基于Simulink的基带通信系统教学方法探究

李国权

摘 要 通信原理是一门理论性较强的课程，经过学习学生可以主要掌握通信系统物理层传输技术的相关基础理论，但对其实际实现的技术细节和实现方法仍不能具体了解。考虑到目前物理层主要采用中频数字化实现，通信系统基带部分调制解调算法的设计与仿真显得尤为重要。本文基于模块化的仿真工具Simulink，重新设计通信原理实验内容，探索通过四个项目使学生完整了解通信系统基带部分模型的搭建、参数设置和性能评估方法，实现理论教学和实践的紧密结合。

关键词 通信系统 Simulink 教学方法

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2014）08-0001-02

通信原理是现代通信技术的基础理论课，是通信与信息类专业本科生必修的专业基础课，主要介绍通信系统物理层传输技术的基本概念和基本理论以及实现方法等。为了更好地将理论教学和实践相结合，加深学生对知识的清楚理解和灵活运用，在理论教学的同时一般会安排有实验教学。大体上说，实验教学往往是采用通信原理实验箱的方式，来了解通信信号的产生、传输和接收的整个流程，使学生直观了解到一个基本的通信系统的完整工作流程，激发学生学习的兴趣。但由于实验箱上的实验大多都是验证性的实验，学生仍然不能够了解每个部分的内部实现细节，也不能够了解目前通信系统实现中常用的技术方法。近年来数字通信技术迅猛发展，物理层传输实现时常采用基带调制解调结合数字上下变频的方式实现中频数字化发射和接收，因此基带数字调制解调算法的设计和仿真尤为重要。本文考虑到实验教学学时的有限性，探讨利用Simulink仿真工具进行基带通信系统仿真建模的教学内容设计和教学方法改进。

一、认识和学习Simulink，了解通信系统仿真常用库模块的使用

Matlab或者Simulink是通信系统仿真较为常用的仿真工具，其中Simulink是一个对动态系统进行建模、仿真和综合分析的集成软件包，Simulink的模块化或者说图形化操作方式，相对于Matlab来说更容易被学生学习和接受。在Simulink环境中，用户不仅可以观察现实世界中非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响，而且也可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时地观察系统行为的变化，因此已在许多领域，如通信、信号处理、电力、金融、生物系统等获得重要应用。对信息类专业的学生来说，无论是学习专业课程或相关课程设计，还是在今后的工作中，Simulink都是一个重要的仿真建模工具。

Simulink常用模块均以库的方式给出，将需要的模块从库中拖动到新建文件中，并将各模块根据数据传输的顺序用线进行连接，再设置各个模块的参数即可进行仿真。对通信系统仿真来说，主要用到Simulink基本库，通信系统工具箱和数字信号处理工具箱。通信系统工具箱涵盖了基带通信系统的各个部分，包括信号源、滤波器、各种数字基带调制解调、信道编译码等模块，能够基本满足通信系统仿真的各种需求。因此在正式进行实验内容教学之前，可以对Simulink的基本使用方法和仿真流程进行一个演示，但考虑到库模块较多并且实验学时有限，不可能每个模块都进行详细的说明，可撰写一个Simulink库模块以及Simulink使用的说明文档，重点标注经常用到的模块，给同学们在课下进行学习或者实验过程中进行查阅。

二、合理设计实验内容，由易到难，由部分到整体

为了在有限的实验教学时间内将基带通信系统涉及到的各个组成部分全部呈现给学生，并让学生掌握各模块的参数设置方法和系统仿真方法，必须对实验教学内容进行精心设计。物理层处理的是二进制的比特流，因此仿真时采用一般的二进制随机数发生器如伯努利产生器即可。Simulink库中已经提供了相关模块，但对一个基带通信系统来说，还包括信道编码、成型滤波、调制解调、信道等组成部分，并且要考察搭建通信系统的性能，也需要掌握相应的性能评价方法（一般采用绘制误比特率曲线的方法）。

为了更好地使学生接受，总体来说采用由易到难、由部分到整体的设计策略，设计以下四个实验项目：数字基带调制信号的产生、数字基带调制信号的星座与频谱、卷积编译码的性能仿真、卷积编码的QPSK调制解调系统仿真。数字基带调制信号的产生主要学习常用的数字基带调制信号如BPSK、QPSK、QAM以及GMSK信号的产生方法，并对比输入同样二进制随机信号情况下输出调制信号的符号速率。第二个项目主要学习数字调制信号的过采样，以及矩形脉冲和升余弦脉冲成型滤波器的设置方法，并使用Simulink库提供的星座图示波器和频谱仪来观察对比不同调制信号采用两种滤波器成型时的星座图和频谱图，进而比较信号源具有相同比特速率的情况下各调制信号的频谱和占用带宽情况。第三个项目主要学习卷积编码器和维特比译码器模块参数的设置方法。为了考察卷积编码器的性能，需要加入信道模块，学习信噪比参数的设置方法以及不同信噪比情况下误比特率的计算方法，最终绘制误比特率曲线来展示编译码性能。第四个项目综合前面几部分的内容，同时又增加了解调部分，实现一个QPSK基带调制解调系统的仿真及性能分析。四个实验项目难度依次递增，层次分明，并涵盖了需要学习的各部分内容。教学实践证明，学生普遍显示出比较浓厚的兴趣，能够达到让学生掌握基带通信系统仿真和分析的最终目的。

三、改革教学方法和考核方式，激发学生兴趣

实验内容确定以后，也需要采取一定的教学方法，而考核方式也会影响学生学习的积极性，因此，需要对教学方法和考核方式做出一定的改变。以往的实验课程采取教师先对实验内容进行讲解演示，然后学生进行练习，最终教师进行检查的教学方法。这种方式优点是教师讲解较为详细，但是学生一般不需要深入进去，只需依葫芦画瓢即可完成实验内容。此外，所有学生实验内容完全一致，学生的惰性也容易发挥作用，只要一个学生完成实验，其他同学拷贝一份应付教师检查，上交的实验报告也是互相抄袭，千篇一律，实验教学效果较差。综合考虑，可以首先利用两个学时的时间对Simulink的使用方法和常用库模块给学生进行介绍和演示，并让学生简单练习；然后在每次开展实验项目之前，对涉及到的通信原理知识点进行复习讲解；接下来学生开展实验项目，增加学生实验主动性；最后教师再进行演示并集中回答学生在实验过程中遇到的问题。此种方式充分利用了学生对未知问题的求解欲望，因此教学效果也更好。另外为了杜绝考核验收中的抄袭现象，可以采取实验内容跟学生个人信息绑定的策略，每位同学实验内容和实验结果均不相同，增强了对学生的约束力。在此基础上，考虑到最后一个实验项目是综合性的，而且每位同学实验参数不同，可取消平时检查，采取上交最后一个实验项目报告的方式作为考核依据。

参考文献：

[1]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.

[2]李贺冰.Simulink通信仿真教程[M].北京：国防工业出版社，2006.

[3]蒋青，于秀兰.通信原理（第2版）[M].北京：人民邮电出版社，2008.

（责任编辑 刘 馨）