通信原理實驗教學中的仿真軟件應用

王文娟李緒凱張天輝陶杰

（1軍械工程學院 河北 石家莊 053000）

（2中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081）

通信原理實驗教學中的仿真軟件應用

王文娟1李緒凱2張天輝1陶杰1

（1軍械工程學院 河北 石家莊 053000）

（2中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081）

圍繞現有的通信原理實驗教學情況及實訓平臺的不足，提出了基于Matlab/Simulink、SystemView、LabVIEW及ModelSim四種仿真軟件的實驗體系，依據軟件各自的特點給出應用范圍，并以各仿真軟件的經典實例進行列舉說明。仿真軟件的高度靈活性彌補了實訓平臺的缺陷，提高了實驗的設計性和趣味性，極大地豐富了實驗項目。結果表明，開設的通信仿真實驗教學效果良好，學生學習積極性高，具有很好的推廣和借鑒價值。

通信原理實驗教學軟件仿真Matlab/Simulink SystemView LabVIEW ModelSim

1 引言

《通信原理》[1]作為電子信息類和通信工程類學科的專業必修課程，為之后的通信新技術、光纖通信、衛星通信技術及通信網等應用課程提供理論基礎，其概念抽象不易理解、涉及知識面廣和技術發展快，實驗作為一個由理論到應用最直接有效的手段，可以使得抽象的概念具體化，生硬的內容形象化。

在通信原理的實驗教學中，傳統模式是基于實驗箱的實體實驗，為驗證性實驗和綜合類實驗的開設提供條件。隨著新型通信技術的不斷出現，實訓平臺受到硬件本身的制約往往滯后于技術發展，滿足不了教學需要。而軟件仿真的應用，能夠很好的彌補實體實驗的不足，提高實驗的設計性和趣味性，利用對原理的深入認識，同時能夠激發學生對各類仿真軟件的學習熱情，培養學生的創造性思維和勇于探索的精神。目前各高校使用的通信仿真實驗軟件主要包括Matlab/Simulink、System View、LabVIEW及ModelSim。下面通過分析仿真軟件

特點和具體的應用舉例，說明其在實驗教學中的應用。

2 Matlab/Simulink通信仿真實驗

M atlab是一種功能強大的科學計算和工程仿真軟件，擅長數據分析和處理，提供了一個集成化的工作環境。Simulink是M atlab提供的用于動態系統建模、仿真和分析的一種交互性仿真平臺，包含諸如通信模塊庫、CDMA參考模塊庫和DSP模塊庫等許多專業模型庫，可提供豐富的功能模塊，用戶只要用鼠標對模塊框圖進行簡單拖拉就可構造出復雜的仿真系統。

利用M atlab直接編程生成.m文件方式，方便學生實現簡單信號的圖形繪制，例如模擬調制信號和二進制數字調制信號等。Simulink充分利用Matlab強大的計算功能，仿真工具直觀方便，可以在仿真過程中實時地修正系統模塊的參數，并能夠實時地顯示當前的仿真結果。

下面以GMSK為例說明其應用。GMSK[2]（高斯最小頻移鍵控）是從MSK調制的基礎上發展起來的一種高效的數字調制技術，與MSK相比，頻帶更窄，頻譜更光滑，實現起來更簡單，抗干擾能力更強。因此，GMSK調制廣泛應用于調頻通信中。通過Matlab/Simulink可很方便地搭建系統模型，觀察GMSK信號的波形。通過編寫相應的M文件代碼使學生掌握信噪比SNR及BT值的產生變化及其對誤碼率影響的分析方法，理解GMSK頻譜特性改善以犧牲誤碼率為代價的含義，進而掌握調制解調基本原理，BT=0.3時GMSK系統仿真的誤碼率和信噪比的關系曲線圖如圖1所示。

圖1 GMSK系統的誤碼率和信噪比的關系曲線

Matlab/Simulink搭建系統快，通過改變各部分參數進行調試較為方便。但是其仿真界面的可讀性差，要求學生對整個系統的原理和參數設置十分清楚，因此Matlab/Simulink主要適用于構造比較復雜的系統模型，例如多進制數字頻帶傳輸系統仿真和CDMA系統仿真等。另外，封裝的模塊也不利于學生對內部電路級原理的學習。

3 System View通信仿真實驗

System View是各高校通信原理實驗應用較多的一種仿真軟件，本室已建成包括模擬調制系統、數字頻帶傳輸、同步原理和擴頻通信等在內的30多項仿真實驗。其中，部分仿真實驗與對應的實體實驗同步進行，其他為單獨安排實驗或課外實驗。

System View[3]是一個完整的動態系統設計、仿真和分析的可視化設計環境，能夠滿足從數字信號處理、濾波器設計和復雜的通信系統等不同層次的仿真設計要求。不同于M atlab針對電子通信系統模塊的系統級仿真，System View是一個信號級的系統仿真軟件。用戶只需要關心項目的設計思想和過程，從圖標庫中調出所需的圖標，雙擊鼠標設置其參數，然后完成圖標間的連線即可完成復雜系統的建模、設計和測試。點擊圖標不必擔心程序中是否存在錯誤，同時它的分析窗口可根據系統運行情況實時的顯示信號波形，繪制時域曲線和頻譜圖及眼圖，還可進行誤碼率的測試等。

