖2 擴頻調制仿真模型

圖3 擴頻調制前后信號波形圖

從圖4、圖5中可以看出，擴頻調制后，信號的頻譜擴展了大約255倍。設置仿真參數時，將PN碼長度設定為255 bit，理論上可以將頻譜擴展255倍，可以看出仿真結果與理論計算完全相符。[6]

圖4 擴頻調制前頻譜圖

圖5 擴頻調制后序列的頻譜圖

4 結束語

筆者在電子信息工程專業07、08、09級通信原理課程教學中，采用Matlab/Simulink對一些典型通信系統進行建模與仿真，使學生鞏固了課堂上所學的理論知識，加深了對通信原理中的基本概念、基本原理、基本分析方法的理解、掌握與運用。使學生在學好通信原理這門課程的同時，也掌握了Matlab/Simulink的運用，為他們在后續課程的學生，打下了堅實的基礎。

[1]朱穎莉,王建敏,劉玉瑩.《通信原理》課程教學改革探索[J].南昌高專學報,2011,(1):122-123.

[2]鄧紅濤,查志華,張銳敏.Simulink在通信原理教學中的綜合應用[J].教育教學論壇,2012(3):211-212.

[3]穆宏慧.《通信原理》教學方法改革方案[J].現代企業教育,2012,(1):27.

[4]趙琳,邵敏敏.基于Simulink的數字通信系統的建模與仿真[J].計算機工作程應用技術,2009,(9):7812-7814.

[5]邵玉斌.MATLAB/Simulink通信系統建模與仿真實例分析[M].北京:清華大學出版社,2008.

[6]趙剛.擴頻通信系統實用實用仿真技術[M]北京:國防工業出版社,2009.