计算机仿真在《通信原理》实验教学中的应用

王 凡

(电子科技大学中山学院 机电工程学院，广东 中山，528400)

《通信原理》为电子信息工程、通信工程等专业的重要专业基础课程，涉及《信号与系统》《概率论》和《高频电子线路》等多门先修课程，具有理论性和逻辑性较强、知识面广、抽象概念多的特点［1］。在理论教学中一般是通过原理框图得到数学模型，通过对数学模型的分析从而得到通信的基本概念与重要结论。通信原理实验在通信原理重要结论的验证及通信系统的设计等方面起着非常重要的作用，能巩固学生在课堂上学到的理论知识，而且精心设计的实验环节会使学生的逻辑思维与动手能力都得到很大提高。

1 基于实验箱的通信原理实验

在传统的通信原理实验中多采用实验箱进行操作，采用示波器观察实验波形。实验箱一般由多个模块组成，每个模块相互独立，完成不同的实验内容。传统通信原理实验箱布局如图1所示。

在使用实验箱的过程中，一般需要配合直流稳压电源，在部分实验中还需用频率计、低失真度低频信号源、失真计与频谱仪等［2］。但是，由于本课程的特点，在模拟现实情况下，实验波形大多存在不同程度的延时和失真，且实验波形又比较多。加上部分学生理论学习不够扎实，缺乏对模拟电路及数字电路的分析、设计及调试能力，往往不能观测和识别正确的波形，更不要说根据实验结果做出详细的实验分析。

图1 传统通信原理实验箱布局

2 基于计算机仿真的通信原理实验

通信系统的计算机仿真，就是利用计算机对实际电子通信系统的物理或者数学模型进行试验，通过这样的模型试验来对一个实际系统的性能和工作状态进行分析和研究。

2.1 常用通信仿真软件

SystemView是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台［3］。它具有以下优点:(l)强大的仿真设计功能;(2)丰富的库资源，SystemView的基本库中包括多种信号源、接收窗、加法器、乘法器、各种函数(包括多项式、三角函数、对数函数、指数函数、逻辑函数等常用函数)运算器等，它还带有各种专业库供选择，如通信、逻辑、数字信号处理、射频/模拟等;(3)开放友好的用户界面;(4)灵活的硬件设计接口，除了一般的方案论证外，SystemView还提供了与多种硬件设计工具的接口;(5)智能化的辅助设计;(6)动态的分析和后台处理。Matlab是MathWorks公司开发的跨平台、用于矩阵数值计算的简单高效的数学语言。相对于其他的程序设计语言，Matlab语言编程要简洁得多，编程语言更接近于数学描述，可读性好，其强大的图形功能与可视化数据处理能力是其他高级语言无法比拟的［4］。

与其他高级程序设计语言相比，Matlab具有以下优势:(1)Matlab是一种跨平台的数学语言，可以在目前所有操作系统上运行;(2)Matlab是一种超高级语言，它本身是由C语言写成，其中又汇集了当前最新的数学算法库;(3)语法简单，编程风格接近数学语言描述，是数学算法开发和验证的最佳工具;(4)计算精度很高，Matlab中的数据都是以双精度存储的;(5)具有强大的绘图功能，可以轻易地获得印刷级的曲线图;(6)具有串口操作、声音输入输出等硬件的操控能力;(7)Matlab程序可以直接映射为DSP可接受的代码;(8)Matlab程序的执行效率比编译语言低，但是用C语言编写算法，再通过Matlab接口在Matlab中执行，可以提高执行效率。

Simulink是Matlab中的一个建立系统方框图和基于方框图级的系统仿真环境，是一个对动态系统进行建模和仿真以及仿真结果分析的软件包。使用Simulink可以更加方便地对系统进行可视化建模，并进行基于时间级的系统级仿真，使得仿真系统建模与工程中的方框图统一起来。而仿真结果可以近乎“实时”地通过可视化模块，如示波器模块、频谱仪模块以及数据输入输出模块等显示出来。

