王 凡

(電子科技大學中山學院 機電工程學院，廣東 中山，528400)

《通信原理》為電子信息工程、通信工程等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，涉及《信號與系統(tǒng)》《概率論》和《高頻電子線路》等多門先修課程，具有理論性和邏輯性較強、知識面廣、抽象概念多的特點［1］。在理論教學中一般是通過原理框圖得到數(shù)學模型，通過對數(shù)學模型的分析從而得到通信的基本概念與重要結(jié)論。通信原理實驗在通信原理重要結(jié)論的驗證及通信系統(tǒng)的設(shè)計等方面起著非常重要的作用，能鞏固學生在課堂上學到的理論知識，而且精心設(shè)計的實驗環(huán)節(jié)會使學生的邏輯思維與動手能力都得到很大提高。

1 基于實驗箱的通信原理實驗

在傳統(tǒng)的通信原理實驗中多采用實驗箱進行操作，采用示波器觀察實驗波形。實驗箱一般由多個模塊組成，每個模塊相互獨立，完成不同的實驗內(nèi)容。傳統(tǒng)通信原理實驗箱布局如圖1所示。

在使用實驗箱的過程中，一般需要配合直流穩(wěn)壓電源，在部分實驗中還需用頻率計、低失真度低頻信號源、失真計與頻譜儀等［2］。但是，由于本課程的特點，在模擬現(xiàn)實情況下，實驗波形大多存在不同程度的延時和失真，且實驗波形又比較多。加上部分學生理論學習不夠扎實，缺乏對模擬電路及數(shù)字電路的分析、設(shè)計及調(diào)試能力，往往不能觀測和識別正確的波形，更不要說根據(jù)實驗結(jié)果做出詳細的實驗分析。

圖1 傳統(tǒng)通信原理實驗箱布局

2 基于計算機仿真的通信原理實驗

通信系統(tǒng)的計算機仿真，就是利用計算機對實際電子通信系統(tǒng)的物理或者數(shù)學模型進行試驗，通過這樣的模型試驗來對一個實際系統(tǒng)的性能和工作狀態(tài)進行分析和研究。

2.1 常用通信仿真軟件

SystemView是一個用于現(xiàn)代工程與科學系統(tǒng)設(shè)計及仿真的動態(tài)系統(tǒng)分析平臺［3］。它具有以下優(yōu)點:(l)強大的仿真設(shè)計功能;(2)豐富的庫資源，SystemView的基本庫中包括多種信號源、接收窗、加法器、乘法器、各種函數(shù)(包括多項式、三角函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、邏輯函數(shù)等常用函數(shù))運算器等，它還帶有各種專業(yè)庫供選擇，如通信、邏輯、數(shù)字信號處理、射頻/模擬等;(3)開放友好的用戶界面;(4)靈活的硬件設(shè)計接口，除了一般的方案論證外，SystemView還提供了與多種硬件設(shè)計工具的接口;(5)智能化的輔助設(shè)計;(6)動態(tài)的分析和后臺處理。Matlab是MathWorks公司開發(fā)的跨平臺、用于矩陣數(shù)值計算的簡單高效的數(shù)學語言。相對于其他的程序設(shè)計語言，Matlab語言編程要簡潔得多，編程語言更接近于數(shù)學描述，可讀性好，其強大的圖形功能與可視化數(shù)據(jù)處理能力是其他高級語言無法比擬的［4］。

與其他高級程序設(shè)計語言相比，Matlab具有以下優(yōu)勢:(1)Matlab是一種跨平臺的數(shù)學語言，可以在目前所有操作系統(tǒng)上運行;(2)Matlab是一種超高級語言，它本身是由C語言寫成，其中又匯集了當前最新的數(shù)學算法庫;(3)語法簡單，編程風格接近數(shù)學語言描述，是數(shù)學算法開發(fā)和驗證的最佳工具;(4)計算精度很高，Matlab中的數(shù)據(jù)都是以雙精度存儲的;(5)具有強大的繪圖功能，可以輕易地獲得印刷級的曲線圖;(6)具有串口操作、聲音輸入輸出等硬件的操控能力;(7)Matlab程序可以直接映射為DSP可接受的代碼;(8)Matlab程序的執(zhí)行效率比編譯語言低，但是用C語言編寫算法，再通過Matlab接口在Matlab中執(zhí)行，可以提高執(zhí)行效率。

Simulink是Matlab中的一個建立系統(tǒng)方框圖和基于方框圖級的系統(tǒng)仿真環(huán)境，是一個對動態(tài)系統(tǒng)進行建模和仿真以及仿真結(jié)果分析的軟件包。使用Simulink可以更加方便地對系統(tǒng)進行可視化建模，并進行基于時間級的系統(tǒng)級仿真，使得仿真系統(tǒng)建模與工程中的方框圖統(tǒng)一起來。而仿真結(jié)果可以近乎“實時”地通過可視化模塊，如示波器模塊、頻譜儀模塊以及數(shù)據(jù)輸入輸出模塊等顯示出來。

