基于Simulink的基帶通信系統(tǒng)教學方法探究

李國權

摘 要 通信原理是一門理論性較強的課程，經(jīng)過學習學生可以主要掌握通信系統(tǒng)物理層傳輸技術的相關基礎理論，但對其實際實現(xiàn)的技術細節(jié)和實現(xiàn)方法仍不能具體了解。考慮到目前物理層主要采用中頻數(shù)字化實現(xiàn)，通信系統(tǒng)基帶部分調(diào)制解調(diào)算法的設計與仿真顯得尤為重要。本文基于模塊化的仿真工具Simulink，重新設計通信原理實驗內(nèi)容，探索通過四個項目使學生完整了解通信系統(tǒng)基帶部分模型的搭建、參數(shù)設置和性能評估方法，實現(xiàn)理論教學和實踐的緊密結合。

關鍵詞 通信系統(tǒng) Simulink 教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2014）08-0001-02

通信原理是現(xiàn)代通信技術的基礎理論課，是通信與信息類專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎課，主要介紹通信系統(tǒng)物理層傳輸技術的基本概念和基本理論以及實現(xiàn)方法等。為了更好地將理論教學和實踐相結合，加深學生對知識的清楚理解和靈活運用，在理論教學的同時一般會安排有實驗教學。大體上說，實驗教學往往是采用通信原理實驗箱的方式，來了解通信信號的產(chǎn)生、傳輸和接收的整個流程，使學生直觀了解到一個基本的通信系統(tǒng)的完整工作流程，激發(fā)學生學習的興趣。但由于實驗箱上的實驗大多都是驗證性的實驗，學生仍然不能夠了解每個部分的內(nèi)部實現(xiàn)細節(jié)，也不能夠了解目前通信系統(tǒng)實現(xiàn)中常用的技術方法。近年來數(shù)字通信技術迅猛發(fā)展，物理層傳輸實現(xiàn)時常采用基帶調(diào)制解調(diào)結合數(shù)字上下變頻的方式實現(xiàn)中頻數(shù)字化發(fā)射和接收，因此基帶數(shù)字調(diào)制解調(diào)算法的設計和仿真尤為重要。本文考慮到實驗教學學時的有限性，探討利用Simulink仿真工具進行基帶通信系統(tǒng)仿真建模的教學內(nèi)容設計和教學方法改進。

一、認識和學習Simulink，了解通信系統(tǒng)仿真常用庫模塊的使用

Matlab或者Simulink是通信系統(tǒng)仿真較為常用的仿真工具，其中Simulink是一個對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和綜合分析的集成軟件包，Simulink的模塊化或者說圖形化操作方式，相對于Matlab來說更容易被學生學習和接受。在Simulink環(huán)境中，用戶不僅可以觀察現(xiàn)實世界中非線性因素和各種隨機因素對系統(tǒng)行為的影響，而且也可以在仿真進程中改變感興趣的參數(shù)，實時地觀察系統(tǒng)行為的變化，因此已在許多領域，如通信、信號處理、電力、金融、生物系統(tǒng)等獲得重要應用。對信息類專業(yè)的學生來說，無論是學習專業(yè)課程或相關課程設計，還是在今后的工作中，Simulink都是一個重要的仿真建模工具。

Simulink常用模塊均以庫的方式給出，將需要的模塊從庫中拖動到新建文件中，并將各模塊根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞蛴镁€進行連接，再設置各個模塊的參數(shù)即可進行仿真。對通信系統(tǒng)仿真來說，主要用到Simulink基本庫，通信系統(tǒng)工具箱和數(shù)字信號處理工具箱。通信系統(tǒng)工具箱涵蓋了基帶通信系統(tǒng)的各個部分，包括信號源、濾波器、各種數(shù)字基帶調(diào)制解調(diào)、信道編譯碼等模塊，能夠基本滿足通信系統(tǒng)仿真的各種需求。因此在正式進行實驗內(nèi)容教學之前，可以對Simulink的基本使用方法和仿真流程進行一個演示，但考慮到庫模塊較多并且實驗學時有限，不可能每個模塊都進行詳細的說明，可撰寫一個Simulink庫模塊以及Simulink使用的說明文檔，重點標注經(jīng)常用到的模塊，給同學們在課下進行學習或者實驗過程中進行查閱。

