邵玉斌 龍 華 劉增力 向鳳紅

[摘要]論述了通信仿真技術(shù)應(yīng)用的必要性和應(yīng)用范圍，討論了仿真技術(shù)在通信工程專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)中的應(yīng)用方法，并總結(jié)了通信工程專業(yè)在教學科研中應(yīng)用仿真技術(shù)的一些經(jīng)驗，為進一步拓展仿真技術(shù)在通信與電子工程領(lǐng)域的教學應(yīng)用提出了建議。

[關(guān)鍵詞]仿真技術(shù)；通信工程；仿真軟件工具

[中圖分類號]G40—057

[文獻標識碼]A

[論文編號]1009—8097(2009)13—0309—03

一仿真在現(xiàn)代通信技術(shù)中已成為重要的工程設(shè)計手段

隨著通信技術(shù)和計算機技術(shù)的進步，通信系統(tǒng)仿真技術(shù)已經(jīng)逐漸成為通信系統(tǒng)設(shè)計和驗證的主要手段。近二十年以來，數(shù)字信號處理方法和軟件無線電技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的設(shè)計手段和設(shè)計方法已經(jīng)不能適應(yīng)急劇增加的通信系統(tǒng)復(fù)雜性的要求。今天，如果沒有計算機仿真方法，系統(tǒng)設(shè)計和性能測試是不可能完成的。

傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)設(shè)計中，主要考慮的是對熱噪聲的性能指標問題。傳輸信道一般建模為加性高斯信道，性能指標的評估采用傳統(tǒng)的解析計算方法就可勝任。然而，許多現(xiàn)代通信系統(tǒng)，尤其是工作環(huán)境十分復(fù)雜的無線電通信系統(tǒng)和抗干擾通信系統(tǒng)中，其工作頻率在數(shù)千兆頻帶，電磁波傳播特性也十分復(fù)雜，衰落和多徑效應(yīng)成為系統(tǒng)設(shè)計主要問題。相應(yīng)接收機的復(fù)雜性大大提高：例如復(fù)雜的同步算法，信道估計和符號檢測，RAKE體系結(jié)構(gòu)以及非線性系統(tǒng)在現(xiàn)代無線電通信中被廣泛采用。對此，傳統(tǒng)的理論解析分析方法都不再總是有效的，對于現(xiàn)代通信系統(tǒng)而言，仿真方法是必需的設(shè)計和分析手段。

現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性行為也是必須采用仿真方法研究的原因。傳統(tǒng)的排隊理論和運籌學可以解決對簡單通信信息流量模型的性能分析和計算問題，但是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的復(fù)雜性已經(jīng)遠遠超出了傳統(tǒng)數(shù)學的分析能力。為了快速、便捷而且準確地對通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能做出評估，采用基于事件的離散事件仿真方法幾乎是唯一的選擇。采用仿真方法可以避免理論性能分析的障礙，通過系統(tǒng)建模，參數(shù)選擇和調(diào)整，能夠迅速得出系統(tǒng)在模擬真實環(huán)境中的行為表現(xiàn)，從而對所應(yīng)用的信號處理算法、通信協(xié)議做出評估和改進。

微處理器和數(shù)字信號處理芯片技術(shù)的進步在硬件上保證了現(xiàn)代通信系統(tǒng)的實現(xiàn)問題，在此背景下，算法和協(xié)議的軟件實現(xiàn)越來越成為系統(tǒng)功能實現(xiàn)的主要手段。仿真中應(yīng)用的算法和真實系統(tǒng)中的功能實現(xiàn)算法已經(jīng)融合。同時現(xiàn)代微型計算機的處理能力大大超過了數(shù)年之前的大型計算機，已經(jīng)基本能夠滿足通信仿真軟件和仿真數(shù)值計算對計算機運算能力和存儲空間的需要?，F(xiàn)在，在整個通信業(yè)界，基于仿真技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計分析已經(jīng)被廣泛采用，成為研究新理論，開發(fā)新技術(shù)的主流方法。掌握仿真技術(shù)也是通信業(yè)界所必需的技能之一。

二仿真技術(shù)是現(xiàn)代通信實驗必不可少的環(huán)節(jié)

