基于Simulink的通信原理課程教學(xué)探討

摘 要 針對通信原理課程理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的特點(diǎn)，提出將Simulink仿真工具引入到教學(xué)過程的思路。本文給出了2FSK數(shù)字傳輸系統(tǒng)的Simulink仿真過程，觀察了傳輸系統(tǒng)各時(shí)間點(diǎn)動(dòng)態(tài)的時(shí)域波形圖、分析了系統(tǒng)在不同噪聲情況下的眼圖和誤碼率性能。實(shí)踐表明，利用Simulink進(jìn)行通信原理教學(xué)，可使得通信系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和分析過程更加直觀和生動(dòng)。

關(guān)鍵詞 通信原理 Simulink 系統(tǒng)仿真 2FSK

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

通信原理是通信與電子類專業(yè)的主干專業(yè)課程之一，它上承信號(hào)與系統(tǒng)、電子電路、數(shù)字信號(hào)處理等課程，下啟無線通信、光纖通信、數(shù)據(jù)通信等，是一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程有著內(nèi)容豐富，原理性、邏輯性、綜合性強(qiáng)，且抽象概念多，不易理解等特點(diǎn)，是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程。①②多年的教學(xué)實(shí)踐表明，傳統(tǒng)的教學(xué)方式——課堂教學(xué)結(jié)合簡單的硬件實(shí)驗(yàn)，很難滿足教學(xué)的要求，因此有必要尋求一種新型的教學(xué)配套方式，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，能夠直觀形象地觀察通信系統(tǒng)的運(yùn)行過程和整體性能，以促進(jìn)理論知識(shí)的掌握。

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一個(gè)用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。③它提供了一種圖形化的交互環(huán)境，只需要輕輕拖動(dòng)鼠標(biāo)就可以迅速建立起系統(tǒng)的框架模型，甚至不需要編寫一行代碼。而且Simulink除了基本的模塊庫以外，還提供專用模塊庫，如Communications Blockset、Signal Processing Blockset等，這使得Simulink可以非常方便地應(yīng)用于通信原理課程。④

1 基于Simulink的2FSK通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)包括基帶數(shù)字傳輸系統(tǒng)和頻帶數(shù)字傳輸系統(tǒng)，常見的通信系統(tǒng)多屬于后者。基本的數(shù)字調(diào)制方式包括2ASK、2FSK和2PSK，只有熟練地掌握這幾種基本的調(diào)制方式，才能進(jìn)一步學(xué)習(xí)和了解一些更新的現(xiàn)代調(diào)制技術(shù)。通信原理的課堂教學(xué)對數(shù)字調(diào)制的基本理論進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，但繁雜的公式推導(dǎo)、相似的框圖和靜態(tài)的理論分析，讓學(xué)生難以深刻地系統(tǒng)地掌握調(diào)制理論。采用仿真軟件Simulink與課堂教學(xué)結(jié)合，既可以讓學(xué)生深入地掌握理論，又可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。

下面以稍微復(fù)雜的2FSK調(diào)制系統(tǒng)為例，通過Simulink對系統(tǒng)的調(diào)制、解調(diào)和抗噪性能進(jìn)行仿真。

1.1 系統(tǒng)建模與仿真

建立模型之前，要求學(xué)生先掌握2FSK的調(diào)制解調(diào)理論，根據(jù)所選的調(diào)制解調(diào)方式畫出完整的系統(tǒng)框圖，然后再從Simulink模塊庫中選擇相應(yīng)的功能模塊完成系統(tǒng)的仿真。本文的2FSK系統(tǒng)采用開關(guān)法調(diào)制、包絡(luò)解調(diào)法解調(diào)來構(gòu)建系統(tǒng)模型，系統(tǒng)的Simulink仿真框圖如圖1所示。系統(tǒng)通過加入高斯白噪聲模擬信道噪聲對系統(tǒng)的影響。在仿真過程中，通常要求學(xué)生將系統(tǒng)分成幾部分，分步進(jìn)行仿真。如2FSK系統(tǒng)可以依次分成調(diào)制、信道加噪、解調(diào)和系統(tǒng)性能分析幾部分，學(xué)生可先仿真調(diào)制部分，通過加入示波器觀看波形確保調(diào)制正確，再進(jìn)行下一步加噪、解調(diào)等，這樣可以減少調(diào)試的復(fù)雜度和工作量。另外需要注意的是，信源是基帶隨機(jī)信號(hào)，應(yīng)該選取Bernoulli二進(jìn)制隨機(jī)信號(hào)產(chǎn)生器，有些同學(xué)選擇方波產(chǎn)生器，產(chǎn)生周期性方波信號(hào)作為信源，是不對的。

