楊 潔南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院　江蘇南京　211167

通信原理課程實(shí)踐教學(xué)體系的改革與探索

楊 潔
南京工程學(xué)院通信工程學(xué)院江蘇南京211167

根據(jù)通信原理課程的特點(diǎn)和實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)的現(xiàn)狀，提出了以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、課程設(shè)計為重要補(bǔ)充的通信原理實(shí)踐教學(xué)體系，介紹了基于Simulink的通信原理課程設(shè)計內(nèi)容設(shè)置，并以數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)為例，對課程系統(tǒng)的設(shè)計與仿真過程進(jìn)行了分析。實(shí)踐證明，基于Simulink的通信原理課程設(shè)計有助于學(xué)生理解通信系統(tǒng)的基本原理，提高實(shí)踐能力，提升課程的教學(xué)效果。

Simulink；仿真；通信原理；課程設(shè)計

通信原理是電子信息類專業(yè)的一門承前啟后的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是眾多高校電子通信類專業(yè)研究生入學(xué)考試的必考科目之一。它與高等數(shù)學(xué)、概率論、隨機(jī)過程、信號系統(tǒng)以及數(shù)字電子技術(shù)等前續(xù)課程關(guān)系緊密，同時又對數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)、移動通信、光纖通信以及現(xiàn)代交換技術(shù)等后續(xù)專業(yè)課程有重要影響。本課程知識點(diǎn)豐富，概念抽象，理論性強(qiáng)。通過加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)，將抽象的通信理論與實(shí)際的通信信號和通信系統(tǒng)聯(lián)系起來，是加深學(xué)生對原理的理解、 貫通各知識點(diǎn)、 提高分析和解決具體問題能力的有效途徑。[1]

1　傳統(tǒng)實(shí)踐環(huán)節(jié)的不足與對策

目前，通信原理實(shí)踐環(huán)節(jié)開展方式主要包括硬件驗(yàn)證和軟件仿真2種。[2]利用通信原理實(shí)驗(yàn)箱開展驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，多數(shù)實(shí)驗(yàn)只需作導(dǎo)線連接、跳線和可變電阻器的調(diào)節(jié)，學(xué)生獨(dú)立思考和自主設(shè)計的機(jī)會很少。[3]利用Matlab編程可以實(shí)現(xiàn)對通信系統(tǒng)的仿真，然而，學(xué)生需要花很多精力去編寫和理解抽象的代碼，反而忽略了對原理的理解。[4]Simulink是Matlab提供的用于系統(tǒng)建模、仿真和分析的工具包，廣泛應(yīng)用于通信、數(shù)字信號處理等領(lǐng)域的仿真中。[5-7]由于實(shí)驗(yàn)的學(xué)時限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容只能針對具體的知識點(diǎn)進(jìn)行。例如，模擬調(diào)制實(shí)驗(yàn)、數(shù)字調(diào)制實(shí)驗(yàn)、信道編碼、脈沖編碼調(diào)制實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對比較孤立，不利于學(xué)生對整個通信系統(tǒng)的認(rèn)識和理解。[8，9]

為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的不足，筆者對通信原理課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革。在通信原理理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)之后，增加了課程設(shè)計這一重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。形成了以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、課程設(shè)計為重要補(bǔ)充的實(shí)踐教學(xué)體系。在課程設(shè)計環(huán)節(jié)中，利用Simulink建立通信系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，使得信號在系統(tǒng)中的傳輸過程變得生動形象。加深學(xué)生對通信原理和通信系統(tǒng)構(gòu)成的理解，掌握利用工具進(jìn)行通信系統(tǒng)建模與仿真設(shè)計的方法。在課程設(shè)計中，學(xué)生可以自主設(shè)計各種完整的通信系統(tǒng)，調(diào)節(jié)設(shè)計參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能。

2　課程設(shè)計內(nèi)容與要求

數(shù)字通信是當(dāng)前的主要信息傳輸技術(shù)。[10]通信原理課程設(shè)計的內(nèi)容設(shè)置主要面向數(shù)字通信，通過課程設(shè)計將知識點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)融合。內(nèi)容包括：模擬信號的數(shù)字化、信道編譯碼、傳輸碼編譯碼、數(shù)字調(diào)制解調(diào)以及信道設(shè)計等。課程設(shè)計分為數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)和數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)兩大類，兩類系統(tǒng)包含的基本模塊分別如圖1和2所示。

圖1　數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計的基本模塊

圖2　數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計的基本模塊

各模塊的設(shè)計要求與參考學(xué)時如下。

(1)模擬信號輸入/輸出：模擬信號輸入模塊設(shè)計實(shí)現(xiàn)幅度和頻率可調(diào)的正弦波或方波的仿真，實(shí)現(xiàn)信號波形或頻譜的分析，參考學(xué)時：4。

(2)A/D，D/A轉(zhuǎn)換：A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，要求抽樣頻率可根據(jù)輸入信號自動調(diào)整。編碼可采用均勻量化編碼或A律13折線編碼，參考學(xué)時：6。

