周維龍 羅 飛 聶 輝

（湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412008）

0 引言

《通信原理》這門(mén)課程是電子信息工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)核心課，也是《衛(wèi)星通信》、《光纖通信》等后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的基礎(chǔ)，因此許多學(xué)校將《通信原理》列為通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)研究生入學(xué)考試的必考科目。而這門(mén)課的特點(diǎn)是：要求數(shù)學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí)，這門(mén)課以《概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)》、《隨機(jī)過(guò)程》、《信號(hào)與系統(tǒng)》和《高頻電子線路》等課程為基礎(chǔ)，該課程涉及的知識(shí)面廣，公式和數(shù)學(xué)推導(dǎo)較多，而且概念和原理抽象、深?yuàn)W，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)普遍感覺(jué)吃力[1]。是一門(mén)理論性與實(shí)踐性都比較強(qiáng)的課程。在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了更好地將理論教學(xué)和實(shí)踐相結(jié)合，把系統(tǒng)性能與參數(shù)之間關(guān)系形象的展現(xiàn)，可利用Matlab/Simulink軟件強(qiáng)大的仿真功能和豐富的專(zhuān)業(yè)工具箱，設(shè)計(jì)構(gòu)建通信原理仿真模型，使得通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析過(guò)程變得相對(duì)直觀和便捷，有助于學(xué)生更好地理解通信系統(tǒng)性能。學(xué)生還可利用通信系統(tǒng)仿真廣泛的適應(yīng)性和極好的靈活性，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有通信系統(tǒng)模型的研究，結(jié)合所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，編寫(xiě)相應(yīng)的仿真程序，自主設(shè)計(jì)電子通信仿真系統(tǒng)。[2]

1 Simulink與“通信原理”課程教學(xué)

Simulink作為Matlab語(yǔ)言上的一個(gè)可視化建模仿真平臺(tái)，起源于對(duì)自動(dòng)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(xí)慣。隨著Matlab/Simulink通信、信號(hào)處理專(zhuān)業(yè)函數(shù)庫(kù)和專(zhuān)業(yè)工具的成熟，它們逐漸為廣大通信技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者和工程師所熟悉，在通信理論研究、算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建模仿真和性能分析驗(yàn)證等方面的應(yīng)用也更加廣泛。非常適合應(yīng)用于“通信原理”課程教學(xué)中。其主要特點(diǎn)有：

（1）豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫(kù)；

（2）交互式的圖形編輯器來(lái)組合和管理直觀的模塊圖；

（3）以設(shè)計(jì)功能的層次性來(lái)分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理；

（4）通過(guò)Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、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(xiě)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(zhǎng)或變步長(zhǎng)運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal，Accelerator，Rapid Accelerator)來(lái)決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來(lái)運(yùn)行模型；

（8）圖形化的調(diào)試器和剖析器來(lái)檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為；

（9）可訪問(wèn)MATLAB從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)；

（10）模型分析和診斷工具來(lái)保證模型的一致性，確定模型中的錯(cuò)誤。

根據(jù)通信系統(tǒng)的組成和通信原理課程進(jìn)度安排，利用simulink構(gòu)建的通信仿真系統(tǒng)可分為三部分：基本通信模塊的設(shè)計(jì)、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(gòu)架，結(jié)合課堂理論知識(shí)點(diǎn)，將整體系統(tǒng)分成不同模塊，分別介紹各個(gè)組成部分功能指標(biāo)，主要用于課堂教學(xué)中基本概念、定理的演示。通信系統(tǒng)模塊將基本模塊有機(jī)組合，構(gòu)建完整的通信系統(tǒng)，對(duì)模擬、數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析系統(tǒng)特性參數(shù)，主要用于課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。有一定的理論基礎(chǔ)和簡(jiǎn)單通信仿真系統(tǒng)搭建經(jīng)驗(yàn)后，學(xué)生可自主設(shè)計(jì)綜合通信系統(tǒng)，完成相應(yīng)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)。

2 Simulink仿真訓(xùn)練的必要性與可行性

在發(fā)達(dá)國(guó)家的主流理工大學(xué)里，MATLAB已經(jīng)成為一門(mén)必修課程。而在國(guó)內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)、大型公司企業(yè)的計(jì)算部門(mén)里，MATLAB也是最普遍的仿真計(jì)算工具。可見(jiàn)，理工科學(xué)生熟練掌握MATLAB這門(mén)語(yǔ)言，無(wú)論對(duì)其學(xué)習(xí)還是工作都是十分必要的。

在課程教學(xué)中，通過(guò)MATLABMATLAB/Simulink的形象化展示，可以引導(dǎo)學(xué)生理解物理概念和掌握基本原理，使學(xué)生對(duì)書(shū)本理論的理解更為直觀和透徹；在課后學(xué)習(xí)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)基于MATLAB的仿真編程訓(xùn)練，可以使學(xué)生充分掌握所學(xué)知識(shí)，更深入理解相關(guān)理論，從而使學(xué)生學(xué)習(xí)更具主動(dòng)性，更有創(chuàng)造性。因此，為了鍛煉學(xué)生對(duì)MATLAB軟件的使用能力，在“通信原理”課程中有針對(duì)性地開(kāi)展MATLAB/Simulink仿真訓(xùn)練，變抽象為具體，變枯燥為生動(dòng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量的目的，是有其必要性的[3]。

