計(jì)算機(jī)仿真在《通信原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

王 凡

(電子科技大學(xué)中山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 中山，528400)

《通信原理》為電子信息工程、通信工程等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，涉及《信號(hào)與系統(tǒng)》《概率論》和《高頻電子線路》等多門先修課程，具有理論性和邏輯性較強(qiáng)、知識(shí)面廣、抽象概念多的特點(diǎn)［1］。在理論教學(xué)中一般是通過(guò)原理框圖得到數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型的分析從而得到通信的基本概念與重要結(jié)論。通信原理實(shí)驗(yàn)在通信原理重要結(jié)論的驗(yàn)證及通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面起著非常重要的作用，能鞏固學(xué)生在課堂上學(xué)到的理論知識(shí)，而且精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)會(huì)使學(xué)生的邏輯思維與動(dòng)手能力都得到很大提高。

1 基于實(shí)驗(yàn)箱的通信原理實(shí)驗(yàn)

在傳統(tǒng)的通信原理實(shí)驗(yàn)中多采用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行操作，采用示波器觀察實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)箱一般由多個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊相互獨(dú)立，完成不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。傳統(tǒng)通信原理實(shí)驗(yàn)箱布局如圖1所示。

在使用實(shí)驗(yàn)箱的過(guò)程中，一般需要配合直流穩(wěn)壓電源，在部分實(shí)驗(yàn)中還需用頻率計(jì)、低失真度低頻信號(hào)源、失真計(jì)與頻譜儀等［2］。但是，由于本課程的特點(diǎn)，在模擬現(xiàn)實(shí)情況下，實(shí)驗(yàn)波形大多存在不同程度的延時(shí)和失真，且實(shí)驗(yàn)波形又比較多。加上部分學(xué)生理論學(xué)習(xí)不夠扎實(shí)，缺乏對(duì)模擬電路及數(shù)字電路的分析、設(shè)計(jì)及調(diào)試能力，往往不能觀測(cè)和識(shí)別正確的波形，更不要說(shuō)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)分析。

圖1 傳統(tǒng)通信原理實(shí)驗(yàn)箱布局

2 基于計(jì)算機(jī)仿真的通信原理實(shí)驗(yàn)

通信系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真，就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)際電子通信系統(tǒng)的物理或者數(shù)學(xué)模型進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)這樣的模型試驗(yàn)來(lái)對(duì)一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的性能和工作狀態(tài)進(jìn)行分析和研究。

2.1 常用通信仿真軟件

SystemView是一個(gè)用于現(xiàn)代工程與科學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析平臺(tái)［3］。它具有以下優(yōu)點(diǎn):(l)強(qiáng)大的仿真設(shè)計(jì)功能;(2)豐富的庫(kù)資源，SystemView的基本庫(kù)中包括多種信號(hào)源、接收窗、加法器、乘法器、各種函數(shù)(包括多項(xiàng)式、三角函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、邏輯函數(shù)等常用函數(shù))運(yùn)算器等，它還帶有各種專業(yè)庫(kù)供選擇，如通信、邏輯、數(shù)字信號(hào)處理、射頻/模擬等;(3)開(kāi)放友好的用戶界面;(4)靈活的硬件設(shè)計(jì)接口，除了一般的方案論證外，SystemView還提供了與多種硬件設(shè)計(jì)工具的接口;(5)智能化的輔助設(shè)計(jì);(6)動(dòng)態(tài)的分析和后臺(tái)處理。Matlab是MathWorks公司開(kāi)發(fā)的跨平臺(tái)、用于矩陣數(shù)值計(jì)算的簡(jiǎn)單高效的數(shù)學(xué)語(yǔ)言。相對(duì)于其他的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，Matlab語(yǔ)言編程要簡(jiǎn)潔得多，編程語(yǔ)言更接近于數(shù)學(xué)描述，可讀性好，其強(qiáng)大的圖形功能與可視化數(shù)據(jù)處理能力是其他高級(jí)語(yǔ)言無(wú)法比擬的［4］。

