通信仿真技术在通信原理课程中的应用

唐 燕 陈 亮 张 红

南京师范大学泰州学院 江苏泰州 225300

通信仿真技术在通信原理课程中的应用

唐 燕 陈 亮 张 红

南京师范大学泰州学院 江苏泰州 225300

依据通信原理课程的特点，以m序列为例，介绍了基于Matlab/Simulink的通信仿真技术在通信原理课程教学中的两方面应用：直接编写M文件和利用Simulink实现m序列的产生和特性分析。实践结果表明：通信仿真技术不仅可以辅助教学，而且能增强学生对通信概念的感性认识，从而最大程度的激发学生学习通信理论知识的积极性，提高通信原理课程的教学质量。

通信原理；Matlab；Simulink；仿真技术；m序列

在各高校通信与电子信息类专业的课程中，通信原理无疑是其中最重要的课程之一［1］。该课程是基础课向专业课的过渡课程，是众多专业课的先修课程，在通信工程专业的教学中占据非常重要的地位。同时，很多高校都将这门课作为通信工程专业的研究生入学考试科目，课程的重要性不言而喻。从教学的角度来看，本课程与电路分析、电子技术、信号与系统等专业基础课以及高等数学、概率论等数学课程联系紧密，课程理论性强，抽象概念较多，实践操作的要求又较高，是一门既要有理论知识又要有实践技能的综合性课程，这些都在一定程度上增加了学生学好这门课程的难度。

为了改善教学效果，培养学生分析和解决问题的能力，调动学生学习的积极性，从而提高通信原理课程的教学质量，有必要将通信仿真技术引入到本课程的教学中［2］。目前， Matlab/Simulink已经成为科学研究和工程设计常用的仿真工具，而随着其中通信、信号处理类函数库和工具箱的成熟，Matlab/Simulink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为广泛［3］。Simulink可视化仿真工具能够以非常直观的方框图的方式对通信系统进行建模，并能够将模型的仿真结果（如波形、频谱和统计数据等）实时地显示出来，更有利于学生对通信系统概念和公式的直观理解，所以近年来得到了通信工程专业广大师生的重视和广泛的应用［4］。

1 Matlab/Simulink在教学中的引入

在通信原理课程的教学过程中，教师可以在多媒体课件中加入软件的仿真结果，从而利用Matlab/ Simulink辅助教学，以期实现更好的教学效果。特别是对于较难讲解的内容、抽象的概念，以及通信系统各个节点的波形等，利用软件的计算和图形化显示功能，可使其更为直观地表现出来，从而加深学生的理解。

在通信原理课程的实践环节中，教师可以在传统实验的基础上引入Matlab/Simulink仿真实验，从而避免实验设备、条件和学时等限制。利用软件，我们设计出了多项仿真实验，供学生在课程中完成。此外，对学生感兴趣的内容，我们还鼓励其利用课余时间进行实验方案的比较和优化，这样，极大地调动了学生的学习兴趣，提高了学生对通信基本理论的掌握和计算机仿真编程的能力。

下面本文以m序列的产生与特性分析为例，阐述了Matlab/Simulink在通信原理课程中的两方面应用：（1）通过直接编写M文件实现m序列的产生与特性分析；（2）利用Simulink实现m序列的产生与特性分析。

2 m序列的产生与特性

伪随机序列又称为伪随机码，是一类有着广泛应用的码。例如，在连续波雷达中可用作测距信号，在遥控系统中可用作遥控信号，在多址通信中可用作地址信号，在数字通信中可用作群同步信号，还可用作噪声源以及在保密通信中起加密作用等等［5，6］。m序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的序列。由于m序列的均衡性、游程分布和自相关特性与随机序列的基本性质极相似，所以将其作为最常用的一类伪随机序列。