當(dāng)前，湖南工業(yè)大學(xué)以及大部分高校都已建成多媒體教室和計(jì)算機(jī)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)中心，每個(gè)學(xué)生寢室平均都有一臺(tái)以上的電腦，硬件條件已經(jīng)成熟。從理工科本科教學(xué)的實(shí)際情況來(lái)看，學(xué)生在學(xué)習(xí)“通信原理”課程時(shí)已經(jīng)具有基本的計(jì)算機(jī)編程能力。如果將MATLAB/Simulink軟件與教學(xué)相結(jié)合，學(xué)生在對(duì)新的編程軟件快速上手的同時(shí)，還能對(duì)基本理論有更直觀的認(rèn)識(shí)。授課老師也可以充分利用它來(lái)輔助理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。總的來(lái)說(shuō)，在教學(xué)中引入MATLAB/Simulink仿真訓(xùn)練無(wú)疑是完全可行的。

3 擴(kuò)頻調(diào)制系統(tǒng)的建模與仿真

3.1 擴(kuò)頻調(diào)制實(shí)現(xiàn)方法[4]

擴(kuò)頻調(diào)制通常的實(shí)現(xiàn)方式是將一個(gè)待擴(kuò)頻的信號(hào)與一個(gè)擴(kuò)頻碼在時(shí)域相乘，實(shí)現(xiàn)框圖如圖 1示。其中 Signal_in為窄帶信號(hào)，經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻后，得到Signal_out為寬帶信號(hào)。接收時(shí)，經(jīng)過(guò)解擴(kuò)乘以相同的PN碼，恢復(fù)出窄帶信號(hào)。而傳輸過(guò)程中加入的干擾，在解擴(kuò)時(shí)相當(dāng)于進(jìn)行了擴(kuò)頻，大大降低了干擾信號(hào)的頻譜密度，從而達(dá)到抗干擾的目的。

圖1 擴(kuò)頻調(diào)制原理框圖

3.2 擴(kuò)頻調(diào)制的建模與仿真

由圖1可得，擴(kuò)頻調(diào)制由信號(hào)源，PN碼發(fā)生器以及乘法器等三個(gè)部分組成，為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可直接采用Bernoulli Binary Generator模塊作為信號(hào)源，PN Sequence Generator模塊和Unipolar to Bipolar Converter模塊共同構(gòu)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(gè)M文件，并調(diào)出相應(yīng)的模塊，構(gòu)成如圖2所示電路圖，對(duì)各模塊的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置后，便可進(jìn)行仿真，運(yùn)行結(jié)束后，雙擊模塊中的“Compare”示波器，可觀察到輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的波形，如圖3所示，頻譜示波器Base-Band中顯示的是擴(kuò)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(kuò)頻調(diào)制后的頻譜圖，如圖5所示。

圖2 擴(kuò)頻調(diào)制仿真模型

圖3 擴(kuò)頻調(diào)制前后信號(hào)波形圖

從圖4、圖5中可以看出，擴(kuò)頻調(diào)制后，信號(hào)的頻譜擴(kuò)展了大約255倍。設(shè)置仿真參數(shù)時(shí)，將PN碼長(zhǎng)度設(shè)定為255 bit，理論上可以將頻譜擴(kuò)展255倍，可以看出仿真結(jié)果與理論計(jì)算完全相符。[6]

圖4 擴(kuò)頻調(diào)制前頻譜圖

圖5 擴(kuò)頻調(diào)制后序列的頻譜圖

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者在電子信息工程專(zhuān)業(yè)07、08、09級(jí)通信原理課程教學(xué)中，采用Matlab/Simulink對(duì)一些典型通信系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，使學(xué)生鞏固了課堂上所學(xué)的理論知識(shí)，加深了對(duì)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(yùn)用。使學(xué)生在學(xué)好通信原理這門(mén)課程的同時(shí)，也掌握了Matlab/Simulink的運(yùn)用，為他們?cè)诤罄m(xù)課程的學(xué)生，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]朱穎莉,王建敏,劉玉瑩.《通信原理》課程教學(xué)改革探索[J].南昌高專(zhuān)學(xué)報(bào),2011,(1):122-123.

[2]鄧紅濤,查志華,張銳敏.Simulink在通信原理教學(xué)中的綜合應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇,2012(3):211-212.

[3]穆宏慧.《通信原理》教學(xué)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(jì)算機(jī)工作程應(yīng)用技術(shù),2009,(9):7812-7814.

[5]邵玉斌.MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[6]趙剛.擴(kuò)頻通信系統(tǒng)實(shí)用實(shí)用仿真技術(shù)[M]北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009.