(3)信道編/譯碼：實(shí)現(xiàn)差錯控制編譯碼，結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容，可以選擇線性分組碼、循環(huán)碼或卷積碼編碼[10]，參考學(xué)時：6。

(4)傳輸碼編/譯碼：實(shí)現(xiàn)基帶信號傳輸碼的編譯碼仿真，結(jié)合理論教學(xué)內(nèi)容，可以選擇HDB3，AMI和曼徹斯特碼的編碼傳輸，參考學(xué)時：6。

(5)數(shù)字調(diào)制/解調(diào)：實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制與解調(diào)方式的仿真，結(jié)合理論課教學(xué)內(nèi)容，可以選擇2ASK，2PSK，2FSK，QPSK等[10]，參考學(xué)時：6。

(6)信道建模和誤碼率分析：設(shè)計加性高斯白噪聲信道、瑞利衰落信道；通過改變信道條件，測試系統(tǒng)誤碼率，分析不同調(diào)制方式、編碼方式對系統(tǒng)性能的影響，參考學(xué)時：4。

3　課程設(shè)計教學(xué)實(shí)踐

各子模塊內(nèi)容不同可以形成不同的通信系統(tǒng)。譬如，在數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真中，信道編碼采用(7，4)漢明碼，傳輸碼采用密勒碼，信道采用加性高斯白噪聲信道，則可以得到圖3所示的設(shè)計模型。

圖3　數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的設(shè)計模型之一

下面以圖3所示的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)為例，詳細(xì)闡述系統(tǒng)仿真過程。采用Simulink中的基本模塊庫和通信模塊庫搭建的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4　數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真模型

其中，PCM Encoder(PCM編碼器)、PCM Decoder(PCM譯碼器)、Miller Encoder(密勒碼編碼器) 與Miller Decoder(密勒碼譯碼器)是筆者封裝的子系統(tǒng)。整個傳輸系統(tǒng)分為發(fā)送端和接收端兩部分。發(fā)送端采用正弦信號作為輸入的模擬信號，模擬信號首先經(jīng)過PCM編碼器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，接著通過漢明碼編碼器進(jìn)行差錯控制，然后通過密勒碼編碼器編成傳輸碼，最后通過信道傳輸。接收端的處理過程與發(fā)送端正好相反。信道采用加性高斯白噪聲模塊仿真。另外，采用誤碼率計算和顯示模塊來對系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。下面介紹各子系統(tǒng)的設(shè)計與仿真。

3.1PCM編碼器

PCM編碼器實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，包括抽樣、量化、編碼三個環(huán)節(jié)。[11]PCM編碼器仿真模型如圖5所示。其中Saturation模塊為限幅器；Abs模塊取絕對值；A-Law Compressor為壓縮器，用于A律壓縮；“Relay”模塊的門限值為0，其輸出即可作為PCM編碼輸出的最高位——極性碼；Gain為增益模塊，將樣值放大到0～127，輸出7位碼；Quantizer模塊對放大的數(shù)據(jù)進(jìn)行間隔為1的量化，并進(jìn)行四舍五入取整；Inter to Bit Converter將量化后的整數(shù)編碼為7位二進(jìn)制序列，作為PCM編碼的低7位。

圖5　PCM編碼器仿真模型

PCM編碼器仿真結(jié)果如圖6所示。示波器輸出波形從上到下依次為：正弦波輸入信號、正弦波采樣后信號絕對值、A率壓縮后信號、放大信號、量化器(間隔為1)輸出信號、7位編碼加一位極性碼輸出。

圖6　PCM編碼器仿真波形

3.2PCM譯碼器

PCM譯碼器實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換，其仿真模型如圖7所示。首先分離并行數(shù)據(jù)中的最高位(極性碼)和低7位(幅度碼)，然后通過Bit to Integer Converter模塊將7位幅度碼轉(zhuǎn)換為整數(shù)值，再進(jìn)行歸一化，擴(kuò)張后與雙極性的極性碼相乘得出譯碼值?？梢钥闯?，PCM譯碼器的仿真過程基本上是編碼器的反過程。

圖7　PCM譯碼器仿真模型

PCM譯碼器仿真結(jié)果見圖8。示波器輸出波形從上到下依次為：PCM編碼的低7位、量化信號、量化還原信號、采樣信號(不含極性)、采樣信號(含極性)、低通濾波及限幅后信號(模擬信號)。對比圖6和圖8可以發(fā)現(xiàn)，恢復(fù)后的模擬信號與原始模擬信號波形完全相同。

圖8　PCM譯碼器仿真波形

3.3密勒碼編碼器

密勒碼的編碼規(guī)則是：符號“1”碼元起始不躍變，中心點(diǎn)躍變，即用“10”或“01”表示；符號“0”中心點(diǎn)不躍變，即用“00”或“11”表示；單個“0”時，保持0前的電平不變，對于連續(xù)“0”，則使連續(xù)兩個“0”的邊界處發(fā)生電平躍變。[10]密勒碼編碼器仿真模型如圖9所示。Relay模塊用于單極性到雙極性的變換，門限設(shè)為0.5，輸出值設(shè)為1和-1；Pulse Generator模塊與輸入信號經(jīng)過一個Relay模塊判決后再經(jīng)過相乘器Product模塊，Pulse Generator模塊的占空比設(shè)為50%；Counter模塊用于統(tǒng)計Product模塊輸出波形的下降沿。

