通信工程教学实践环节中仿真技术的应用

邵玉斌 龙 华 刘增力 向凤红

[摘要]论述了通信仿真技术应用的必要性和应用范围，讨论了仿真技术在通信工程专业实践教学环节中的应用方法，并总结了通信工程专业在教学科研中应用仿真技术的一些经验，为进一步拓展仿真技术在通信与电子工程领域的教学应用提出了建议。

[关键词]仿真技术；通信工程；仿真软件工具

[中图分类号]G40—057

[文献标识码]A

[论文编号]1009—8097(2009)13—0309—03

一仿真在现代通信技术中已成为重要的工程设计手段

随着通信技术和计算机技术的进步，通信系统仿真技术已经逐渐成为通信系统设计和验证的主要手段。近二十年以来，数字信号处理方法和软件无线电技术得到了广泛应用，传统的设计手段和设计方法已经不能适应急剧增加的通信系统复杂性的要求。今天，如果没有计算机仿真方法，系统设计和性能测试是不可能完成的。

传统的通信系统设计中，主要考虑的是对热噪声的性能指标问题。传输信道一般建模为加性高斯信道，性能指标的评估采用传统的解析计算方法就可胜任。然而，许多现代通信系统，尤其是工作环境十分复杂的无线电通信系统和抗干扰通信系统中，其工作频率在数千兆频带，电磁波传播特性也十分复杂，衰落和多径效应成为系统设计主要问题。相应接收机的复杂性大大提高：例如复杂的同步算法，信道估计和符号检测，RAKE体系结构以及非线性系统在现代无线电通信中被广泛采用。对此，传统的理论解析分析方法都不再总是有效的，对于现代通信系统而言，仿真方法是必需的设计和分析手段。

现代通信网络和网络协议的复杂性行为也是必须采用仿真方法研究的原因。传统的排队理论和运筹学可以解决对简单通信信息流量模型的性能分析和计算问题，但是现代通信网络协议的复杂性已经远远超出了传统数学的分析能力。为了快速、便捷而且准确地对通信网络协议性能做出评估，采用基于事件的离散事件仿真方法几乎是唯一的选择。采用仿真方法可以避免理论性能分析的障碍，通过系统建模，参数选择和调整，能够迅速得出系统在模拟真实环境中的行为表现，从而对所应用的信号处理算法、通信协议做出评估和改进。

微处理器和数字信号处理芯片技术的进步在硬件上保证了现代通信系统的实现问题，在此背景下，算法和协议的软件实现越来越成为系统功能实现的主要手段。仿真中应用的算法和真实系统中的功能实现算法已经融合。同时现代微型计算机的处理能力大大超过了数年之前的大型计算机，已经基本能够满足通信仿真软件和仿真数值计算对计算机运算能力和存储空间的需要。现在，在整个通信业界，基于仿真技术的系统设计分析已经被广泛采用，成为研究新理论，开发新技术的主流方法。掌握仿真技术也是通信业界所必需的技能之一。

二仿真技术是现代通信实验必不可少的环节

学习和研究现代通信技术是一个理论与实践相结合的过程。在通信工程实践环节中，仿真技术得到了广泛的应用。透过仿真技术，通信工程专业的学生可以学习和研究比传统通信理论所研究的对象更为复杂，更为接近真实工作环境的通信模型。而在传统理论框架中，系统模型必须加以简化才能得出解析结果。另外，利用仿真技术可以十分方便地修改系统参数，并且可以很快评估这些参数变化对系统整体性能的影响。随着交互式仿真环境的成熟，设计者利用简单的程序编写和系统方框图建模方法就可以模拟出复杂系统的工作行为，这样，通信工程师就能够将主要精力集中在通信系统的设计和本身改进的关注上，而不需将精力浪费在仿真程序，的编程技巧和调试上。

