李國權(quán)

摘 要 通信原理是一門理論性較強(qiáng)的課程，經(jīng)過學(xué)習(xí)學(xué)生可以主要掌握通信系統(tǒng)物理層傳輸技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)理論，但對其實(shí)際實(shí)現(xiàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)和實(shí)現(xiàn)方法仍不能具體了解?？紤]到目前物理層主要采用中頻數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，通信系統(tǒng)基帶部分調(diào)制解調(diào)算法的設(shè)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(shè)計通信原理實(shí)驗內(nèi)容，探索通過四個項目使學(xué)生完整了解通信系統(tǒng)基帶部分模型的搭建、參數(shù)設(shè)置和性能評估方法，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)和實(shí)踐的緊密結(jié)合。

關(guān)鍵詞 通信系統(tǒng) Simulink 教學(xué)方法

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)的基礎(chǔ)理論課，是通信與信息類專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要介紹通信系統(tǒng)物理層傳輸技術(shù)的基本概念和基本理論以及實(shí)現(xiàn)方法等。為了更好地將理論教學(xué)和實(shí)踐相結(jié)合，加深學(xué)生對知識的清楚理解和靈活運(yùn)用，在理論教學(xué)的同時一般會安排有實(shí)驗教學(xué)。大體上說，實(shí)驗教學(xué)往往是采用通信原理實(shí)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(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。但由于實(shí)驗箱上的實(shí)驗大多都是驗證性的實(shí)驗，學(xué)生仍然不能夠了解每個部分的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，也不能夠了解目前通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中常用的技術(shù)方法。近年來數(shù)字通信技術(shù)迅猛發(fā)展，物理層傳輸實(shí)現(xiàn)時常采用基帶調(diào)制解調(diào)結(jié)合數(shù)字上下變頻的方式實(shí)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(shè)計和仿真尤為重要。本文考慮到實(shí)驗教學(xué)學(xué)時的有限性，探討利用Simulink仿真工具進(jìn)行基帶通信系統(tǒng)仿真建模的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計和教學(xué)方法改進(jìn)。

一、認(rèn)識和學(xué)習(xí)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(jìn)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(xué)生學(xué)習(xí)和接受。在Simulink環(huán)境中，用戶不僅可以觀察現(xiàn)實(shí)世界中非線性因素和各種隨機(jī)因素對系統(tǒng)行為的影響，而且也可以在仿真進(jìn)程中改變感興趣的參數(shù)，實(shí)時地觀察系統(tǒng)行為的變化，因此已在許多領(lǐng)域，如通信、信號處理、電力、金融、生物系統(tǒng)等獲得重要應(yīng)用。對信息類專業(yè)的學(xué)生來說，無論是學(xué)習(xí)專業(yè)課程或相關(guān)課程設(shè)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(jìn)行連接，再設(shè)置各個模塊的參數(shù)即可進(jìn)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(jìn)行實(shí)驗內(nèi)容教學(xué)之前，可以對Simulink的基本使用方法和仿真流程進(jìn)行一個演示，但考慮到庫模塊較多并且實(shí)驗學(xué)時有限，不可能每個模塊都進(jìn)行詳細(xì)的說明，可撰寫一個Simulink庫模塊以及Simulink使用的說明文檔，重點(diǎn)標(biāo)注經(jīng)常用到的模塊，給同學(xué)們在課下進(jìn)行學(xué)習(xí)或者實(shí)驗過程中進(jìn)行查閱。

二、合理設(shè)計實(shí)驗內(nèi)容，由易到難，由部分到整體

為了在有限的實(shí)驗教學(xué)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(xué)生，并讓學(xué)生掌握各模塊的參數(shù)設(shè)置方法和系統(tǒng)仿真方法，必須對實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心設(shè)計。物理層處理的是二進(jìn)制的比特流，因此仿真時采用一般的二進(jìn)制隨機(jī)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(guān)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(yīng)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(xué)生接受，總體來說采用由易到難、由部分到整體的設(shè)計策略，設(shè)計以下四個實(shí)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(xué)習(xí)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(jìn)制隨機(jī)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(xué)習(xí)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(shè)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(jìn)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(xué)習(xí)卷積編碼器和維特比譯碼器模塊參數(shù)的設(shè)置方法。為了考察卷積編碼器的性能，需要加入信道模塊，學(xué)習(xí)信噪比參數(shù)的設(shè)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(shí)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(shí)驗項目難度依次遞增，層次分明，并涵蓋了需要學(xué)習(xí)的各部分內(nèi)容。教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生普遍顯示出比較濃厚的興趣，能夠達(dá)到讓學(xué)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(xué)方法和考核方式，激發(fā)學(xué)生興趣

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

參考文獻(xiàn)：

[1]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.

[2]李賀冰.Simulink通信仿真教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[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(zé)任編輯 劉 馨）