图1 最长线性反馈移位寄存器

由分析可知，m序列的自相关函数为：

对式（2）作傅里叶变换，可以求出m序列的功率谱密度函数：

3 基于M文件的仿真

在Matlab软件中，可以通过编写一个M文件，计算出一个周期的m序列，并分析其自相关系数和功率谱特性［7，8］。下面以本原多项式为的 m序列为例，给出仿真的部分程序：

k=7； %寄存器级数

T=1； %码元宽度

dt=0.1； %采样周期

a=［0 0 1 0 0 0 1］； %生成多项式

b=［1，zeros（1，k-1）］； %寄存器初始状态（非全零）

m=m_sequence（a，b）； %生成一个周期的m序列

［m_T，time］=s_t（m，T，dt）； %m序列时域波形

ro=at_cor（m）； %计算自相关函数并画图

ps=com_ps（m_T，dt）； %计算功率谱密度并画图

图2 直接编程产生m序列的仿真结果

4 基于Simulink的仿真

Matlab软件中Simulink可视化仿真工具能够以非常直观的方框图方式对通信系统进行建模，并可以实时的将仿真结果显示出来，更便于学生理解通信系统的物理概念和运行过程。所以，可以通过编写测试模型，实现m序列的自相关系数和功率谱特性分析［9，10］。

测试模型如图3所示，使用了与上节相同的实验条件。采用PN Sequence Generator模块产生最长线性反馈移位寄存器序列，通过Scope模块显示波形，同时采用To workspace模块输出m序列，并计算其对应的自相关函数。另外，通过Modified Covariance Method（修正的协方差算法）模块实现功率谱密度的估计，其输出经过归一化处理后通过Vector Scope模块显示，最终仿真结果如图4所示。这里，自相关函数图与图2a一致，就不再列出。

图3 测试模型

图4 仿真执行中向量示波器显示的功率谱

5 结束语

在通信原理课程理论课的讲授过程中，教师多采用多媒体课件演示的教学模式，这可能会导致学生在一些抽象的概念和较难的数学公式推导等方面理解度不够。将基于Matlab/Simulink的通信仿真技术引入到课程的教学中，教师可以利用Matlab软件中丰富的函数库和模块库，将晦涩难懂的通信理论、通信过程和信号波形等内容直观地显示成各类图形，不仅可以辅助教学，还能增强学生对通信概念的感性认识，帮助学生更好地理解和掌握知识点，从而提高通信原理课程的教学质量。

［1］ 樊昌信，曹丽娜.通信原理［M］.第6版.北京：国防工业出版社，2006.

［2］ 夏江涛，孙冬娇.Matlab在现代通信原理课程中的应用［J］.2014，31（1）：110-114.

［3］ 绍玉斌.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，2014.

［4］ 张鸣，李白萍.Matlab仿真在通信原理课程中的应用［J］.实验技术与管理，2012，29（11）：87-93.

［5］ 李白萍，张鸣，龙光利.数字通信原理［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2012.

［6］ Proakis John G.数字通信［M］.第四版.张力军译.北京：电子工业出版社，2004.

［7］ 徐明远，邵玉斌.MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2005.

［8］ Mokhtari Mohand， Marie Michel. MATLAB与SIMULINK工程应用［M］.赵彦玲，吴淑红译.北京：电子工业出版社，2002.

［9］ Proakis John G，Salehi Masoud.现代通信系统：使用MATLAB［M］.刘树棠译.西安：西安电子科技大学出版社，2003.

［10］ 曾兴雯，刘乃安，孙献璞.扩展频谱通信及其多址技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2004.

Application of Communication Simulation Technology in Communication Theory Course

Tang Yan， Chen Liang， Zhang Hong

Nanjing Normal University Taizhou College， Taizhou， 225300， China

According to the characteristic of Communication Theory course， taking m sequence as an example， two aspects of application of communication simulation technology based on Matlab/Simulink are put forward in teaching of Communication Theory course. For generating m sequences and analyzing their property， one method is programming M-file directly， and the other is using the Simulink platform. The results shows that communication simulation technology can not only assist teaching， but also enhance students' perceptual knowledge of communication conceptions， stimulate their interests in study of communication theoretical knowledge， and improve the teaching quality of Communication Theory course.

communication principle； Matlab； Simulink； simulation technology； msequence

2015-06-29

唐燕，博士，讲师。陈亮，硕士，讲师。张红，硕士，讲师。

2015年度泰州市科技支撑计划（社会发展）项目“通信网络中非法信息源高效空间定位方法”（编号：TS201517）。