李文瑞　李紅巖　肖春陽(yáng)

【摘 要】為在教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生對(duì)重要公式的理解，對(duì)通信原理課程的仿真演示教學(xué)手段進(jìn)行了探索與實(shí)踐。以MIMO系統(tǒng)信道容量的仿真演示平臺(tái)設(shè)計(jì)為例，闡述了利用MATLAB的GUI功能設(shè)計(jì)仿真演示平臺(tái)的方法和步驟。教學(xué)實(shí)踐表明，基于MATLAB/GUI的仿真演示平臺(tái)，可作為傳統(tǒng)教學(xué)手段的有益補(bǔ)充，有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)通信原理課程中重要公式的理解和掌握。

【關(guān)鍵詞】MIMO;MATLAB;GUI;仿真演示

中圖分類號(hào)： G434;TN911-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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

在通信系統(tǒng)的建模和分析中，通常需要運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法對(duì)問題進(jìn)行理論分析或求解。但是由于數(shù)學(xué)公式比較抽象，不能直觀地體現(xiàn)其中蘊(yùn)含的通信原理和物理意義，影響了學(xué)生對(duì)一些重要知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)中的畏難情緒。為了解決上述問題，本文從教學(xué)手段上進(jìn)行改進(jìn)，利用MATLAB/GUI設(shè)計(jì)通信原理課程的仿真演示平臺(tái)，用直觀形象的方式對(duì)重要的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述和分析，起到了很好的輔助教學(xué)的作用。

下面以MIMO信道容量的仿真演示平臺(tái)設(shè)計(jì)為例，闡述具體的設(shè)計(jì)方法和步驟。

1 MIMO信道容量

發(fā)送端已知CSI時(shí)，對(duì)信道矩陣做奇異值分解。將信道分解為r個(gè)子信道， 若第i根天線的發(fā)射功率為？酌i=ε{|Si|2}，第i個(gè)SISO信道的信道容量為Ci（？酌i）。MIMO信道容量是Ci（？酌i）的累加和[2]，為

但是實(shí)際上信道容量會(huì)受到總功率的約束，若要使容量最大化，每個(gè)子信道將分配到不同的功率。用拉格朗日法可得到最優(yōu)化問題的解[2]。注水算法是AMC技術(shù)的關(guān)鍵，根據(jù)信道波動(dòng)來(lái)自適應(yīng)地改變數(shù)據(jù)傳輸速率[3]。使用注水算法使功率最優(yōu)分配，此時(shí)可以得到最大的信道容量，此時(shí)有

當(dāng)發(fā)送端未知CSI時(shí)，RSS=I 。發(fā)送信號(hào)矢量之間是獨(dú)立的，發(fā)射天線之間的功率均勻分配[4]。對(duì)此時(shí)的信道容量進(jìn)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為

2 MATLAB/GUI仿真設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)MATLAB仿真程序部分主要分為以下幾個(gè)模塊：發(fā)送端未知CSI時(shí)的系統(tǒng)容量分析、發(fā)送端未知CSI和已知CSI的信道平均容量以及中斷容量的對(duì)比分析、發(fā)送端已知CSI和未知CSI的相關(guān)信道容量的比較、GUI界面可視化。程序流程圖如圖1所示。

2.2 GUI界面可視化

GUI又稱圖形用戶界面，是將計(jì)算機(jī)用戶界面以圖形的形式顯示出來(lái)的一種人機(jī)交互的界面顯示形式。用戶設(shè)計(jì)好可視化界面后，對(duì)各個(gè)選項(xiàng)按鈕編寫相應(yīng)的程序來(lái)賦予相應(yīng)的功能，完成界面任務(wù)。本設(shè)計(jì)中GUI界面各個(gè)控件及其功能見圖2。

3.1 未知CSI時(shí)信道容量

在MATLAB/GUI中對(duì)不同影響因素下的MIMO系統(tǒng)容量進(jìn)行仿真，仿真界面如圖3、圖4所示。圖3為信噪比分別為10dB和20dB時(shí)系統(tǒng)容量在未知CSI下的CCDF曲線的GUI界面，圖4為平均容量、中斷容量、信道相關(guān)容量的GUI界面。

在圖3、4中，將不同子菜單放在不同控制面板上，每個(gè)子菜單有其各自的仿真功能，鼠標(biāo)點(diǎn)擊不同的菜單可控制界面的切換，界面簡(jiǎn)潔，易于操作。在實(shí)際的教學(xué)當(dāng)中，可以利用MATLAB/GUI進(jìn)行仿真演示，可隨意改變參數(shù)，相對(duì)于PPT來(lái)說(shuō)更加靈活。以下為各個(gè)界面的功能分析。

CCDF是傳輸系統(tǒng)的峰均值高于某一門限值的概率。在圖3中，可以直觀地看出信噪比為10dB的情況下，在SISO系統(tǒng)中想要讓信道容量超過(guò)6bit/s/Hz幾乎是不可能的事情;在88MIMO系統(tǒng)中信道容量幾乎都能達(dá)到18bit/s/Hz。當(dāng)信噪比設(shè)置為20dB時(shí)，SISO系統(tǒng)中信道容量10bit/s/Hz的概率為0，88時(shí)容量50bit/s/Hz的概率同樣是0。所以發(fā)送端未知CSI時(shí)，接收發(fā)射天線數(shù)和SNR更多時(shí)，MIMO容量會(huì)更大。

由圖4可直觀看出，平均容量在兩種信道狀態(tài)下均隨信噪比增加，但由于已知信道狀態(tài)時(shí)采用注水算法計(jì)算信道容量，信道容量更高。此外，MIMO系統(tǒng)平均容量在兩種狀態(tài)下隨天線數(shù)線性增加。MIMO系統(tǒng)中斷容量在未知信道狀態(tài)和已知信道狀態(tài)的情況下，均隨信噪比的增加而增加，已知信道狀態(tài)時(shí)容量更高。天線數(shù)更多時(shí)，系統(tǒng)中斷容量也更高。R=0，意味著信道獨(dú)立;R=0.95意味著信道相關(guān)程度很高。在兩種狀態(tài)下，相關(guān)性都使系統(tǒng)容量降低;相同相關(guān)性的情況下，已知信道狀態(tài)的系統(tǒng)容量依然高于未知信道狀態(tài)下的系統(tǒng)容量。

從仿真結(jié)果中可直觀看出：MIMO系統(tǒng)平均容量和中斷容量皆隨信噪比的增加而增加，隨天線數(shù)線性增加，且已知CSI的MIMO系統(tǒng)平均容量和中斷容量相較于未知CSI時(shí)更高，信道相關(guān)性使得MIMO系統(tǒng)容量減少。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的通信原理仿真演示平臺(tái)可作為通信原理課程的微課學(xué)習(xí)資源，或用于構(gòu)建通信原理虛擬仿真平臺(tái)，是傳統(tǒng)教學(xué)手段的有益補(bǔ)充。基于MATLAB/GUI的仿真演示平臺(tái)用直觀形象的方式對(duì)重要的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述和分析，直觀展示了MIMO系統(tǒng)信道容量在不同影響因素下的變化過(guò)程，起到了很好的輔助教學(xué)的作用。

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