Simulink 在“通信原理”課程中的應用

周維龍 羅 飛 聶 輝

（湖南工業(yè)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(yè)一門重要的專業(yè)核心課，也是《衛(wèi)星通信》、《光纖通信》等后續(xù)專業(yè)課的基礎，因此許多學校將《通信原理》列為通信類專業(yè)研究生入學考試的必考科目。而這門課的特點是：要求數(shù)學基礎扎實，這門課以《概率論與數(shù)理統(tǒng)計》、《隨機過程》、《信號與系統(tǒng)》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(shù)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(tǒng)性能與參數(shù)之間關系形象的展現(xiàn)，可利用Matlab/Simulink軟件強大的仿真功能和豐富的專業(yè)工具箱，設計構建通信原理仿真模型，使得通信系統(tǒng)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(tǒng)性能。學生還可利用通信系統(tǒng)仿真廣泛的適應性和極好的靈活性，通過對現(xiàn)有通信系統(tǒng)模型的研究，結合所學專業(yè)知識，編寫相應的仿真程序，自主設計電子通信仿真系統(tǒng)。[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(tǒng)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(yè)函數(shù)庫和專業(yè)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(tǒng)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(xiàn)對復雜設計的管理；

（4）通過Model Explorer 導航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參數(shù)、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(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法；

（7）使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)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(diào)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(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)；

（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(jù)通信系統(tǒng)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(tǒng)可分為三部分：基本通信模塊的設計、通信系統(tǒng)的搭建、綜合仿真系統(tǒng)?；就ㄐ拍K根據(jù)通信系統(tǒng)構架，結合課堂理論知識點，將整體系統(tǒng)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(tǒng)模塊將基本模塊有機組合，構建完整的通信系統(tǒng)，對模擬、數(shù)字通信系統(tǒng)進行仿真，分析系統(tǒng)特性參數(shù)，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(tǒng)搭建經(jīng)驗后，學生可自主設計綜合通信系統(tǒng)，完成相應課程設計和畢業(yè)設計。

2 Simulink仿真訓練的必要性與可行性

在發(fā)達國家的主流理工大學里，MATLAB已經(jīng)成為一門必修課程。而在國內(nèi)外的科研機構、大型公司企業(yè)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(chuàng)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(fā)學生學習興趣，達到切實提高課程教學質(zhì)量的目的，是有其必要性的[3]。

當前，湖南工業(yè)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(jīng)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(jīng)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(diào)制系統(tǒng)的建模與仿真

3.1 擴頻調(diào)制實現(xiàn)方法[4]

擴頻調(diào)制通常的實現(xiàn)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(xiàn)框圖如圖 1示。其中 Signal_in為窄帶信號，經(jīng)過擴頻后，得到Signal_out為寬帶信號。接收時，經(jīng)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(diào)制原理框圖

3.2 擴頻調(diào)制的建模與仿真

由圖1可得，擴頻調(diào)制由信號源，PN碼發(fā)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(chǎn)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(diào)出相應的模塊，構成如圖2所示電路圖，對各模塊的參數(shù)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(diào)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(diào)制后的頻譜圖，如圖5所示。

圖2 擴頻調(diào)制仿真模型

圖3 擴頻調(diào)制前后信號波形圖

從圖4、圖5中可以看出，擴頻調(diào)制后，信號的頻譜擴展了大約255倍。設置仿真參數(shù)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(diào)制前頻譜圖

圖5 擴頻調(diào)制后序列的頻譜圖

4 結束語

筆者在電子信息工程專業(yè)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(tǒng)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(xù)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(xiàn)代企業(yè)教育,2012,(1):27.

[4]趙琳,邵敏敏.基于Simulink的數(shù)字通信系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)實用實用仿真技術[M]北京:國防工業(yè)出版社,2009.