Simulink在移動通信教學中的應用研究

朱家龍

摘 要：針對移動通信課程理論性強、學生難以直觀理解等問題，提出應用Simulink進行輔助教學。文中以移動通信中的瑞利衰落基礎理論為例，通過構建Simulink仿真模型，輸出仿真結果，使學生形象生動地體會瑞利衰落的變化規律。教學實踐表明，結合Simulink的教學方法有助于學生深刻認識移動通信相關理論知識。

關鍵詞：移動通信;Simulink;輔助教學;瑞利衰落;參數設置;仿真模型

中圖分類號：TP39;G642.0文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-0-02

0 引 言

移動通信是電子信息類的一門主要專業課程，其課程與實踐密切相關，如目前使用的4G技術和正在建設的5G技術都在其講述范圍內。現代移動通信技術發展迅速且越來越復雜，這就給教師和學生帶來更多的難度。教學過程中發現該課程的內容特點主要有：課程內容與生活實際關系密切;知識抽象且學生很難理解;數學公式復雜，導致學生無法直觀認知與了解[1-3]。通過Simulink的仿真實驗，可以生動形象地將復雜的原理轉化為直觀的模塊化系統模型。教師可以將建立好的原理模型在課堂上進行演示與講解，學生也可自己進行建模與仿真，加深對原理的理解與認知，進一步地提高學習效果。本文以移動通信中瑞利衰落為例進行闡述，證明Simulink在移動通信教學中的實用性。

1 Simulink簡介

Simulink是一種集成在Matlab中的軟件包[4]，為Matlab提供新的控制系統模型輸入與仿真工具。該工具的主要功能為Simu（仿真）和Link（連接），主要用其對動態系統進行建模、仿真與分析。移動通信是動態系統中的一類，其輸出信號隨時間變化而變化，要描述這種系統的特性，傳統教學方法是先對系統的輸入信號和輸出信號進行分析，得到其系統方程，然后直接簡述仿真結果。該教學方法存在一定的弊端：首先，不夠直觀，缺乏足夠的人機交互，推算的系統公式模型難以進行直觀的描述與分析;其次，這種方法缺乏系統性，處理過程中難以采用模塊化，從而降低了教學的理解性。

Simulink為學生提供模塊化思維方式，將各個功能形成模塊，需要用到某一功能時可以直接使用，豐富的模塊庫可以幫助學生快速建立系統模型，學生只需使用鼠標拖放不同模塊，將其連接起來形成系統。此外，Simulink中還有專用功能塊，如Communication Blockset，其為通信模塊，其中包含移動通信用到的功能模塊。

2 基于Simulink的瑞利衰落教學的應用

移動通信課程的基礎章節主要有移動通信網、移動通信的電波傳播及數字調制技術等[5]。其中，移動通信電波傳播中的瑞利衰落為移動通信學習過程中比較難以理解的知識點，瑞利衰落的學習為學生理解移動通信信道起著關鍵作用。

2.1 瑞利衰落基本原理

電波在傳輸過程中可能存在直射、反射、散射及繞射等現象，導致接收端接收的電波可能從不同路徑發射過來，因此接收機接收同一信號來自不同路徑電波時，其到達時間、相位及幅度均不相同，將多路電波進行疊加，其信號將會發生畸變，信號幅度急劇變化，接收到的電波的包絡服從瑞利分布，因此稱其衰落為瑞利衰落[5]。

設發射機發出的信號為正弦波Asin（ωct），接收機接收到的疊加信號模型為：

式中：Ri（t）為第i條路徑的接收信號;φi（t）為第i條路徑的滯后相位。

假設噪聲為高斯白噪聲，σ為噪聲方差，r為接收信號的瞬時幅度，則包絡概率密度函數為：

相位概率密度函數為：

2.2 瑞利衰落信道的模型建立與仿真

根據瑞利衰落的基本原理，將瑞利衰落信道的模型用Simulink建立完成，構建的瑞利衰落信道模型如圖1所示。

模型可以設置路徑數，以及每路傳輸路徑的延遲量與平均衰落減量。將模型搭建好后，學生通過更改模型中的模塊參數，可以測試不同的實驗效果，該方式使學生容易理解及掌握瑞利衰落與各個模塊參數之間的規律。

在Random Integer Generator 中可以更改路徑數，本文將其設置為4;QPSK Modulator Baseband也需將對應的路徑數更改為4路;Multipath Rayleigh Fading Channel 將最大多普勒頻移（Maximum Doppler Shift）設置為35 Hz，多普勒頻譜的類型（Doppler Spectrum Type）設置為Jakes。離散路徑延遲矢量為[0，1.5e-6，2.5e-6，3.5e-6]（s），對應的平均路徑增益矢量為[0，-2.5，-4.5，-9.5]（dB），設置輸出信號增益矢量歸一化為0 dB。選擇路徑增益復矢量輸出端口項，使得瑞利衰落信道的輸出端口為兩路，其中一路用于計算輸出信號的交流功率，另一路用于計算瑞利分布的隨機數。

將構建好的瑞利衰落模型進行仿真，在矢量示波器上顯示動態4路幅度統計分布，某一時刻矢量示波器4路幅度增益分布如圖2所示。

如圖2所示，學生可以直觀地觀察不同信道衰落類型的差異，并自行設置Multipath Rayleigh Fading Channel參數，觀察對比4路幅度增益分布與離散路徑延遲矢量及平均路徑增益矢量的關系，進而深入了解瑞利衰落產生的原因。

通過瑞利衰落自身模塊所帶一個信道特性的可視化窗口，可以更加全面地了解瑞利衰落模型各個方面的特性，其具體內容如圖3所示。

由上述構建的瑞利衰落信道模型及其仿真結果可以看出，Simulink將復雜枯燥的原理轉變為形象生動的圖形，從而使學生更加深刻地學習和認知瑞利衰落相關知識，證明了該教學方法的實用性。

3 結 語

本文將Simulink應用到移動通信教學中，使枯燥的理論知識轉變為生動的圖形，通過學生自己動手構建與參數設置，對知識點有了進一步的認識。實際教學效果表明，該方式具有較好的實用價值。

參 考 文 獻

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