與其他高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言相比，Matlab具有以下優(yōu)勢(shì):(1)Matlab是一種跨平臺(tái)的數(shù)學(xué)語(yǔ)言，可以在目前所有操作系統(tǒng)上運(yùn)行;(2)Matlab是一種超高級(jí)語(yǔ)言，它本身是由C語(yǔ)言寫成，其中又匯集了當(dāng)前最新的數(shù)學(xué)算法庫(kù);(3)語(yǔ)法簡(jiǎn)單，編程風(fēng)格接近數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述，是數(shù)學(xué)算法開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證的最佳工具;(4)計(jì)算精度很高，Matlab中的數(shù)據(jù)都是以雙精度存儲(chǔ)的;(5)具有強(qiáng)大的繪圖功能，可以輕易地獲得印刷級(jí)的曲線圖;(6)具有串口操作、聲音輸入輸出等硬件的操控能力;(7)Matlab程序可以直接映射為DSP可接受的代碼;(8)Matlab程序的執(zhí)行效率比編譯語(yǔ)言低，但是用C語(yǔ)言編寫算法，再通過(guò)Matlab接口在Matlab中執(zhí)行，可以提高執(zhí)行效率。

Simulink是Matlab中的一個(gè)建立系統(tǒng)方框圖和基于方框圖級(jí)的系統(tǒng)仿真環(huán)境，是一個(gè)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真以及仿真結(jié)果分析的軟件包。使用Simulink可以更加方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可視化建模，并進(jìn)行基于時(shí)間級(jí)的系統(tǒng)級(jí)仿真，使得仿真系統(tǒng)建模與工程中的方框圖統(tǒng)一起來(lái)。而仿真結(jié)果可以近乎“實(shí)時(shí)”地通過(guò)可視化模塊，如示波器模塊、頻譜儀模塊以及數(shù)據(jù)輸入輸出模塊等顯示出來(lái)。

2.2 SystemView與Matlab對(duì)于通信仿真的比較

在SystemView中，具體的電路系統(tǒng)是由單獨(dú)的模塊組合而成的，這些模塊稱為Token，每一個(gè)Token都有自己定義的輸入、輸出及相應(yīng)的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)特定的功能。SystemView基本屬于一個(gè)系統(tǒng)級(jí)工具平臺(tái)，并配置了大量模塊庫(kù)，用戶可以構(gòu)造出所需要的仿真系統(tǒng)，只要調(diào)出有關(guān)圖符塊并設(shè)置好參數(shù)，完成圖符塊間的連線后運(yùn)行仿真操作，最終以時(shí)域波形、眼圖、功率譜、星座圖和各類曲線形式給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。但是，由于SystemView的開(kāi)發(fā)公司Elanix在2005年已經(jīng)被Agilent公司收購(gòu)，軟件版本再無(wú)更新，已經(jīng)無(wú)法支持一些最新通信技術(shù)。

Simulink仿真環(huán)境附帶了許多專業(yè)的仿真模塊庫(kù)，可以快速建立該專業(yè)領(lǐng)域的系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真，而不需要用戶詳細(xì)了解其實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，大大方便了大系統(tǒng)的建模。Simulink全方位地支持動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模仿真，它支持連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、連續(xù)離散混合系統(tǒng)、線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時(shí)不變系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)的建模仿真，也支持具有多采樣速率的多速率系統(tǒng)。而且隨著Matlab每年兩次的升級(jí)，Simulink還會(huì)添加更多的專業(yè)模塊庫(kù)。在通信仿真領(lǐng)域，Simulink幾乎是無(wú)所不包的。

2.3 基于Simulink的通信系統(tǒng)仿真

通信工具箱增強(qiáng)了Matlab科學(xué)計(jì)算環(huán)境的函數(shù)、圖表和圖形用戶界面，可以瀏覽、設(shè)計(jì)、分析和仿真用于通信系統(tǒng)物理層的算法。通信工具箱的函數(shù)可以從Matlab命令行、BERTool GUI中以及自己編寫的Matlab腳本和函數(shù)中執(zhí)行。

