Simulink在移動(dòng)通信教學(xué)中的應(yīng)用研究

朱家龍

摘 要：針對移動(dòng)通信課程理論性強(qiáng)、學(xué)生難以直觀理解等問題，提出應(yīng)用Simulink進(jìn)行輔助教學(xué)。文中以移動(dòng)通信中的瑞利衰落基礎(chǔ)理論為例，通過構(gòu)建Simulink仿真模型，輸出仿真結(jié)果，使學(xué)生形象生動(dòng)地體會(huì)瑞利衰落的變化規(guī)律。教學(xué)實(shí)踐表明，結(jié)合Simulink的教學(xué)方法有助于學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)移動(dòng)通信相關(guān)理論知識(shí)。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)通信;Simulink;輔助教學(xué);瑞利衰落;參數(shù)設(shè)置;仿真模型

中圖分類號(hào)：TP39;G642.0文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）12-0-02

0 引 言

移動(dòng)通信是電子信息類的一門主要專業(yè)課程，其課程與實(shí)踐密切相關(guān)，如目前使用的4G技術(shù)和正在建設(shè)的5G技術(shù)都在其講述范圍內(nèi)。現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展迅速且越來越復(fù)雜，這就給教師和學(xué)生帶來更多的難度。教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)該課程的內(nèi)容特點(diǎn)主要有：課程內(nèi)容與生活實(shí)際關(guān)系密切;知識(shí)抽象且學(xué)生很難理解;數(shù)學(xué)公式復(fù)雜，導(dǎo)致學(xué)生無法直觀認(rèn)知與了解[1-3]。通過Simulink的仿真實(shí)驗(yàn)，可以生動(dòng)形象地將復(fù)雜的原理轉(zhuǎn)化為直觀的模塊化系統(tǒng)模型。教師可以將建立好的原理模型在課堂上進(jìn)行演示與講解，學(xué)生也可自己進(jìn)行建模與仿真，加深對原理的理解與認(rèn)知，進(jìn)一步地提高學(xué)習(xí)效果。本文以移動(dòng)通信中瑞利衰落為例進(jìn)行闡述，證明Simulink在移動(dòng)通信教學(xué)中的實(shí)用性。

1 Simulink簡介

Simulink是一種集成在Matlab中的軟件包[4]，為Matlab提供新的控制系統(tǒng)模型輸入與仿真工具。該工具的主要功能為Simu（仿真）和Link（連接），主要用其對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真與分析。移動(dòng)通信是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的一類，其輸出信號(hào)隨時(shí)間變化而變化，要描述這種系統(tǒng)的特性，傳統(tǒng)教學(xué)方法是先對系統(tǒng)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行分析，得到其系統(tǒng)方程，然后直接簡述仿真結(jié)果。該教學(xué)方法存在一定的弊端：首先，不夠直觀，缺乏足夠的人機(jī)交互，推算的系統(tǒng)公式模型難以進(jìn)行直觀的描述與分析;其次，這種方法缺乏系統(tǒng)性，處理過程中難以采用模塊化，從而降低了教學(xué)的理解性。

Simulink為學(xué)生提供模塊化思維方式，將各個(gè)功能形成模塊，需要用到某一功能時(shí)可以直接使用，豐富的模塊庫可以幫助學(xué)生快速建立系統(tǒng)模型，學(xué)生只需使用鼠標(biāo)拖放不同模塊，將其連接起來形成系統(tǒng)。此外，Simulink中還有專用功能塊，如Communication Blockset，其為通信模塊，其中包含移動(dòng)通信用到的功能模塊。

2 基于Simulink的瑞利衰落教學(xué)的應(yīng)用

移動(dòng)通信課程的基礎(chǔ)章節(jié)主要有移動(dòng)通信網(wǎng)、移動(dòng)通信的電波傳播及數(shù)字調(diào)制技術(shù)等[5]。其中，移動(dòng)通信電波傳播中的瑞利衰落為移動(dòng)通信學(xué)習(xí)過程中比較難以理解的知識(shí)點(diǎn)，瑞利衰落的學(xué)習(xí)為學(xué)生理解移動(dòng)通信信道起著關(guān)鍵作用。

