基于Simulink的基帶通信系統教學方法探究

李國權

摘 要 通信原理是一門理論性較強的課程，經過學習學生可以主要掌握通信系統物理層傳輸技術的相關基礎理論，但對其實際實現的技術細節和實現方法仍不能具體了解。考慮到目前物理層主要采用中頻數字化實現，通信系統基帶部分調制解調算法的設計與仿真顯得尤為重要。本文基于模塊化的仿真工具Simulink，重新設計通信原理實驗內容，探索通過四個項目使學生完整了解通信系統基帶部分模型的搭建、參數設置和性能評估方法，實現理論教學和實踐的緊密結合。

關鍵詞 通信系統 Simulink 教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2014）08-0001-02

通信原理是現代通信技術的基礎理論課，是通信與信息類專業本科生必修的專業基礎課，主要介紹通信系統物理層傳輸技術的基本概念和基本理論以及實現方法等。為了更好地將理論教學和實踐相結合，加深學生對知識的清楚理解和靈活運用，在理論教學的同時一般會安排有實驗教學。大體上說，實驗教學往往是采用通信原理實驗箱的方式，來了解通信信號的產生、傳輸和接收的整個流程，使學生直觀了解到一個基本的通信系統的完整工作流程，激發學生學習的興趣。但由于實驗箱上的實驗大多都是驗證性的實驗，學生仍然不能夠了解每個部分的內部實現細節，也不能夠了解目前通信系統實現中常用的技術方法。近年來數字通信技術迅猛發展，物理層傳輸實現時常采用基帶調制解調結合數字上下變頻的方式實現中頻數字化發射和接收，因此基帶數字調制解調算法的設計和仿真尤為重要。本文考慮到實驗教學學時的有限性，探討利用Simulink仿真工具進行基帶通信系統仿真建模的教學內容設計和教學方法改進。

一、認識和學習Simulink，了解通信系統仿真常用庫模塊的使用

Matlab或者Simulink是通信系統仿真較為常用的仿真工具，其中Simulink是一個對動態系統進行建模、仿真和綜合分析的集成軟件包，Simulink的模塊化或者說圖形化操作方式，相對于Matlab來說更容易被學生學習和接受。在Simulink環境中，用戶不僅可以觀察現實世界中非線性因素和各種隨機因素對系統行為的影響，而且也可以在仿真進程中改變感興趣的參數，實時地觀察系統行為的變化，因此已在許多領域，如通信、信號處理、電力、金融、生物系統等獲得重要應用。對信息類專業的學生來說，無論是學習專業課程或相關課程設計，還是在今后的工作中，Simulink都是一個重要的仿真建模工具。

Simulink常用模塊均以庫的方式給出，將需要的模塊從庫中拖動到新建文件中，并將各模塊根據數據傳輸的順序用線進行連接，再設置各個模塊的參數即可進行仿真。對通信系統仿真來說，主要用到Simulink基本庫，通信系統工具箱和數字信號處理工具箱。通信系統工具箱涵蓋了基帶通信系統的各個部分，包括信號源、濾波器、各種數字基帶調制解調、信道編譯碼等模塊，能夠基本滿足通信系統仿真的各種需求。因此在正式進行實驗內容教學之前，可以對Simulink的基本使用方法和仿真流程進行一個演示，但考慮到庫模塊較多并且實驗學時有限，不可能每個模塊都進行詳細的說明，可撰寫一個Simulink庫模塊以及Simulink使用的說明文檔，重點標注經常用到的模塊，給同學們在課下進行學習或者實驗過程中進行查閱。

二、合理設計實驗內容，由易到難，由部分到整體

為了在有限的實驗教學時間內將基帶通信系統涉及到的各個組成部分全部呈現給學生，并讓學生掌握各模塊的參數設置方法和系統仿真方法，必須對實驗教學內容進行精心設計。物理層處理的是二進制的比特流，因此仿真時采用一般的二進制隨機數發生器如伯努利產生器即可。Simulink庫中已經提供了相關模塊，但對一個基帶通信系統來說，還包括信道編碼、成型濾波、調制解調、信道等組成部分，并且要考察搭建通信系統的性能，也需要掌握相應的性能評價方法（一般采用繪制誤比特率曲線的方法）。

為了更好地使學生接受，總體來說采用由易到難、由部分到整體的設計策略，設計以下四個實驗項目：數字基帶調制信號的產生、數字基帶調制信號的星座與頻譜、卷積編譯碼的性能仿真、卷積編碼的QPSK調制解調系統仿真。數字基帶調制信號的產生主要學習常用的數字基帶調制信號如BPSK、QPSK、QAM以及GMSK信號的產生方法，并對比輸入同樣二進制隨機信號情況下輸出調制信號的符號速率。第二個項目主要學習數字調制信號的過采樣，以及矩形脈沖和升余弦脈沖成型濾波器的設置方法，并使用Simulink庫提供的星座圖示波器和頻譜儀來觀察對比不同調制信號采用兩種濾波器成型時的星座圖和頻譜圖，進而比較信號源具有相同比特速率的情況下各調制信號的頻譜和占用帶寬情況。第三個項目主要學習卷積編碼器和維特比譯碼器模塊參數的設置方法。為了考察卷積編碼器的性能，需要加入信道模塊，學習信噪比參數的設置方法以及不同信噪比情況下誤比特率的計算方法，最終繪制誤比特率曲線來展示編譯碼性能。第四個項目綜合前面幾部分的內容，同時又增加了解調部分，實現一個QPSK基帶調制解調系統的仿真及性能分析。四個實驗項目難度依次遞增，層次分明，并涵蓋了需要學習的各部分內容。教學實踐證明，學生普遍顯示出比較濃厚的興趣，能夠達到讓學生掌握基帶通信系統仿真和分析的最終目的。

三、改革教學方法和考核方式，激發學生興趣

實驗內容確定以后，也需要采取一定的教學方法，而考核方式也會影響學生學習的積極性，因此，需要對教學方法和考核方式做出一定的改變。以往的實驗課程采取教師先對實驗內容進行講解演示，然后學生進行練習，最終教師進行檢查的教學方法。這種方式優點是教師講解較為詳細，但是學生一般不需要深入進去，只需依葫蘆畫瓢即可完成實驗內容。此外，所有學生實驗內容完全一致，學生的惰性也容易發揮作用，只要一個學生完成實驗，其他同學拷貝一份應付教師檢查，上交的實驗報告也是互相抄襲，千篇一律，實驗教學效果較差。綜合考慮，可以首先利用兩個學時的時間對Simulink的使用方法和常用庫模塊給學生進行介紹和演示，并讓學生簡單練習；然后在每次開展實驗項目之前，對涉及到的通信原理知識點進行復習講解；接下來學生開展實驗項目，增加學生實驗主動性；最后教師再進行演示并集中回答學生在實驗過程中遇到的問題。此種方式充分利用了學生對未知問題的求解欲望，因此教學效果也更好。另外為了杜絕考核驗收中的抄襲現象，可以采取實驗內容跟學生個人信息綁定的策略，每位同學實驗內容和實驗結果均不相同，增強了對學生的約束力。在此基礎上，考慮到最后一個實驗項目是綜合性的，而且每位同學實驗參數不同，可取消平時檢查，采取上交最后一個實驗項目報告的方式作為考核依據。

參考文獻：

[1]邵玉斌.MATLAB/Simulink通信系統建模與仿真實例分析[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2]李賀冰.Simulink通信仿真教程[M].北京：國防工業出版社，2006.

[3]蔣青，于秀蘭.通信原理（第2版）[M].北京：人民郵電出版社，2008.

（責任編輯 劉 馨）