圖9　密勒碼編碼器仿真模型

密勒碼編碼器仿真模型運(yùn)行后得到的仿真結(jié)果見圖10。示波器輸出波形從上到下依次為：輸入基帶信號(單極性)、基帶信號(雙極性)、脈沖信號(單極性)、脈沖信號(雙極性)、兩個雙極性信號的乘積、密勒碼波形。

圖10　密勒碼編碼器仿真波形

3.4密勒碼譯碼器

密勒碼譯碼仿真模型如圖10所示。Buffer模塊用于設(shè)置緩沖區(qū)，緩沖區(qū)大小為2；Reshape模塊用于將1行2列矩陣轉(zhuǎn)換為2行1列矩陣，第1行代表每個密勒碼碼元的前半個碼元的電平值，第2行代表后半個碼元的電平值；Demux模塊實(shí)現(xiàn)兩個行向量的獨(dú)立輸出；Relay模塊用于抽樣判決，門限設(shè)為0.5，輸出值設(shè)為1和0。

圖11　 密勒碼譯碼器仿真模型

密勒碼譯碼器仿真后得到的結(jié)果如圖12所示。示波器輸出波形從上到下依次為：受噪聲影響的密勒碼信號、每個符號前半個碼元的電平值、后半個碼元的電平值、前后半個碼元的電平值之差(用于判斷原碼)、前后半個碼元的電平值之差的絕對值、判決結(jié)果(基帶信號)。對比圖10和圖12可以發(fā)現(xiàn)，密勒碼譯碼后的波形與基帶信號波形相同。

圖12　 密勒碼譯碼器仿真結(jié)果

3.5系統(tǒng)仿真結(jié)果

設(shè)置信道信噪比為20 dB，仿真后結(jié)果如圖13所示。示波器輸出波形從上到下依次為：輸入模擬信號、發(fā)送端PCM信號、發(fā)送端(7，4)碼編碼信號、接收端(7，4)碼編碼信號、接收端PCM信號、接收端恢復(fù)的模擬信號。此時系統(tǒng)的誤碼率為0.000 375，這是因?yàn)樾诺罈l件較好，所以誤碼率較低。由于誤碼率很低且示波器的顯示范圍有限，圖13看不出誤碼。可以看出，發(fā)送端的(7，4)碼編碼信號、PCM信號波形均與接收端的信號波形完全相同，發(fā)送的模擬信號波形與恢復(fù)的模擬信號波形也完全吻合。

圖13　數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真結(jié)果（信噪比=20dB）

圖14　數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真結(jié)果（信噪比=10dB）

降低信道的信噪比為10 dB，此時仿真結(jié)果如圖14所示?？梢钥闯?，發(fā)送端與接收端的PCM編碼信號有明顯差異，接收端恢復(fù)的模擬信號幅度也有了明顯衰減。此時系統(tǒng)的誤碼率為0.063，這是因?yàn)樾诺罈l件不理想。信噪比分別為20 dB，10 dB時的誤碼率如圖

15所示。

圖15　不同信噪比下系統(tǒng)的誤碼率

對比接收端與發(fā)送端的時域波形，可以看出本文設(shè)計的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)比較合理，可以正確地仿真信號的數(shù)字化及基帶傳輸?shù)娜^程，仿真結(jié)果與理論分析一致。

4　結(jié)束語

通信原理課程教學(xué)中，理論講授和多媒體課件的演示只能從一個方面來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握該課程的基本知識，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)又要受到課時、儀器設(shè)備的限制。利用Simulink開展課程設(shè)計，學(xué)生通過對一系列知識點(diǎn)的綜合仿真設(shè)計，可以加深對通信系統(tǒng)認(rèn)知和理解，并且掌握利用Matlab/Simulink軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真的方法。實(shí)踐證明，基于Simulink的通信原理課程設(shè)計可以方便、 直觀地展示系統(tǒng)工作流程及各工作點(diǎn)的實(shí)時狀態(tài)，反映的物理概念和現(xiàn)象明確，有利于學(xué)生更高效地理解教學(xué)內(nèi)容。

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Reform and Exploration for Practice Teaching System in Communication Principle Course

Yang Jie
Nanjing Institute of Technology， Nanjing， 211167， China

According to the characteristics of communication principle course and the current situation of its practice teaching， this paper proposes a practice teaching system of communication principle which is composed of both experiments and course design. This paper introduces the content settings and the teaching practice of course design based on Simulink. Furthermore， the design and simulation for data baseband transmission system is given as an example. Practice proves that， Simulink based course design in communication principle can not only help students to understand communication system， but also improve their practical ability.moreover， it can raise the teaching effect.

Simulink； simulation； communication principle； course design

2014-11-28

楊潔，博士，副教授。

南京工程學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目(編號：JG201426)。