學習和研究現(xiàn)代通信技術(shù)是一個理論與實踐相結(jié)合的過程。在通信工程實踐環(huán)節(jié)中，仿真技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。透過仿真技術(shù)，通信工程專業(yè)的學生可以學習和研究比傳統(tǒng)通信理論所研究的對象更為復(fù)雜，更為接近真實工作環(huán)境的通信模型。而在傳統(tǒng)理論框架中，系統(tǒng)模型必須加以簡化才能得出解析結(jié)果。另外，利用仿真技術(shù)可以十分方便地修改系統(tǒng)參數(shù)，并且可以很快評估這些參數(shù)變化對系統(tǒng)整體性能的影響。隨著交互式仿真環(huán)境的成熟，設(shè)計者利用簡單的程序編寫和系統(tǒng)方框圖建模方法就可以模擬出復(fù)雜系統(tǒng)的工作行為，這樣，通信工程師就能夠?qū)⒅饕性谕ㄐ畔到y(tǒng)的設(shè)計和本身改進的關(guān)注上，而不需將精力浪費在仿真程序，的編程技巧和調(diào)試上。

在復(fù)雜工作環(huán)境中，通信系統(tǒng)性能研究的基礎(chǔ)是對傳輸信道的建模仿真問題。因此，信道仿真也就成為了系統(tǒng)評估中所必需的。同時，為了適應(yīng)復(fù)雜的和時變的傳輸環(huán)境，現(xiàn)代通信系統(tǒng)的信號處理算法趨于復(fù)雜化。例如采用信道估計自適應(yīng)算法，多天線技術(shù)，智能天線波束成形算法，CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的多用戶檢測算法，正交多載波調(diào)制算法，信道編解碼算法等等。這些技術(shù)的實現(xiàn)必須依靠高速信號處理芯片和軟件實現(xiàn)。對算法在實際通信環(huán)境中的適應(yīng)性驗證和評估就必須借助于仿真來完成。

現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，通信協(xié)議設(shè)計和驗證幾乎都是基于仿真技術(shù)的。為了保證通信的實時性和利用效率，現(xiàn)代通信系統(tǒng)中提出了各種復(fù)雜的具有層次結(jié)構(gòu)的通信協(xié)議，從而構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)。排隊理論和運籌學只能對通信協(xié)議做出簡化的性能估算，與實際系統(tǒng)中的運行往往存在較大差別。由于實際系統(tǒng)行為的復(fù)雜性，解析分析幾乎是不可能的，因此，對通信協(xié)議在實際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的評價就成為了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真分析的主要任務(wù)。

現(xiàn)代通信系統(tǒng)的實現(xiàn)也是基于仿真技術(shù)的。通信功能的軟件化實現(xiàn)、通信節(jié)點傳輸行為的智能化以及軟件無線電技術(shù)本身是計算機技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合的結(jié)果。通信系統(tǒng)的電路級設(shè)計已經(jīng)從基于純硬件集成電路的模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐钥删幊踢壿嬈骷榫幊虒ο蟮腣HDL軟件編程映射模式。VHDL程序設(shè)計和調(diào)試都是以仿真方法完成的。在系統(tǒng)級設(shè)計中，系統(tǒng)仿真和系統(tǒng)實現(xiàn)是統(tǒng)一的，仿真算法可以直接映射為DSP的實現(xiàn)代碼。而在更高層的協(xié)議級設(shè)計中，通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真代碼也就是協(xié)議實現(xiàn)的核心代碼。軟件無線電技術(shù)使得通信信號處理方法得到廣泛應(yīng)用，在基帶信號處理中可以通過軟件實現(xiàn)信號處理變換，得出射頻波束成形，預(yù)編碼，自適應(yīng)均衡，自適應(yīng)數(shù)字調(diào)制，解調(diào)，信道編解碼，信源編解碼，信息安全算法等等，而對這些算法的仿真算法和實現(xiàn)算法相同，代碼可以直接應(yīng)用于實際系統(tǒng)中。

現(xiàn)代通信系統(tǒng)的測試設(shè)備價格高昂，而且，實際工作中的通信系統(tǒng)往往具有不可測試特性。例如，對營運中的通信網(wǎng)絡(luò)性能測試對于高校學生來說是幾乎不可能的，也是營運通信網(wǎng)絡(luò)所不允許的。但另一方面，對于通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)的研究是必須有實踐對象的，在這種情況下，通信仿真和網(wǎng)絡(luò)仿真是就必然成為唯一的選擇。

