Simulink 在“通信原理”课程中的应用

周维龙 罗 飞 聂 辉

（湖南工业大学，湖南 株洲 412008）

0 引言

《通信原理》这门课程是电子信息工程类专业一门重要的专业核心课，也是《卫星通信》、《光纤通信》等后续专业课的基础，因此许多学校将《通信原理》列为通信类专业研究生入学考试的必考科目。而这门课的特点是：要求数学基础扎实，这门课以《概率论与数理统计》、《随机过程》、《信号与系统》和《高频电子线路》等课程为基础，该课程涉及的知识面广，公式和数学推导较多，而且概念和原理抽象、深奥，学生学习起来普遍感觉吃力[1]。是一门理论性与实践性都比较强的课程。在教学和实验过程中，为了更好地将理论教学和实践相结合，把系统性能与参数之间关系形象的展现，可利用Matlab/Simulink软件强大的仿真功能和丰富的专业工具箱，设计构建通信原理仿真模型，使得通信系统的设计和分析过程变得相对直观和便捷，有助于学生更好地理解通信系统性能。学生还可利用通信系统仿真广泛的适应性和极好的灵活性，通过对现有通信系统模型的研究，结合所学专业知识，编写相应的仿真程序，自主设计电子通信仿真系统。[2]

1 Simulink与“通信原理”课程教学

Simulink作为Matlab语言上的一个可视化建模仿真平台，起源于对自动控制系统的仿真需求，它采用方框图建模的形式，更加贴近于工程习惯。随着Matlab/Simulink通信、信号处理专业函数库和专业工具的成熟，它们逐渐为广大通信技术领域的专家学者和工程师所熟悉，在通信理论研究、算法设计、系统设计、建模仿真和性能分析验证等方面的应用也更加广泛。非常适合应用于“通信原理”课程教学中。其主要特点有：

（1）丰富的可扩充的预定义模块库；

（2）交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图；

（3）以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理；

（4）通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码；

（5）提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成；

（6）使用Embedded MATLAB™ 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法；

（7）使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal，Accelerator，Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型；

（8）图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为；

（9）可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据；

（10）模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。

根据通信系统的组成和通信原理课程进度安排，利用simulink构建的通信仿真系统可分为三部分：基本通信模块的设计、通信系统的搭建、综合仿真系统。基本通信模块根据通信系统构架，结合课堂理论知识点，将整体系统分成不同模块，分别介绍各个组成部分功能指标，主要用于课堂教学中基本概念、定理的演示。通信系统模块将基本模块有机组合，构建完整的通信系统，对模拟、数字通信系统进行仿真，分析系统特性参数，主要用于课堂教学和实验教学中。有一定的理论基础和简单通信仿真系统搭建经验后，学生可自主设计综合通信系统，完成相应课程设计和毕业设计。

2 Simulink仿真训练的必要性与可行性

在发达国家的主流理工大学里，MATLAB已经成为一门必修课程。而在国内外的科研机构、大型公司企业的计算部门里，MATLAB也是最普遍的仿真计算工具。可见，理工科学生熟练掌握MATLAB这门语言，无论对其学习还是工作都是十分必要的。

在课程教学中，通过MATLABMATLAB/Simulink的形象化展示，可以引导学生理解物理概念和掌握基本原理，使学生对书本理论的理解更为直观和透彻；在课后学习及实验过程中，通过基于MATLAB的仿真编程训练，可以使学生充分掌握所学知识，更深入理解相关理论，从而使学生学习更具主动性，更有创造性。因此，为了锻炼学生对MATLAB软件的使用能力，在“通信原理”课程中有针对性地开展MATLAB/Simulink仿真训练，变抽象为具体，变枯燥为生动，激发学生学习兴趣，达到切实提高课程教学质量的目的，是有其必要性的[3]。

当前，湖南工业大学以及大部分高校都已建成多媒体教室和计算机开放实验中心，每个学生寝室平均都有一台以上的电脑，硬件条件已经成熟。从理工科本科教学的实际情况来看，学生在学习“通信原理”课程时已经具有基本的计算机编程能力。如果将MATLAB/Simulink软件与教学相结合，学生在对新的编程软件快速上手的同时，还能对基本理论有更直观的认识。授课老师也可以充分利用它来辅助理论教学和实验教学。总的来说，在教学中引入MATLAB/Simulink仿真训练无疑是完全可行的。

3 扩频调制系统的建模与仿真

3.1 扩频调制实现方法[4]

扩频调制通常的实现方式是将一个待扩频的信号与一个扩频码在时域相乘，实现框图如图 1示。其中 Signal_in为窄带信号，经过扩频后，得到Signal_out为宽带信号。接收时，经过解扩乘以相同的PN码，恢复出窄带信号。而传输过程中加入的干扰，在解扩时相当于进行了扩频，大大降低了干扰信号的频谱密度，从而达到抗干扰的目的。

图1 扩频调制原理框图

3.2 扩频调制的建模与仿真

由图1可得，扩频调制由信号源，PN码发生器以及乘法器等三个部分组成，为设计简单，可直接采用Bernoulli Binary Generator模块作为信号源，PN Sequence Generator模块和Unipolar to Bipolar Converter模块共同构成PN码产生器，其仿真模型如图2所示[5]。在Matlab/Simulink中建立一个M文件，并调出相应的模块，构成如图2所示电路图，对各模块的参数进行相应的设置后，便可进行仿真，运行结束后，双击模块中的“Compare”示波器，可观察到输入信号和输出信号的波形，如图3所示，频谱示波器Base-Band中显示的是扩频调制前的频谱图，如图4所示；频谱示波器PN中显示的是扩频调制后的频谱图，如图5所示。

图2 扩频调制仿真模型

图3 扩频调制前后信号波形图

从图4、图5中可以看出，扩频调制后，信号的频谱扩展了大约255倍。设置仿真参数时，将PN码长度设定为255 bit，理论上可以将频谱扩展255倍，可以看出仿真结果与理论计算完全相符。[6]

图4 扩频调制前频谱图

图5 扩频调制后序列的频谱图

4 结束语

笔者在电子信息工程专业07、08、09级通信原理课程教学中，采用Matlab/Simulink对一些典型通信系统进行建模与仿真，使学生巩固了课堂上所学的理论知识，加深了对通信原理中的基本概念、基本原理、基本分析方法的理解、掌握与运用。使学生在学好通信原理这门课程的同时，也掌握了Matlab/Simulink的运用，为他们在后续课程的学生，打下了坚实的基础。

[1]朱颖莉,王建敏,刘玉莹.《通信原理》课程教学改革探索[J].南昌高专学报,2011,(1):122-123.

[2]邓红涛,查志华,张锐敏.Simulink在通信原理教学中的综合应用[J].教育教学论坛,2012(3):211-212.

[3]穆宏慧.《通信原理》教学方法改革方案[J].现代企业教育,2012,(1):27.

[4]赵琳,邵敏敏.基于Simulink的数字通信系统的建模与仿真[J].计算机工作程应用技术,2009,(9):7812-7814.

[5]邵玉斌.MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].北京:清华大学出版社,2008.

[6]赵刚.扩频通信系统实用实用仿真技术[M]北京:国防工业出版社,2009.