在复杂工作环境中，通信系统性能研究的基础是对传输信道的建模仿真问题。因此，信道仿真也就成为了系统评估中所必需的。同时，为了适应复杂的和时变的传输环境，现代通信系统的信号处理算法趋于复杂化。例如采用信道估计自适应算法，多天线技术，智能天线波束成形算法，CDMA蜂窝网络中的多用户检测算法，正交多载波调制算法，信道编解码算法等等。这些技术的实现必须依靠高速信号处理芯片和软件实现。对算法在实际通信环境中的适应性验证和评估就必须借助于仿真来完成。

现代通信系统中，通信协议设计和验证几乎都是基于仿真技术的。为了保证通信的实时性和利用效率，现代通信系统中提出了各种复杂的具有层次结构的通信协议，从而构成通信网络。排队理论和运筹学只能对通信协议做出简化的性能估算，与实际系统中的运行往往存在较大差别。由于实际系统行为的复杂性，解析分析几乎是不可能的，因此，对通信协议在实际网络环境中的评价就成为了网络协议仿真分析的主要任务。

现代通信系统的实现也是基于仿真技术的。通信功能的软件化实现、通信节点传输行为的智能化以及软件无线电技术本身是计算机技术和通信技术结合的结果。通信系统的电路级设计已经从基于纯硬件集成电路的模式转变为以可编程逻辑器件为编程对象的VHDL软件编程映射模式。VHDL程序设计和调试都是以仿真方法完成的。在系统级设计中，系统仿真和系统实现是统一的，仿真算法可以直接映射为DSP的实现代码。而在更高层的协议级设计中，通信网络协议仿真代码也就是协议实现的核心代码。软件无线电技术使得通信信号处理方法得到广泛应用，在基带信号处理中可以通过软件实现信号处理变换，得出射频波束成形，预编码，自适应均衡，自适应数字调制，解调，信道编解码，信源编解码，信息安全算法等等，而对这些算法的仿真算法和实现算法相同，代码可以直接应用于实际系统中。

现代通信系统的测试设备价格高昂，而且，实际工作中的通信系统往往具有不可测试特性。例如，对营运中的通信网络性能测试对于高校学生来说是几乎不可能的，也是营运通信网络所不允许的。但另一方面，对于通信系统和通信网络的研究是必须有实践对象的，在这种情况下，通信仿真和网络仿真是就必然成为唯一的选择。

总之，现代通信系统是一个复杂巨系统，对现代通信技术的学习和研究必须采用现代系统论的观点和方法。现代系统论指出，复杂巨系统往往是非线性系统，对系统的数学建模已属不易，对所建立的数学模型进行解析分析计算基本上是不可能的。对复杂巨系统的研究，关键在于把握系统在外界环境中的交互行为和系统状态的变化。对于计算机仿真来说，可以充分利用计算机的数值计算能力，在解析计算十分困难的情况下，采用相对简易的数值计算获得工程上可用的结果。工程设计的目的是得出符合实际的结果，在这个意义上来说，仿真方法是一条捷径。

三仿真是培养学生的学习兴趣、创造性思维、建立理论与实践结合的桥梁

通信工程专业对学生的数学基础要求高，除了传统微积分知识之外，还要求具有积分变换，概率论和随机过程、信息论的基本知识，排队论和离散数学的基本知识等等。通信工程专业课程都是建立在这些数学基础之上的。对通信工程本科学生的学习调查结果显示，大多数学生是出于对就业前景憧憬和单纯向往选择了该专业的。他们对通信工程专业的

技术素质要求和未来从事的工作性质并不十分了解。于是，虽然学生有很高的学习热情，但又普遍存在着对数理基础知识的轻视和畏惧。抽象的理论和工程实际脱节是本专业面临的教学困境之一：一方面通信系统的复杂性使得实验室不可能拥有系统级实验环境，另一方面通信工程的实际工作环境正是对系统级的通信网络设备的设计、运营和维护。如果把通信工程比喻为有血有肉活生生的人，那么通信理论就好比是人的骨架。如此，学生对学习理论知识的畏惧心理就是可以理解的了。如何在通信理论这个骨架上附着血肉，将专业知识作为活生生的技术事物展现给学生，是专业课程教师必须思考的问题。学习兴趣是通过教学艺术培养出来的，教学艺术不是空洞的，而是具体的适应与专业特征的方法。学习心理学指出。对于学习成效而言，学生的学习兴趣比刻苦精神重要得多。

