孫豐剛　蘭鵬

【摘 要】針對(duì)通信原理類課程的教學(xué)特點(diǎn)以及基于硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中存在的問題，討論了將MATLAB軟件引入到通信系統(tǒng)仿真教學(xué)的必要性。以單/雙極性不歸零碼為例，分別從理論分析和編程仿真兩個(gè)方面給出了兩種碼型在高斯信道中的誤碼性能分析，并給出了仿真結(jié)果。將MATLAB軟件引入到通信系統(tǒng)仿真教學(xué)中，可增強(qiáng)所學(xué)理論知識(shí)點(diǎn)的直觀性和生動(dòng)性，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生的知識(shí)理解能力和編程能力，改善了教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】通信系統(tǒng)仿真；MATLAB；不歸零碼；誤碼率

中圖分類號(hào)： G642；TN911-4；TP391.9-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）06-0017-002

【Abstract】According to the teaching property of communications principles and the difficulties in the hardware based experiments teaching，we have discussed the necessaries to introduce the MATLAB software into the communications systems simulations courses.Taking the single/double polarity not return zero（NRZ） code as an example，we derived the bit error rate performance by considering the two codes over the additive Gaussian channels，and provided the corresponding simulation results.By introducing MATLAB into communications systems simulations，it can enhance the intuition and vividness of the theoretical knowledge，increase the students learning interest and programming ability，and raise the teaching effects of courses.

【Key words】Communications Systems Simulations；MATLAB；Not Return to Zero Code；Bit Error Rate

0 前言

通信原理課程是高等院校電子信息類專業(yè)學(xué)生所面臨的一門專業(yè)核心課，是許多專業(yè)課如移動(dòng)通信、信息論與編碼等課程的先修課。該課程的學(xué)習(xí)情況將會(huì)對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)產(chǎn)生重要影響。然而因其理論性強(qiáng)、概念抽象、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高等特點(diǎn)[1]，學(xué)習(xí)難度較大。為提升教學(xué)效果，通常采用實(shí)驗(yàn)箱作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的手段，但卻存在設(shè)備有限且易損壞、維護(hù)困難及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不夠靈活的問題。為此，有必要引入通信系統(tǒng)仿真教學(xué)環(huán)節(jié)。

MATLAB作為可實(shí)現(xiàn)算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計(jì)算的一種高級(jí)技術(shù)語言，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案[2][3]。利用MATLAB軟件來實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)仿真，可提供形式更加靈活、內(nèi)容更加豐富的實(shí)踐方式。仿真過程要求學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)有著清晰的理解，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生的編程能力。

下面以通信單/雙極性非歸零碼的誤碼性能為例進(jìn)行分析。

1 單/雙極性不歸零碼介紹

數(shù)字信號(hào)基帶傳輸中可不經(jīng)過調(diào)制和解調(diào)過程，而直接傳輸未經(jīng)調(diào)制的基帶信號(hào)。不歸零碼指的是在一個(gè)碼元周期內(nèi)電壓始終保持不變的碼字。其中，單極性不歸零碼分別用二進(jìn)制數(shù)字“1”和“0”表示正電平和零電平，雙極性不歸零碼分別用二進(jìn)制數(shù)字“1”和“0”表示正、負(fù)電平。與單極性編碼方式相比，雙極性編碼在“0”“1”等概率時(shí)無直流分量，譯碼過程不易受到信道特性變化的影響，抗干擾能力也較強(qiáng)[4]。

2 誤碼性能分析

2.1 誤碼性能理論分析

2.2 誤碼性能仿真分析

本次實(shí)驗(yàn)所采用的算法流程如圖1所示。該算法共分為四個(gè)階段：碼字產(chǎn)生、加入高斯白噪聲、信號(hào)譯碼及信號(hào)比對(duì)等。

各部分重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)如下：

（1）產(chǎn)生單/雙極性非歸零碼字

rand1=rand（1，N）；%產(chǎn)生N個(gè)均勻分布隨機(jī)數(shù)

binX=（rand1>0.5）； %產(chǎn)生等概率的0、1序列

SingPolar=sqrt（2）*binX；%單極性，功率歸一化

DoubPolar=2*binX-1；%雙極性

（2）加入高斯白噪聲

x1=SingPolar+sqrt（1/snr/2）*（randn（1，N）+1i*randn（1，N））；%信噪比為snr時(shí)加入高斯白噪聲

x2=DoubPolar+sqrt（1/snr/2）*（randn（1，N）+1i*randn（1，N））；%信噪比為snr時(shí)加入高斯白噪聲

（3）信號(hào)譯碼

x1_r=（real（x1）>sqrt（1/2））； %單極性譯碼

x2_r=（real（x2）>0）； %雙極性譯碼

（4）信號(hào)比對(duì)及誤碼率計(jì)算

N_er1=sum（xor（binX，x1_r））；%單極性錯(cuò)碼個(gè)數(shù)

P1=N_er1/N； %單極性誤碼率

N_er2=sum（xor（binX，x2_r））；%雙極性錯(cuò)碼個(gè)數(shù)

P2=N_er2/N； %雙極性誤碼率

2.3 結(jié)果分析

圖2中給出了單/雙極性非歸零碼在高斯信道中的理論及仿真誤比特性能。可以看出，理論值和仿真值結(jié)果重合，從而證明了理論結(jié)果和仿真結(jié)果的正確性。此外，雙極性的誤碼性能優(yōu)于單極性編碼。當(dāng)誤碼率為10-1時(shí)，雙極性碼和單極性碼所需要的信噪比分別為-1分貝和2分貝。當(dāng)誤碼率為10-2時(shí)，雙極性碼和單極性碼所需要的信噪比分別為4分貝和7分貝?？梢钥闯?，雙極性碼相比于單極性碼能獲得3分貝的優(yōu)勢，這也與理論分析結(jié)果（3）和（4）相吻合。

3 結(jié)論

利用MATLAB實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)仿真，可有效克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一及設(shè)備昂貴等問題。MATLAB的引入，進(jìn)一步豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直觀性和生動(dòng)性，可有效加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王忠禮，張海一.通信原理課程的微課程教學(xué)模式開發(fā)與設(shè)計(jì)[J].科技視界，2017（17）：16-17.

[2]任秋潔，呂治國.MATLAB在通信系統(tǒng)仿真教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].科技視界，2017（20）：79-80.

[3]關(guān)雪梅，陳純鍇.基于Matlab的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25（5）：99-101.

[4]樊昌信，曹麗娜.通信原理（第7版）[M].國防工業(yè)出版社，2012.