通信工具箱的主要功能包括:(1)用于設(shè)計(jì)通信鏈路物理層的函數(shù)，包括信源編碼、信道編碼、交織、調(diào)制、信道模型和均衡等;(2)用于通信信號(hào)可視化的圖表，如眼圖、星座圖和信道散點(diǎn)圖;(3)用于對(duì)系統(tǒng)誤碼率與多種證實(shí)分析結(jié)果進(jìn)行比較的圖形用戶界面;(4)標(biāo)準(zhǔn)信道模型，COST 207、GSM/EDGE和高頻電離層等，可以在多種傳播條件下快速評(píng)估系統(tǒng)性能;(5)信道可視化工具，用于時(shí)變通信信道可視化和研究。

現(xiàn)以數(shù)字調(diào)制技術(shù)中的基帶平移鍵控為例，說(shuō)明如何使用Simulink進(jìn)行仿真與工作特性分析。

數(shù)字調(diào)制是數(shù)字通信中的重要部分。數(shù)字調(diào)制可分為基帶調(diào)制和頻帶調(diào)制。用二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)控制載頻的頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)制被稱為頻移鍵控FSK;但由于二進(jìn)制基帶信號(hào)變化時(shí)會(huì)引起載波的相位突變問(wèn)題，又發(fā)展出最小頻移鍵控MSK;為了進(jìn)一步降低傳輸帶寬，又發(fā)展出高斯?jié)L降最小頻移鍵控GMSK。這三種調(diào)制方式是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)字頻率調(diào)制。

在仿真環(huán)境中，采用相同的信號(hào)源與傳輸環(huán)境，F(xiàn)SK的仿真試驗(yàn)框圖如圖2所示。而MSK與GMSK的仿真實(shí)驗(yàn)框圖設(shè)計(jì)只需將2FSK模塊替換為MSK與GMSK模塊即可。

圖2 2－FSK系統(tǒng)仿真框圖

在仿真框圖中采用誤碼儀進(jìn)行信噪比的統(tǒng)計(jì)，頻譜儀進(jìn)行頻譜帶寬統(tǒng)計(jì)，其頻譜信號(hào)如圖3所示。

圖3 2FSK、MFSK、GMSK基帶調(diào)制信號(hào)頻譜

仿真結(jié)果表明:在誤碼率相同數(shù)量級(jí)的條件下，GMSK占有最小的帶寬;MSK、GMSK在傳輸環(huán)境的信噪比較FSK低3 dB;綜合抗干擾與占用帶寬最好的為GMSK，MSK次之，F(xiàn)SK居末位。

3 結(jié)束語(yǔ)

在《通信原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，能夠提高學(xué)習(xí)效果。同時(shí)，由于不受場(chǎng)地環(huán)境和設(shè)備的限制，平時(shí)有些不容易實(shí)現(xiàn)的綜合性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，也可以利用計(jì)算機(jī)仿真的方法輕而易舉地實(shí)現(xiàn)。但是，過(guò)分地依靠計(jì)算機(jī)仿真，將無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生對(duì)測(cè)量?jī)x器的操作能力及對(duì)電子線路的調(diào)試能力，這也是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)所具有的優(yōu)勢(shì)。因此，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以通過(guò)在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行初期的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，而把綜合性與設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)放在計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)上完成，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐動(dòng)手能力以及熟練使用各種常用軟件的能力。

［1］ 樊昌信．通信原理［M］．5版．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2003:1－4．

［2］ 王福昌，潘曉明．通信原理實(shí)驗(yàn)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2007:3－5．

［3］ 李東生，雍愛(ài)霞，左洪浩，等．SystemView系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真入門與應(yīng)用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2002:136－196．

［4］ 徐明遠(yuǎn)，邵玉斌．MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用［M］．2版．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2010:8－9．