2.2 SystemView與Matlab對于通信仿真的比較

在SystemView中，具體的電路系統(tǒng)是由單獨的模塊組合而成的，這些模塊稱為Token，每一個Token都有自己定義的輸入、輸出及相應的參數(shù)，以實現(xiàn)特定的功能。SystemView基本屬于一個系統(tǒng)級工具平臺，并配置了大量模塊庫，用戶可以構(gòu)造出所需要的仿真系統(tǒng)，只要調(diào)出有關(guān)圖符塊并設(shè)置好參數(shù)，完成圖符塊間的連線后運行仿真操作，最終以時域波形、眼圖、功率譜、星座圖和各類曲線形式給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。但是，由于SystemView的開發(fā)公司Elanix在2005年已經(jīng)被Agilent公司收購，軟件版本再無更新，已經(jīng)無法支持一些最新通信技術(shù)。

Simulink仿真環(huán)境附帶了許多專業(yè)的仿真模塊庫，可以快速建立該專業(yè)領(lǐng)域的系統(tǒng)模型并進行仿真，而不需要用戶詳細了解其實現(xiàn)的細節(jié)，大大方便了大系統(tǒng)的建模。Simulink全方位地支持動態(tài)系統(tǒng)的建模仿真，它支持連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、連續(xù)離散混合系統(tǒng)、線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、時不變系統(tǒng)、時變系統(tǒng)的建模仿真，也支持具有多采樣速率的多速率系統(tǒng)。而且隨著Matlab每年兩次的升級，Simulink還會添加更多的專業(yè)模塊庫。在通信仿真領(lǐng)域，Simulink幾乎是無所不包的。

2.3 基于Simulink的通信系統(tǒng)仿真

通信工具箱增強了Matlab科學計算環(huán)境的函數(shù)、圖表和圖形用戶界面，可以瀏覽、設(shè)計、分析和仿真用于通信系統(tǒng)物理層的算法。通信工具箱的函數(shù)可以從Matlab命令行、BERTool GUI中以及自己編寫的Matlab腳本和函數(shù)中執(zhí)行。

通信工具箱的主要功能包括:(1)用于設(shè)計通信鏈路物理層的函數(shù)，包括信源編碼、信道編碼、交織、調(diào)制、信道模型和均衡等;(2)用于通信信號可視化的圖表，如眼圖、星座圖和信道散點圖;(3)用于對系統(tǒng)誤碼率與多種證實分析結(jié)果進行比較的圖形用戶界面;(4)標準信道模型，COST 207、GSM/EDGE和高頻電離層等，可以在多種傳播條件下快速評估系統(tǒng)性能;(5)信道可視化工具，用于時變通信信道可視化和研究。

現(xiàn)以數(shù)字調(diào)制技術(shù)中的基帶平移鍵控為例，說明如何使用Simulink進行仿真與工作特性分析。

數(shù)字調(diào)制是數(shù)字通信中的重要部分。數(shù)字調(diào)制可分為基帶調(diào)制和頻帶調(diào)制。用二進制數(shù)字基帶信號控制載頻的頻率實現(xiàn)調(diào)制被稱為頻移鍵控FSK;但由于二進制基帶信號變化時會引起載波的相位突變問題，又發(fā)展出最小頻移鍵控MSK;為了進一步降低傳輸帶寬，又發(fā)展出高斯?jié)L降最小頻移鍵控GMSK。這三種調(diào)制方式是目前應用最廣泛的數(shù)字頻率調(diào)制。

在仿真環(huán)境中，采用相同的信號源與傳輸環(huán)境，F(xiàn)SK的仿真試驗框圖如圖2所示。而MSK與GMSK的仿真實驗框圖設(shè)計只需將2FSK模塊替換為MSK與GMSK模塊即可。

圖2 2－FSK系統(tǒng)仿真框圖

在仿真框圖中采用誤碼儀進行信噪比的統(tǒng)計，頻譜儀進行頻譜帶寬統(tǒng)計，其頻譜信號如圖3所示。

圖3 2FSK、MFSK、GMSK基帶調(diào)制信號頻譜

仿真結(jié)果表明:在誤碼率相同數(shù)量級的條件下，GMSK占有最小的帶寬;MSK、GMSK在傳輸環(huán)境的信噪比較FSK低3 dB;綜合抗干擾與占用帶寬最好的為GMSK，MSK次之，F(xiàn)SK居末位。

3 結(jié)束語

在《通信原理》實驗教學中利用計算機仿真技術(shù)，能夠提高學習效果。同時，由于不受場地環(huán)境和設(shè)備的限制，平時有些不容易實現(xiàn)的綜合性系統(tǒng)實驗，也可以利用計算機仿真的方法輕而易舉地實現(xiàn)。但是，過分地依靠計算機仿真，將無法培養(yǎng)學生對測量儀器的操作能力及對電子線路的調(diào)試能力，這也是傳統(tǒng)實驗箱平臺所具有的優(yōu)勢。因此，在實際的實驗教學中可以通過在實驗箱上進行初期的驗證性實驗，而把綜合性與設(shè)計性的實驗放在計算機仿真平臺上完成，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、實踐動手能力以及熟練使用各種常用軟件的能力。

［1］ 樊昌信．通信原理［M］．5版．北京:國防工業(yè)出版社，2003:1－4．

［2］ 王福昌，潘曉明．通信原理實驗［M］．北京:清華大學出版社，2007:3－5．

［3］ 李東生，雍愛霞，左洪浩，等．SystemView系統(tǒng)設(shè)計及仿真入門與應用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2002:136－196．

［4］ 徐明遠，邵玉斌．MATLAB仿真在通信與電子工程中的應用［M］．2版．西安:西安電子科技大學出版社，2010:8－9．