2.2 SystemView与Matlab对于通信仿真的比较

在SystemView中，具体的电路系统是由单独的模块组合而成的，这些模块称为Token，每一个Token都有自己定义的输入、输出及相应的参数，以实现特定的功能。SystemView基本属于一个系统级工具平台，并配置了大量模块库，用户可以构造出所需要的仿真系统，只要调出有关图符块并设置好参数，完成图符块间的连线后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、功率谱、星座图和各类曲线形式给出系统的仿真分析结果。但是，由于SystemView的开发公司Elanix在2005年已经被Agilent公司收购，软件版本再无更新，已经无法支持一些最新通信技术。

Simulink仿真环境附带了许多专业的仿真模块库，可以快速建立该专业领域的系统模型并进行仿真，而不需要用户详细了解其实现的细节，大大方便了大系统的建模。Simulink全方位地支持动态系统的建模仿真，它支持连续系统、离散系统、连续离散混合系统、线性系统、非线性系统、时不变系统、时变系统的建模仿真，也支持具有多采样速率的多速率系统。而且随着Matlab每年两次的升级，Simulink还会添加更多的专业模块库。在通信仿真领域，Simulink几乎是无所不包的。

2.3 基于Simulink的通信系统仿真

通信工具箱增强了Matlab科学计算环境的函数、图表和图形用户界面，可以浏览、设计、分析和仿真用于通信系统物理层的算法。通信工具箱的函数可以从Matlab命令行、BERTool GUI中以及自己编写的Matlab脚本和函数中执行。

通信工具箱的主要功能包括:(1)用于设计通信链路物理层的函数，包括信源编码、信道编码、交织、调制、信道模型和均衡等;(2)用于通信信号可视化的图表，如眼图、星座图和信道散点图;(3)用于对系统误码率与多种证实分析结果进行比较的图形用户界面;(4)标准信道模型，COST 207、GSM/EDGE和高频电离层等，可以在多种传播条件下快速评估系统性能;(5)信道可视化工具，用于时变通信信道可视化和研究。

现以数字调制技术中的基带平移键控为例，说明如何使用Simulink进行仿真与工作特性分析。

数字调制是数字通信中的重要部分。数字调制可分为基带调制和频带调制。用二进制数字基带信号控制载频的频率实现调制被称为频移键控FSK;但由于二进制基带信号变化时会引起载波的相位突变问题，又发展出最小频移键控MSK;为了进一步降低传输带宽，又发展出高斯滚降最小频移键控GMSK。这三种调制方式是目前应用最广泛的数字频率调制。

在仿真环境中，采用相同的信号源与传输环境，FSK的仿真试验框图如图2所示。而MSK与GMSK的仿真实验框图设计只需将2FSK模块替换为MSK与GMSK模块即可。

图2 2－FSK系统仿真框图

在仿真框图中采用误码仪进行信噪比的统计，频谱仪进行频谱带宽统计，其频谱信号如图3所示。

图3 2FSK、MFSK、GMSK基带调制信号频谱

仿真结果表明:在误码率相同数量级的条件下，GMSK占有最小的带宽;MSK、GMSK在传输环境的信噪比较FSK低3 dB;综合抗干扰与占用带宽最好的为GMSK，MSK次之，FSK居末位。

3 结束语

在《通信原理》实验教学中利用计算机仿真技术，能够提高学习效果。同时，由于不受场地环境和设备的限制，平时有些不容易实现的综合性系统实验，也可以利用计算机仿真的方法轻而易举地实现。但是，过分地依靠计算机仿真，将无法培养学生对测量仪器的操作能力及对电子线路的调试能力，这也是传统实验箱平台所具有的优势。因此，在实际的实验教学中可以通过在实验箱上进行初期的验证性实验，而把综合性与设计性的实验放在计算机仿真平台上完成，培养学生创新能力、实践动手能力以及熟练使用各种常用软件的能力。

［1］ 樊昌信．通信原理［M］．5版．北京:国防工业出版社，2003:1－4．

［2］ 王福昌，潘晓明．通信原理实验［M］．北京:清华大学出版社，2007:3－5．

［3］ 李东生，雍爱霞，左洪浩，等．SystemView系统设计及仿真入门与应用［M］．北京:电子工业出版社，2002:136－196．

［4］ 徐明远，邵玉斌．MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用［M］．2版．西安:西安电子科技大学出版社，2010:8－9．