2.1 瑞利衰落基本原理

電波在傳輸過程中可能存在直射、反射、散射及繞射等現(xiàn)象，導(dǎo)致接收端接收的電波可能從不同路徑發(fā)射過來，因此接收機(jī)接收同一信號(hào)來自不同路徑電波時(shí)，其到達(dá)時(shí)間、相位及幅度均不相同，將多路電波進(jìn)行疊加，其信號(hào)將會(huì)發(fā)生畸變，信號(hào)幅度急劇變化，接收到的電波的包絡(luò)服從瑞利分布，因此稱其衰落為瑞利衰落[5]。

設(shè)發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)為正弦波Asin（ωct），接收機(jī)接收到的疊加信號(hào)模型為：

式中：Ri（t）為第i條路徑的接收信號(hào);φi（t）為第i條路徑的滯后相位。

假設(shè)噪聲為高斯白噪聲，σ為噪聲方差，r為接收信號(hào)的瞬時(shí)幅度，則包絡(luò)概率密度函數(shù)為：

相位概率密度函數(shù)為：

2.2 瑞利衰落信道的模型建立與仿真

根據(jù)瑞利衰落的基本原理，將瑞利衰落信道的模型用Simulink建立完成，構(gòu)建的瑞利衰落信道模型如圖1所示。

模型可以設(shè)置路徑數(shù)，以及每路傳輸路徑的延遲量與平均衰落減量。將模型搭建好后，學(xué)生通過更改模型中的模塊參數(shù)，可以測試不同的實(shí)驗(yàn)效果，該方式使學(xué)生容易理解及掌握瑞利衰落與各個(gè)模塊參數(shù)之間的規(guī)律。

在Random Integer Generator 中可以更改路徑數(shù)，本文將其設(shè)置為4;QPSK Modulator Baseband也需將對應(yīng)的路徑數(shù)更改為4路;Multipath Rayleigh Fading Channel 將最大多普勒頻移（Maximum Doppler Shift）設(shè)置為35 Hz，多普勒頻譜的類型（Doppler Spectrum Type）設(shè)置為Jakes。離散路徑延遲矢量為[0，1.5e-6，2.5e-6，3.5e-6]（s），對應(yīng)的平均路徑增益矢量為[0，-2.5，-4.5，-9.5]（dB），設(shè)置輸出信號(hào)增益矢量歸一化為0 dB。選擇路徑增益復(fù)矢量輸出端口項(xiàng)，使得瑞利衰落信道的輸出端口為兩路，其中一路用于計(jì)算輸出信號(hào)的交流功率，另一路用于計(jì)算瑞利分布的隨機(jī)數(shù)。

將構(gòu)建好的瑞利衰落模型進(jìn)行仿真，在矢量示波器上顯示動(dòng)態(tài)4路幅度統(tǒng)計(jì)分布，某一時(shí)刻矢量示波器4路幅度增益分布如圖2所示。

如圖2所示，學(xué)生可以直觀地觀察不同信道衰落類型的差異，并自行設(shè)置Multipath Rayleigh Fading Channel參數(shù)，觀察對比4路幅度增益分布與離散路徑延遲矢量及平均路徑增益矢量的關(guān)系，進(jìn)而深入了解瑞利衰落產(chǎn)生的原因。

通過瑞利衰落自身模塊所帶一個(gè)信道特性的可視化窗口，可以更加全面地了解瑞利衰落模型各個(gè)方面的特性，其具體內(nèi)容如圖3所示。

由上述構(gòu)建的瑞利衰落信道模型及其仿真結(jié)果可以看出，Simulink將復(fù)雜枯燥的原理轉(zhuǎn)變?yōu)樾蜗笊鷦?dòng)的圖形，從而使學(xué)生更加深刻地學(xué)習(xí)和認(rèn)知瑞利衰落相關(guān)知識(shí)，證明了該教學(xué)方法的實(shí)用性。

3 結(jié) 語

本文將Simulink應(yīng)用到移動(dòng)通信教學(xué)中，使枯燥的理論知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷦?dòng)的圖形，通過學(xué)生自己動(dòng)手構(gòu)建與參數(shù)設(shè)置，對知識(shí)點(diǎn)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。實(shí)際教學(xué)效果表明，該方式具有較好的實(shí)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

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