基于MATLAB/GUI的通信原理仿真演示平台设计

李文瑞　李红岩　肖春阳

【摘 要】为在教学中促进学生对重要公式的理解，对通信原理课程的仿真演示教学手段进行了探索与实践。以MIMO系统信道容量的仿真演示平台设计为例，阐述了利用MATLAB的GUI功能设计仿真演示平台的方法和步骤。教学实践表明，基于MATLAB/GUI的仿真演示平台，可作为传统教学手段的有益补充，有利于促进学生对通信原理课程中重要公式的理解和掌握。

【关键词】MIMO;MATLAB;GUI;仿真演示

中图分类号： G434;TN911-4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）18-0004-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.002

Design of Communication Principle Simulation Demonstration Platform Based on MATLAB/GUI

LI Wen-rui LI Hong-yan XIAO Chun-yang

（School of information science and engineering，henan university of technology，Zhengzhou Henan 450000，China）

【Abstract】In order to promote students understanding of important formulas in teaching， the teaching methods of simulation demonstration teaching of communication principle courses were explored and practiced. Taking the simulation demonstration platform design of MIMO system channel capacity as an example，the method and steps of designing simulation demonstration platform using GUI function of MATLAB are expounded.The teaching practice shows that the simulation demonstration platform based on MATLAB/GUI can be used as a useful supplement to traditional teaching methods，which is conducive to promoting students understanding and mastery of important formulas in the communication principle course.

【Key words】MIMO;MATLAB;GUI;Simulation Demonstration

0 引言

在通信系统的建模和分析中，通常需要运用数学的方法对问题进行理论分析或求解。但是由于数学公式比较抽象，不能直观地体现其中蕴含的通信原理和物理意义，影响了学生对一些重要知识点的理解和掌握，增加了学生学习中的畏难情绪。为了解决上述问题，本文从教学手段上进行改进，利用MATLAB/GUI设计通信原理课程的仿真演示平台，用直观形象的方式对重要的数学公式进行描述和分析，起到了很好的辅助教学的作用。

下面以MIMO信道容量的仿真演示平台设计为例，阐述具体的设计方法和步骤。

1 MIMO信道容量

發送端已知CSI时，对信道矩阵做奇异值分解。将信道分解为r个子信道， 若第i根天线的发射功率为？酌i=ε{|Si|2}，第i个SISO信道的信道容量为Ci（？酌i）。MIMO信道容量是Ci（？酌i）的累加和[2]，为

但是实际上信道容量会受到总功率的约束，若要使容量最大化，每个子信道将分配到不同的功率。用拉格朗日法可得到最优化问题的解[2]。注水算法是AMC技术的关键，根据信道波动来自适应地改变数据传输速率[3]。使用注水算法使功率最优分配，此时可以得到最大的信道容量，此时有

当发送端未知CSI时，RSS=I 。发送信号矢量之间是独立的，发射天线之间的功率均匀分配[4]。对此时的信道容量进行分解HHH=Q？撰QH和det（Im+AB）=det（In+BA），那么信道容量也可以表示为

2 MATLAB/GUI仿真设计

2.1 系统程序设计

本设计MATLAB仿真程序部分主要分为以下几个模块：发送端未知CSI时的系统容量分析、发送端未知CSI和已知CSI的信道平均容量以及中断容量的对比分析、发送端已知CSI和未知CSI的相关信道容量的比较、GUI界面可视化。程序流程图如图1所示。

2.2 GUI界面可视化

GUI又称图形用户界面，是将计算机用户界面以图形的形式显示出来的一种人机交互的界面显示形式。用户设计好可视化界面后，对各个选项按钮编写相应的程序来赋予相应的功能，完成界面任务。本设计中GUI界面各个控件及其功能见图2。

3.1 未知CSI时信道容量

在MATLAB/GUI中对不同影响因素下的MIMO系统容量进行仿真，仿真界面如图3、图4所示。图3为信噪比分别为10dB和20dB时系统容量在未知CSI下的CCDF曲线的GUI界面，图4为平均容量、中断容量、信道相关容量的GUI界面。

在图3、4中，将不同子菜单放在不同控制面板上，每个子菜单有其各自的仿真功能，鼠标点击不同的菜单可控制界面的切换，界面简洁，易于操作。在实际的教学当中，可以利用MATLAB/GUI进行仿真演示，可随意改变参数，相对于PPT来说更加灵活。以下为各个界面的功能分析。

CCDF是傳输系统的峰均值高于某一门限值的概率。在图3中，可以直观地看出信噪比为10dB的情况下，在SISO系统中想要让信道容量超过6bit/s/Hz几乎是不可能的事情;在88MIMO系统中信道容量几乎都能达到18bit/s/Hz。当信噪比设置为20dB时，SISO系统中信道容量10bit/s/Hz的概率为0，88时容量50bit/s/Hz的概率同样是0。所以发送端未知CSI时，接收发射天线数和SNR更多时，MIMO容量会更大。

由图4可直观看出，平均容量在两种信道状态下均随信噪比增加，但由于已知信道状态时采用注水算法计算信道容量，信道容量更高。此外，MIMO系统平均容量在两种状态下随天线数线性增加。MIMO系统中断容量在未知信道状态和已知信道状态的情况下，均随信噪比的增加而增加，已知信道状态时容量更高。天线数更多时，系统中断容量也更高。R=0，意味着信道独立;R=0.95意味着信道相关程度很高。在两种状态下，相关性都使系统容量降低;相同相关性的情况下，已知信道状态的系统容量依然高于未知信道状态下的系统容量。

从仿真结果中可直观看出：MIMO系统平均容量和中断容量皆随信噪比的增加而增加，随天线数线性增加，且已知CSI的MIMO系统平均容量和中断容量相较于未知CSI时更高，信道相关性使得MIMO系统容量减少。

4 结束语

本文所设计的通信原理仿真演示平台可作为通信原理课程的微课学习资源，或用于构建通信原理虚拟仿真平台，是传统教学手段的有益补充。基于MATLAB/GUI的仿真演示平台用直观形象的方式对重要的数学公式进行描述和分析，直观展示了MIMO系统信道容量在不同影响因素下的变化过程，起到了很好的辅助教学的作用。

【参考文献】

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