1.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置是系統(tǒng)仿真非常重要的一部分，光有正確的系統(tǒng)仿真框圖而不能合理地設(shè)置參數(shù)，同樣得不到正確的仿真結(jié)果。在使用Simulink輔助教學(xué)的過程中，發(fā)現(xiàn)很多同學(xué)對濾波器參數(shù)和采樣頻率的設(shè)置很迷惑，這仍然是理論知識(shí)掌握不深刻之過。參數(shù)要以系統(tǒng)的觀念來設(shè)置，首先需要確定的是基帶信號(hào)的碼元傳輸速率和兩個(gè)載波頻率，最基本的原則是載波頻率都要大于調(diào)制信號(hào)頻率，然后根據(jù)這幾個(gè)參數(shù)分析基帶信號(hào)的帶寬和已調(diào)信號(hào)的帶寬，來確定解調(diào)時(shí)濾波器的通帶，其中低通濾波器的截止頻率由基帶信號(hào)帶寬決定，兩路帶通濾波器的中心頻率由各自的載波頻率決定，帶寬則為基帶信號(hào)帶寬的兩倍。在其它一些仿真軟件如SystemView中，還有一個(gè)全局參數(shù)需要設(shè)置，那就是采樣頻率fs，設(shè)定后整個(gè)系統(tǒng)都使用相同的fs，在這種情況下，fs的設(shè)置需要參考系統(tǒng)中的最高頻率fm來設(shè)置，理論上要求fs≥2fm，但實(shí)際設(shè)置時(shí)通常會(huì)使fs>>2fm，但fs設(shè)太大了會(huì)使系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間過長，所以設(shè)置一個(gè)合理的fs很重要。在Simulink中，對采樣頻率參數(shù)的管理比較寬松，系統(tǒng)的每一個(gè)模塊都可以單獨(dú)設(shè)置fs，但我們希望學(xué)生在設(shè)置該類參數(shù)時(shí)仍然有一個(gè)全局的觀念。

1.3 仿真波形

圖2給出了該2FSK系統(tǒng)的部分仿真波形。其中第一路信號(hào)為基帶隨機(jī)信號(hào)，第二路為已調(diào)信號(hào)，第三路為加噪后的已調(diào)信號(hào)，第四路為解調(diào)時(shí)其中一路經(jīng)過帶通濾波后的信號(hào)，第五路為解調(diào)后恢復(fù)出來的基帶信號(hào)。可以看出，第五路和第一路信號(hào)之間除了有幾秒鐘的延時(shí)外，波形是完全吻合的。實(shí)際仿真時(shí)，可根據(jù)需要得到任何時(shí)刻的波形進(jìn)行分析。

1.4 系統(tǒng)性能分析

系統(tǒng)性能分析包括眼圖和誤碼率兩個(gè)部分。圖3和圖4分別給出了加入不同噪聲時(shí)眼圖和誤碼率的情況。信道高斯白噪聲參數(shù)的設(shè)置：①均值為0，方差為0.1，②均值為0，方差為1。為了更好地更客觀地分析系統(tǒng)，應(yīng)該在系統(tǒng)經(jīng)過較長時(shí)間運(yùn)行后觀測眼圖和誤碼率，此時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間應(yīng)設(shè)置較大（系統(tǒng)默認(rèn)值10s）。從圖3中可以看出，噪聲小時(shí)，眼圖中眼皮厚度較小，眼睛睜開較大，效果明顯好于噪聲大時(shí)。從圖4中可以看出，方差為0.1時(shí)誤碼率為0，而方差為1時(shí)，出現(xiàn)了12個(gè)誤碼，誤碼率約為1.2%。

通過仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以非常清楚地觀察到2FSK調(diào)制和解調(diào)信號(hào)在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)域波形的動(dòng)態(tài)產(chǎn)生過程，并通過自己進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置和性能分析進(jìn)一步加深對2FSK、以及其它數(shù)字調(diào)制方式的原理的理解，還可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

2 結(jié)論

本文通過使用Simulink對2FSK傳輸系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真與系統(tǒng)性能分析，研究了Simulink在通信原理教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)方式不同，將Simulink運(yùn)用到通信原理教學(xué)中，可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)同步，使得枯燥、抽象的理論教學(xué)與生動(dòng)形象的實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來。引入Simulink的方式還可以多樣化，既可以在理論教學(xué)過程中由老師邊講授邊演示，使理論分析的過程更加直觀便捷，也可以在講授完一個(gè)知識(shí)點(diǎn)后讓學(xué)生進(jìn)行同步的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，還可以在課堂教學(xué)結(jié)束后讓學(xué)生自行運(yùn)用所學(xué)知識(shí)完成包括建模、仿真、系統(tǒng)分析在內(nèi)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

注釋

① 樊昌信.通信原理教程（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

② 達(dá)新宇，陳樹新，等.通信原理教程（第2版）[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

③ 李賀冰，袁杰萍，孔俊霞.Simulink通信仿真教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

④ 李穎，朱伯立.Simulink系統(tǒng)建模與仿真基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.