二、合理設計實驗內(nèi)容，由易到難，由部分到整體

為了在有限的實驗教學時間內(nèi)將基帶通信系統(tǒng)涉及到的各個組成部分全部呈現(xiàn)給學生，并讓學生掌握各模塊的參數(shù)設置方法和系統(tǒng)仿真方法，必須對實驗教學內(nèi)容進行精心設計。物理層處理的是二進制的比特流，因此仿真時采用一般的二進制隨機數(shù)發(fā)生器如伯努利產(chǎn)生器即可。Simulink庫中已經(jīng)提供了相關模塊，但對一個基帶通信系統(tǒng)來說，還包括信道編碼、成型濾波、調(diào)制解調(diào)、信道等組成部分，并且要考察搭建通信系統(tǒng)的性能，也需要掌握相應的性能評價方法（一般采用繪制誤比特率曲線的方法）。

為了更好地使學生接受，總體來說采用由易到難、由部分到整體的設計策略，設計以下四個實驗項目：數(shù)字基帶調(diào)制信號的產(chǎn)生、數(shù)字基帶調(diào)制信號的星座與頻譜、卷積編譯碼的性能仿真、卷積編碼的QPSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真。數(shù)字基帶調(diào)制信號的產(chǎn)生主要學習常用的數(shù)字基帶調(diào)制信號如BPSK、QPSK、QAM以及GMSK信號的產(chǎn)生方法，并對比輸入同樣二進制隨機信號情況下輸出調(diào)制信號的符號速率。第二個項目主要學習數(shù)字調(diào)制信號的過采樣，以及矩形脈沖和升余弦脈沖成型濾波器的設置方法，并使用Simulink庫提供的星座圖示波器和頻譜儀來觀察對比不同調(diào)制信號采用兩種濾波器成型時的星座圖和頻譜圖，進而比較信號源具有相同比特速率的情況下各調(diào)制信號的頻譜和占用帶寬情況。第三個項目主要學習卷積編碼器和維特比譯碼器模塊參數(shù)的設置方法。為了考察卷積編碼器的性能，需要加入信道模塊，學習信噪比參數(shù)的設置方法以及不同信噪比情況下誤比特率的計算方法，最終繪制誤比特率曲線來展示編譯碼性能。第四個項目綜合前面幾部分的內(nèi)容，同時又增加了解調(diào)部分，實現(xiàn)一個QPSK基帶調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真及性能分析。四個實驗項目難度依次遞增，層次分明，并涵蓋了需要學習的各部分內(nèi)容。教學實踐證明，學生普遍顯示出比較濃厚的興趣，能夠達到讓學生掌握基帶通信系統(tǒng)仿真和分析的最終目的。

三、改革教學方法和考核方式，激發(fā)學生興趣

實驗內(nèi)容確定以后，也需要采取一定的教學方法，而考核方式也會影響學生學習的積極性，因此，需要對教學方法和考核方式做出一定的改變。以往的實驗課程采取教師先對實驗內(nèi)容進行講解演示，然后學生進行練習，最終教師進行檢查的教學方法。這種方式優(yōu)點是教師講解較為詳細，但是學生一般不需要深入進去，只需依葫蘆畫瓢即可完成實驗內(nèi)容。此外，所有學生實驗內(nèi)容完全一致，學生的惰性也容易發(fā)揮作用，只要一個學生完成實驗，其他同學拷貝一份應付教師檢查，上交的實驗報告也是互相抄襲，千篇一律，實驗教學效果較差。綜合考慮，可以首先利用兩個學時的時間對Simulink的使用方法和常用庫模塊給學生進行介紹和演示，并讓學生簡單練習；然后在每次開展實驗項目之前，對涉及到的通信原理知識點進行復習講解；接下來學生開展實驗項目，增加學生實驗主動性；最后教師再進行演示并集中回答學生在實驗過程中遇到的問題。此種方式充分利用了學生對未知問題的求解欲望，因此教學效果也更好。另外為了杜絕考核驗收中的抄襲現(xiàn)象，可以采取實驗內(nèi)容跟學生個人信息綁定的策略，每位同學實驗內(nèi)容和實驗結果均不相同，增強了對學生的約束力。在此基礎上，考慮到最后一個實驗項目是綜合性的，而且每位同學實驗參數(shù)不同，可取消平時檢查，采取上交最后一個實驗項目報告的方式作為考核依據(jù)。

參考文獻：

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[3]蔣青，于秀蘭.通信原理（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2008.

（責任編輯 劉 馨）