在多年探索中，我们发现，对于通信工程专业的教学实践，通信仿真方法较成功地成为了理论联系实践的桥梁。首先，仿真方法将纯粹的数学理论知识通过计算机转化为生动的数学实验，成为理论实验的有效工具。利用仿真方法，通过数值计算得出生动的曲线图表，学生可以从中理解数学理论的实际内涵，从而加深对理论知识的理解和掌握。重建学习的兴趣。其次，仿真建模分析可以通过相对简单的仿真过程去对比理论解析结果，将抽象的理论模型通过仿真实现为具体的可以进行行为调试的软通信机。通过仿真建模过程，学生既对理论分析有了深入的认识，同时也清楚了实际通信系统的工作原理和系统参数对通信机性能指标的影响。例如，对调制解调的波形及其频域分析使得学生能够直观地感受到调制解调的作用，噪声对传输的影响以及傅里叶分析的应用：对纠错编解码的仿真可以直接测试出编码的抗干扰能力；而对信道和通信收发信机的仿真可以得出信号噪声功率比对系统传输差错率的曲线关系，并可比较各种调制制式的性能。这样，通过仿真实验将通信理论的核心问题实例化，从而深刻理解理论本身的实质和意义。通过系统仿真，学生可以从理论到数学建模，再到计算机建模和仿真，在得出结果的过程中，从建模过程和实验结果中体会通信系统的实质。经过这样的过程，学生就不再视通信系统是抽象的死的东西。

大学教育不仅仅是对专业知识的灌输，专业教育应更加重视创造力的培养。没有适当的实践手段和方法，是很难有效地培养创造性，利用仿真手段，学生可以将其头脑中利用专业基础知识和创造灵感得到的系统模型在计算机中加以实现，创造性地构建通信系统，验证其思想，不断总结工程经验，验证系统行为的过程，如此反复，会使得学习的主动性大大提高。创造能力也就在这一生动的实践活动中逐步培养得以形成。

通信仿真实验是对传统硬件软件实验的综合和升华。对于通信工程的学生，具备基本的电子技术知识是十分重要的，尤其是电子技术的实践经验对于专业学习和未来的工作能力起着关键作用。电路模块是通信系统的构成元素，线性系统是电路的功能模型，而信号处理则是线性系统理论的应用提升。通信工程专业是一门系统级的工程学科，通信系统就是通过通信协议联系起来的以信号处理为功能实体的复杂系统。从层次上，只有对传统的硬件和软件具有实践经验的人才能够真正理解通信系统，也才能在系统仿真中把握物理实质。通信仿真实验通常是系统级的，即把通信系统模块视为功能模块。以协议联系这些模块，仿真就是考察系统行为的过程。

四现代通信仿真技术的层次和软件需求

根据仿真对象的不同，相应的仿真手段、方法和适用的软件也有所不同。随着仿真技术在通信领域的推广，在通信技术的各层次都产生了相应的仿真工具。通信技术从底至上，大体可以划分为：电路系统、功能模块、通信系统方框图以及通信网络等几个层次。