多進制鍵控體制中，相位鍵控占用帶寬小，比特信噪比要求小。但是隨著進制數M的增大，相鄰相位的距離逐漸減小，噪聲容限隨之減小，接收時錯判的概率增大。為了改善M大時的噪聲容限，發展出了正交振幅調制QAM[4]。QAM以其較高的頻帶利用率以及較好的信噪比，在有線電視（下行）和數字地面廣播中得到廣泛的應用。利用System View搭建QAM的調制解調仿真電路，通過對仿真過程中各模塊參數的設置和對系統的實時測試和評估，使學生對系統產生直觀的印象，方便對QAM系統性能的分析，QAM系統仿真的信號頻譜圖如圖2所示。

圖1 基于視頻優先級的隊列調度算法

4 LabVIEW通信仿真實驗

LabVIEW[5]是N I推出的虛擬儀器開發平臺軟件，作為G語言的杰出代表，采用圖形模式的結構框圖構建程序代碼，編

好的程序是框圖的形式。利用強大的虛擬儀器開發環境，可以設計許多性能完善和功能強大的虛擬儀器；應用LabVIEW實現通信原理虛擬實驗系統的教學環節，為通信原理實驗教學實施提供新的途徑，與軟件仿真實驗和硬件實驗組成三位一體的實驗教學體系；另外，通過外接數據采集卡，甚至通過網絡化構建更高層次的實驗平臺。

LabVIEW的編程方法易學易用，學生可在短時間內掌握并用于實踐。LabVIEW程序主要包括前面板和程序框圖。前面板即人機界面（用戶界面），提供了許多與真實儀器類似的控件，如設置和觀察數值，顯示波形、圖標和文本等。程序框圖即語言編寫，LabVIEW的圖形化源代碼類似于流程圖，因此又被稱為程序框圖。

基于LabVIEW的通信原理實驗平臺可以設計信號分析、模擬調制系統和數字調制系統等實驗。另外可以使用LabVIEW搭建系統級的仿真軟件，在2010年第六屆N I高校教師交流會上，就有人利用LabVIEW搭建模擬的通信原理實驗室，在此實驗平臺上可以進行模擬調制、數字調制、信道復用和信道噪聲等多個類別的實驗項目，方便教師授課和學生理解。

5 ModelSim通信仿真實驗

M odelSim是M entor Graphics公司開發的EDA工具軟件，主要針對IC設計的仿真階段，能提供友好的仿真環境，是業界唯一的單內核支持VHDL[6]和Verlog混合仿真的仿真器。編譯仿真速度快，圖形界面和用戶接口為用戶調錯提供強有力的手段，是FPGA/ASIC設計的首選仿真軟件。在通信仿真實驗中，可以應用M odelSim繪制差錯控制編碼波形。

編解碼內容主要依靠的是數學基礎，矩陣之間的變換過程不方便用硬件電路來體現，而且實驗的直觀性不強，因此要求學生動手編寫程序，通過仿真軟件實現，有利于學生對編碼原理及應用有較深刻的理解。（2,1,2）卷積碼編解碼VHDL在M odelSim中的仿真實現如圖3所示。

6 結束語

通信原理實驗中軟件仿真平臺的引入，極大地改善了實訓平臺的局限性，增強實驗的可行性和多樣性。需要指出的是，文中提到了4種仿真軟件只是作為通信實驗仿真軟件選擇的一種參考，另外每個人的編程習慣不同，在實際應用中，根據需要選擇其中1～2種熟悉的軟件使用即可。本學期開設的通信仿真實驗課程，不僅加深了學生對理論知識的理解，而且提高學習積極性，激發創新思維，達到了良好的教學效果。同時也意識到，作為新時期的教育工作者，應從多方面吸取知識，不斷更新教學手段，豐富教學內容，才能將教學水平提高到新的層次。

[1]樊昌信,曹麗娜．通信原理[M]．北京：國防工業出版社,2008．

[2]閆云斌,全厚德,崔佩璋．GMSK調頻通信干擾模式分析及仿真[J]．計算機測量與控制,2011,19(12)：3082-3084．

[3]羅衛兵．動態系統分析及通信系統仿真設計[M]．西安：西安電子科技大學出版社,2002．

[4]田竹梅，李艷萍．基于SYSTEMVIEW的QAM調制與解調的仿真研究[J]．長春師范學院學報：自然科學版,2010,29 (4)：50-53．

[5]陳樹學,劉萱．LabVIEW寶典[M]．北京：電子工業出版社, 2011．

[6]劉燎原．基于VHDL語言的漢明碼編碼器和譯碼器的設計[J]．安徽職業技術學院學報,2006(12)：5-7．

App lication of Sim ulation Softw are in Experim ental Teaching o f Comm unication Princip le

WANGW en-juan1LIXu-kai2ZHANG Tian-hui1 TAO Jie1
(1 PLA College ofO rdnance Engineering,Shijiazhuang Hebei,050003,China)（2 The 54th Research Institute ofCETC,Shijiazhuang Hebei050081,China)

Aim ing at the current experiment teaching situation of communication principle and the defectsof training platforms,this paper proposes the new experimental system based on 4 kindsof simulation software such asMatlab/Simulink,SystemView,LabVIEW and ModelSim,presents the application scopesbased on their characteristicsand illustrates their classic examples.The high flexibility of simulation software remedies the defectsof training platforms,improves the design and interesting ofexperimentsand greatly enriches the laboratory projects.The results show that the effectsof communication simulation experiment teaching are good,improves the learning initiative ofstudents,and ithasagood promotion and reference value.

communication principle;experimental teaching;software simulation;Matlab/Simulink;SystemView;LabVIEW; ModelSim

圖3 (2,1,2)卷積碼編碼輸出波形

TP391

A

1008-1739（2014）13-59-3

定稿日期：2014-06-12