總之，現(xiàn)代通信系統(tǒng)是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)，對現(xiàn)代通信技術(shù)的學習和研究必須采用現(xiàn)代系統(tǒng)論的觀點和方法。現(xiàn)代系統(tǒng)論指出，復(fù)雜巨系統(tǒng)往往是非線性系統(tǒng)，對系統(tǒng)的數(shù)學建模已屬不易，對所建立的數(shù)學模型進行解析分析計算基本上是不可能的。對復(fù)雜巨系統(tǒng)的研究，關(guān)鍵在于把握系統(tǒng)在外界環(huán)境中的交互行為和系統(tǒng)狀態(tài)的變化。對于計算機仿真來說，可以充分利用計算機的數(shù)值計算能力，在解析計算十分困難的情況下，采用相對簡易的數(shù)值計算獲得工程上可用的結(jié)果。工程設(shè)計的目的是得出符合實際的結(jié)果，在這個意義上來說，仿真方法是一條捷徑。

三仿真是培養(yǎng)學生的學習興趣、創(chuàng)造性思維、建立理論與實踐結(jié)合的橋梁

通信工程專業(yè)對學生的數(shù)學基礎(chǔ)要求高，除了傳統(tǒng)微積分知識之外，還要求具有積分變換，概率論和隨機過程、信息論的基本知識，排隊論和離散數(shù)學的基本知識等等。通信工程專業(yè)課程都是建立在這些數(shù)學基礎(chǔ)之上的。對通信工程本科學生的學習調(diào)查結(jié)果顯示，大多數(shù)學生是出于對就業(yè)前景憧憬和單純向往選擇了該專業(yè)的。他們對通信工程專業(yè)的

技術(shù)素質(zhì)要求和未來從事的工作性質(zhì)并不十分了解。于是，雖然學生有很高的學習熱情，但又普遍存在著對數(shù)理基礎(chǔ)知識的輕視和畏懼。抽象的理論和工程實際脫節(jié)是本專業(yè)面臨的教學困境之一：一方面通信系統(tǒng)的復(fù)雜性使得實驗室不可能擁有系統(tǒng)級實驗環(huán)境，另一方面通信工程的實際工作環(huán)境正是對系統(tǒng)級的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計、運營和維護。如果把通信工程比喻為有血有肉活生生的人，那么通信理論就好比是人的骨架。如此，學生對學習理論知識的畏懼心理就是可以理解的了。如何在通信理論這個骨架上附著血肉，將專業(yè)知識作為活生生的技術(shù)事物展現(xiàn)給學生，是專業(yè)課程教師必須思考的問題。學習興趣是通過教學藝術(shù)培養(yǎng)出來的，教學藝術(shù)不是空洞的，而是具體的適應(yīng)與專業(yè)特征的方法。學習心理學指出。對于學習成效而言，學生的學習興趣比刻苦精神重要得多。

在多年探索中，我們發(fā)現(xiàn)，對于通信工程專業(yè)的教學實踐，通信仿真方法較成功地成為了理論聯(lián)系實踐的橋梁。首先，仿真方法將純粹的數(shù)學理論知識通過計算機轉(zhuǎn)化為生動的數(shù)學實驗，成為理論實驗的有效工具。利用仿真方法，通過數(shù)值計算得出生動的曲線圖表，學生可以從中理解數(shù)學理論的實際內(nèi)涵，從而加深對理論知識的理解和掌握。重建學習的興趣。其次，仿真建模分析可以通過相對簡單的仿真過程去對比理論解析結(jié)果，將抽象的理論模型通過仿真實現(xiàn)為具體的可以進行行為調(diào)試的軟通信機。通過仿真建模過程，學生既對理論分析有了深入的認識，同時也清楚了實際通信系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)參數(shù)對通信機性能指標的影響。例如，對調(diào)制解調(diào)的波形及其頻域分析使得學生能夠直觀地感受到調(diào)制解調(diào)的作用，噪聲對傳輸?shù)挠绊懸约案道锶~分析的應(yīng)用：對糾錯編解碼的仿真可以直接測試出編碼的抗干擾能力；而對信道和通信收發(fā)信機的仿真可以得出信號噪聲功率比對系統(tǒng)傳輸差錯率的曲線關(guān)系，并可比較各種調(diào)制制式的性能。這樣，通過仿真實驗將通信理論的核心問題實例化，從而深刻理解理論本身的實質(zhì)和意義。通過系統(tǒng)仿真，學生可以從理論到數(shù)學建模，再到計算機建模和仿真，在得出結(jié)果的過程中，從建模過程和實驗結(jié)果中體會通信系統(tǒng)的實質(zhì)。經(jīng)過這樣的過程，學生就不再視通信系統(tǒng)是抽象的死的東西。

