基于Simulink的通信原理課程教學探討

摘 要 針對通信原理課程理論性和實踐性都很強的特點，提出將Simulink仿真工具引入到教學過程的思路。本文給出了2FSK數字傳輸系統的Simulink仿真過程，觀察了傳輸系統各時間點動態的時域波形圖、分析了系統在不同噪聲情況下的眼圖和誤碼率性能。實踐表明，利用Simulink進行通信原理教學，可使得通信系統的學習和分析過程更加直觀和生動。

關鍵詞 通信原理 Simulink 系統仿真 2FSK

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

0 引言

通信原理是通信與電子類專業的主干專業課程之一，它上承信號與系統、電子電路、數字信號處理等課程，下啟無線通信、光纖通信、數據通信等，是一門非常重要的專業基礎課。該課程有著內容豐富，原理性、邏輯性、綜合性強，且抽象概念多，不易理解等特點，是一門理論性和實踐性都很強的課程。①②多年的教學實踐表明，傳統的教學方式——課堂教學結合簡單的硬件實驗，很難滿足教學的要求，因此有必要尋求一種新型的教學配套方式，讓學生在學習理論知識的同時，能夠直觀形象地觀察通信系統的運行過程和整體性能，以促進理論知識的掌握。

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一個用來對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包。③它提供了一種圖形化的交互環境，只需要輕輕拖動鼠標就可以迅速建立起系統的框架模型，甚至不需要編寫一行代碼。而且Simulink除了基本的模塊庫以外，還提供專用模塊庫，如Communications Blockset、Signal Processing Blockset等，這使得Simulink可以非常方便地應用于通信原理課程。④

1 基于Simulink的2FSK通信系統設計與仿真

現代數字通信系統包括基帶數字傳輸系統和頻帶數字傳輸系統，常見的通信系統多屬于后者?；镜臄底终{制方式包括2ASK、2FSK和2PSK，只有熟練地掌握這幾種基本的調制方式，才能進一步學習和了解一些更新的現代調制技術。通信原理的課堂教學對數字調制的基本理論進行了詳細的介紹，但繁雜的公式推導、相似的框圖和靜態的理論分析，讓學生難以深刻地系統地掌握調制理論。采用仿真軟件Simulink與課堂教學結合，既可以讓學生深入地掌握理論，又可以提高學生的學習興趣，鍛煉學生的動手能力。

下面以稍微復雜的2FSK調制系統為例，通過Simulink對系統的調制、解調和抗噪性能進行仿真。

1.1 系統建模與仿真

建立模型之前，要求學生先掌握2FSK的調制解調理論，根據所選的調制解調方式畫出完整的系統框圖，然后再從Simulink模塊庫中選擇相應的功能模塊完成系統的仿真。本文的2FSK系統采用開關法調制、包絡解調法解調來構建系統模型，系統的Simulink仿真框圖如圖1所示。系統通過加入高斯白噪聲模擬信道噪聲對系統的影響。在仿真過程中，通常要求學生將系統分成幾部分，分步進行仿真。如2FSK系統可以依次分成調制、信道加噪、解調和系統性能分析幾部分，學生可先仿真調制部分，通過加入示波器觀看波形確保調制正確，再進行下一步加噪、解調等，這樣可以減少調試的復雜度和工作量。另外需要注意的是，信源是基帶隨機信號，應該選取Bernoulli二進制隨機信號產生器，有些同學選擇方波產生器，產生周期性方波信號作為信源，是不對的。

1.2 系統參數設置

參數設置是系統仿真非常重要的一部分，光有正確的系統仿真框圖而不能合理地設置參數，同樣得不到正確的仿真結果。在使用Simulink輔助教學的過程中，發現很多同學對濾波器參數和采樣頻率的設置很迷惑，這仍然是理論知識掌握不深刻之過。參數要以系統的觀念來設置，首先需要確定的是基帶信號的碼元傳輸速率和兩個載波頻率，最基本的原則是載波頻率都要大于調制信號頻率，然后根據這幾個參數分析基帶信號的帶寬和已調信號的帶寬，來確定解調時濾波器的通帶，其中低通濾波器的截止頻率由基帶信號帶寬決定，兩路帶通濾波器的中心頻率由各自的載波頻率決定，帶寬則為基帶信號帶寬的兩倍。在其它一些仿真軟件如SystemView中，還有一個全局參數需要設置，那就是采樣頻率fs，設定后整個系統都使用相同的fs，在這種情況下，fs的設置需要參考系統中的最高頻率fm來設置，理論上要求fs≥2fm，但實際設置時通常會使fs>>2fm，但fs設太大了會使系統的運行時間過長，所以設置一個合理的fs很重要。在Simulink中，對采樣頻率參數的管理比較寬松，系統的每一個模塊都可以單獨設置fs，但我們希望學生在設置該類參數時仍然有一個全局的觀念。

1.3 仿真波形

圖2給出了該2FSK系統的部分仿真波形。其中第一路信號為基帶隨機信號，第二路為已調信號，第三路為加噪后的已調信號，第四路為解調時其中一路經過帶通濾波后的信號，第五路為解調后恢復出來的基帶信號?？梢钥闯觯谖迓泛偷谝宦沸盘栔g除了有幾秒鐘的延時外，波形是完全吻合的。實際仿真時，可根據需要得到任何時刻的波形進行分析。

1.4 系統性能分析

系統性能分析包括眼圖和誤碼率兩個部分。圖3和圖4分別給出了加入不同噪聲時眼圖和誤碼率的情況。信道高斯白噪聲參數的設置：①均值為0，方差為0.1，②均值為0，方差為1。為了更好地更客觀地分析系統，應該在系統經過較長時間運行后觀測眼圖和誤碼率，此時系統的運行時間應設置較大（系統默認值10s）。從圖3中可以看出，噪聲小時，眼圖中眼皮厚度較小，眼睛睜開較大，效果明顯好于噪聲大時。從圖4中可以看出，方差為0.1時誤碼率為0，而方差為1時，出現了12個誤碼，誤碼率約為1.2%。

通過仿真實驗，學生可以非常清楚地觀察到2FSK調制和解調信號在各個時間點時域波形的動態產生過程，并通過自己進行系統設計、參數設置和性能分析進一步加深對2FSK、以及其它數字調制方式的原理的理解，還可以提高學生的學習主動性和積極性，達到良好的教學效果。

2 結論

本文通過使用Simulink對2FSK傳輸系統進行建模、仿真與系統性能分析，研究了Simulink在通信原理教學實踐中的應用。與傳統的教學實驗方式不同，將Simulink運用到通信原理教學中，可以實現教學與實驗同步，使得枯燥、抽象的理論教學與生動形象的實驗有機地結合起來。引入Simulink的方式還可以多樣化，既可以在理論教學過程中由老師邊講授邊演示，使理論分析的過程更加直觀便捷，也可以在講授完一個知識點后讓學生進行同步的驗證性實驗，還可以在課堂教學結束后讓學生自行運用所學知識完成包括建模、仿真、系統分析在內的設計性實驗，提高學生的動手能力。

注釋

① 樊昌信.通信原理教程（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2008.

② 達新宇，陳樹新，等.通信原理教程（第2版）[M].北京：北京郵電大學出版社，2009.

③ 李賀冰，袁杰萍，孔俊霞.Simulink通信仿真教程[M].北京：國防工業出版社，2006.

④ 李穎，朱伯立.Simulink系統建模與仿真基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.