在电路系统层次，工程目标是设计满足要求的电路系统，对于模拟电路，如设计放大器、频率综合器、锁相环、变频、调制解调器等等。对于数字电路，如各种时序逻辑电路、伪随机码发生器、编解码器等等。在电路系统层次的设计关键是电路拓扑设计和电参数选择。仿真语言Pspice可以胜任模拟电路领域的设计和仿真问题，集成了Pspice语言的可视化仿真软件众多，常用的有EWB、ORCAD、Protel DXP以及最新的Altium(Protel)EDA设计软件。其中EWB简单易用，目前已经广泛用于模拟电路课程教学和实验中，0RCAD和Protel DXP是电路设计的专业软件，从电路原理图设计、原理图级仿真到印制板图生成和印制板级仿真都可完成，Altium(Protel)EDA设计软件则逐渐成为了现代电子系统设计中从芯片开发、板级设计、电磁兼容到机电一体化设计整个环节的统一仿真设计平台。数字电路的设计现在已经转入了大规模可编程逻辑器件时代，主要以VHDL语言作为软件设计语言，不同厂商为其产品提供了相应的设计和仿真平台，如Max-Plus Ⅱ等等。对于数字信号处理芯片(DSP)的设计，也有厂商提供的编程仿真环境可用，如T1的DSP编程仿真平台CCS，可完成编程、软件仿真和目标板硬件仿真直到代码下载全过程。功能模块层次的仿真任务是解决通信功能模块的输入输出参数指标设计问题，也包括模块内部的结构和算法问题。如电磁传播环境仿真、信道均衡，波形估计和信号参数估计，智能天线、编码调制等等。在通信系统方框图层次的任务是根据设计目标构建通信系统，包括发信机、信道以及收信机。仿真目标是研究整个通信系统在使用信道环境下的适应性，如传输差错率性能，抗干扰性能等等。

适用于功能模块层次和通信系统方框图层次的仿真软件众多，有Matlab／Simulink，Scilab和SystemView等等。其中，SystemView是通信系统专用的系统级仿真软件，软件模块库提供了全面的通信系统模块，完成可视化模块建模后立即可得出仿真结果。Matlab／Simulink则是较为通用的系统仿真和科学计算平台，几乎所有理工学科的仿真实验和数值计算均可在该平台上完成。Matlab通过编程可完成算法仿真，Simulink是Matlab的扩展，是可视化方框图建模仿真工具。Matlab提供了C／C++编译和C／C++语言的接口，其信号处理工具箱还提供了DSP代码翻译接口，将仿真和算法实现统一起来。Scilab是法国国立信息与自动化研究院INRIA开发的一个开放源码的免费科学计算仿真软件，与Matlab相兼容。

在通信网络层次的仿真问题以通信网络协议仿真为主，主要以网络信息流量和阻塞率指标为参数。广为采用的仿真平台有OPNET和NS，OPNET是商用专业网络仿真软件，工作于Windows平台，在C++编译器的支持下，可进行从广域到局域，有线到无线的全网络仿真。NS是Linux下的开源软件，也是广为应用的网络仿真平台。

五实践效果评价和建议

在通信工程专业教学中，我们建立了通信仿真实验室，以Matlab／Simulink和OPNET为主要仿真工具，在专业课程实验、课程设计、实习以及毕业设计中应用了系统仿真的方法。在大学二年级阶段，开设了Matlab语言基础课程，系统介绍了这一科学计算和系统仿真工具，在专业课程前期开设了通信系统仿真课程，以Matlab和OPNET为工具介绍了通信系统仿真的基本思想、仿真方法论和实践。在课程实验和课程设计中鼓励学生创造新系统并得出仿真结果。通过毕业设计课题对仿真应用加以升华。通过多层次的仿真技术教学实践活动的开展，学生的编程能力和通信系统思想得到了很大提高。

在实践教学中，我们认为，仿真技术的应用是以电路硬件实验作为基础的。没有一定数量的电路实验和硬件平台实验的支撑，仿真技术只能是空中楼阁。系统论是仿真技术方法论的基础，软件无线电技术和通信信号处理技术作为仿真技术的应用背景，也起着重要作用。所以仿真技术的应用不是单纯是软件应用问题，而是一个综合的学科建设问题。只有从通信工程学科的高度，从通信工程学科内在要求来认识和应用仿真技术才能起到好的作用。