大學教育不僅僅是對專業(yè)知識的灌輸，專業(yè)教育應(yīng)更加重視創(chuàng)造力的培養(yǎng)。沒有適當?shù)膶嵺`手段和方法，是很難有效地培養(yǎng)創(chuàng)造性，利用仿真手段，學生可以將其頭腦中利用專業(yè)基礎(chǔ)知識和創(chuàng)造靈感得到的系統(tǒng)模型在計算機中加以實現(xiàn)，創(chuàng)造性地構(gòu)建通信系統(tǒng)，驗證其思想，不斷總結(jié)工程經(jīng)驗，驗證系統(tǒng)行為的過程，如此反復(fù)，會使得學習的主動性大大提高。創(chuàng)造能力也就在這一生動的實踐活動中逐步培養(yǎng)得以形成。

通信仿真實驗是對傳統(tǒng)硬件軟件實驗的綜合和升華。對于通信工程的學生，具備基本的電子技術(shù)知識是十分重要的，尤其是電子技術(shù)的實踐經(jīng)驗對于專業(yè)學習和未來的工作能力起著關(guān)鍵作用。電路模塊是通信系統(tǒng)的構(gòu)成元素，線性系統(tǒng)是電路的功能模型，而信號處理則是線性系統(tǒng)理論的應(yīng)用提升。通信工程專業(yè)是一門系統(tǒng)級的工程學科，通信系統(tǒng)就是通過通信協(xié)議聯(lián)系起來的以信號處理為功能實體的復(fù)雜系統(tǒng)。從層次上，只有對傳統(tǒng)的硬件和軟件具有實踐經(jīng)驗的人才能夠真正理解通信系統(tǒng)，也才能在系統(tǒng)仿真中把握物理實質(zhì)。通信仿真實驗通常是系統(tǒng)級的，即把通信系統(tǒng)模塊視為功能模塊。以協(xié)議聯(lián)系這些模塊，仿真就是考察系統(tǒng)行為的過程。

四現(xiàn)代通信仿真技術(shù)的層次和軟件需求

根據(jù)仿真對象的不同，相應(yīng)的仿真手段、方法和適用的軟件也有所不同。隨著仿真技術(shù)在通信領(lǐng)域的推廣，在通信技術(shù)的各層次都產(chǎn)生了相應(yīng)的仿真工具。通信技術(shù)從底至上，大體可以劃分為：電路系統(tǒng)、功能模塊、通信系統(tǒng)方框圖以及通信網(wǎng)絡(luò)等幾個層次。

在電路系統(tǒng)層次，工程目標是設(shè)計滿足要求的電路系統(tǒng)，對于模擬電路，如設(shè)計放大器、頻率綜合器、鎖相環(huán)、變頻、調(diào)制解調(diào)器等等。對于數(shù)字電路，如各種時序邏輯電路、偽隨機碼發(fā)生器、編解碼器等等。在電路系統(tǒng)層次的設(shè)計關(guān)鍵是電路拓撲設(shè)計和電參數(shù)選擇。仿真語言Pspice可以勝任模擬電路領(lǐng)域的設(shè)計和仿真問題，集成了Pspice語言的可視化仿真軟件眾多，常用的有EWB、ORCAD、Protel DXP以及最新的Altium(Protel)EDA設(shè)計軟件。其中EWB簡單易用，目前已經(jīng)廣泛用于模擬電路課程教學和實驗中，0RCAD和Protel DXP是電路設(shè)計的專業(yè)軟件，從電路原理圖設(shè)計、原理圖級仿真到印制板圖生成和印制板級仿真都可完成，Altium(Protel)EDA設(shè)計軟件則逐漸成為了現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計中從芯片開發(fā)、板級設(shè)計、電磁兼容到機電一體化設(shè)計整個環(huán)節(jié)的統(tǒng)一仿真設(shè)計平臺。數(shù)字電路的設(shè)計現(xiàn)在已經(jīng)轉(zhuǎn)入了大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷r代，主要以VHDL語言作為軟件設(shè)計語言，不同廠商為其產(chǎn)品提供了相應(yīng)的設(shè)計和仿真平臺，如Max-Plus Ⅱ等等。對于數(shù)字信號處理芯片(DSP)的設(shè)計，也有廠商提供的編程仿真環(huán)境可用，如T1的DSP編程仿真平臺CCS，可完成編程、軟件仿真和目標板硬件仿真直到代碼下載全過程。功能模塊層次的仿真任務(wù)是解決通信功能模塊的輸入輸出參數(shù)指標設(shè)計問題，也包括模塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和算法問題。如電磁傳播環(huán)境仿真、信道均衡，波形估計和信號參數(shù)估計，智能天線、編碼調(diào)制等等。在通信系統(tǒng)方框圖層次的任務(wù)是根據(jù)設(shè)計目標構(gòu)建通信系統(tǒng)，包括發(fā)信機、信道以及收信機。仿真目標是研究整個通信系統(tǒng)在使用信道環(huán)境下的適應(yīng)性，如傳輸差錯率性能，抗干擾性能等等。

適用于功能模塊層次和通信系統(tǒng)方框圖層次的仿真軟件眾多，有Matlab／Simulink，Scilab和SystemView等等。其中，SystemView是通信系統(tǒng)專用的系統(tǒng)級仿真軟件，軟件模塊庫提供了全面的通信系統(tǒng)模塊，完成可視化模塊建模后立即可得出仿真結(jié)果。Matlab／Simulink則是較為通用的系統(tǒng)仿真和科學計算平臺，幾乎所有理工學科的仿真實驗和數(shù)值計算均可在該平臺上完成。Matlab通過編程可完成算法仿真，Simulink是Matlab的擴展，是可視化方框圖建模仿真工具。Matlab提供了C／C++編譯和C／C++語言的接口，其信號處理工具箱還提供了DSP代碼翻譯接口，將仿真和算法實現(xiàn)統(tǒng)一起來。Scilab是法國國立信息與自動化研究院INRIA開發(fā)的一個開放源碼的免費科學計算仿真軟件，與Matlab相兼容。

在通信網(wǎng)絡(luò)層次的仿真問題以通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真為主，主要以網(wǎng)絡(luò)信息流量和阻塞率指標為參數(shù)。廣為采用的仿真平臺有OPNET和NS，OPNET是商用專業(yè)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，工作于Windows平臺，在C++編譯器的支持下，可進行從廣域到局域，有線到無線的全網(wǎng)絡(luò)仿真。NS是Linux下的開源軟件，也是廣為應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺。

五實踐效果評價和建議

在通信工程專業(yè)教學中，我們建立了通信仿真實驗室，以Matlab／Simulink和OPNET為主要仿真工具，在專業(yè)課程實驗、課程設(shè)計、實習以及畢業(yè)設(shè)計中應(yīng)用了系統(tǒng)仿真的方法。在大學二年級階段，開設(shè)了Matlab語言基礎(chǔ)課程，系統(tǒng)介紹了這一科學計算和系統(tǒng)仿真工具，在專業(yè)課程前期開設(shè)了通信系統(tǒng)仿真課程，以Matlab和OPNET為工具介紹了通信系統(tǒng)仿真的基本思想、仿真方法論和實踐。在課程實驗和課程設(shè)計中鼓勵學生創(chuàng)造新系統(tǒng)并得出仿真結(jié)果。通過畢業(yè)設(shè)計課題對仿真應(yīng)用加以升華。通過多層次的仿真技術(shù)教學實踐活動的開展，學生的編程能力和通信系統(tǒng)思想得到了很大提高。

在實踐教學中，我們認為，仿真技術(shù)的應(yīng)用是以電路硬件實驗作為基礎(chǔ)的。沒有一定數(shù)量的電路實驗和硬件平臺實驗的支撐，仿真技術(shù)只能是空中樓閣。系統(tǒng)論是仿真技術(shù)方法論的基礎(chǔ)，軟件無線電技術(shù)和通信信號處理技術(shù)作為仿真技術(shù)的應(yīng)用背景，也起著重要作用。所以仿真技術(shù)的應(yīng)用不是單純是軟件應(yīng)用問題，而是一個綜合的學科建設(shè)問題。只有從通信工程學科的高度，從通信工程學科內(nèi)在要求來認識和應(yīng)用仿真技術(shù)才能起到好的作用。