通信原理實驗教學(xué)中的仿真軟件應(yīng)用

王文娟李緒凱張?zhí)燧x陶杰

（1軍械工程學(xué)院 河北 石家莊 053000）

（2中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081）

通信原理實驗教學(xué)中的仿真軟件應(yīng)用

王文娟1李緒凱2張?zhí)燧x1陶杰1

（1軍械工程學(xué)院 河北 石家莊 053000）

（2中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北 石家莊 050081）

圍繞現(xiàn)有的通信原理實驗教學(xué)情況及實訓(xùn)平臺的不足，提出了基于Matlab/Simulink、SystemView、LabVIEW及ModelSim四種仿真軟件的實驗體系，依據(jù)軟件各自的特點給出應(yīng)用范圍，并以各仿真軟件的經(jīng)典實例進(jìn)行列舉說明。仿真軟件的高度靈活性彌補(bǔ)了實訓(xùn)平臺的缺陷，提高了實驗的設(shè)計性和趣味性，極大地豐富了實驗項目。結(jié)果表明，開設(shè)的通信仿真實驗教學(xué)效果良好，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性高，具有很好的推廣和借鑒價值。

通信原理實驗教學(xué)軟件仿真Matlab/Simulink SystemView LabVIEW ModelSim

1 引言

《通信原理》[1]作為電子信息類和通信工程類學(xué)科的專業(yè)必修課程，為之后的通信新技術(shù)、光纖通信、衛(wèi)星通信技術(shù)及通信網(wǎng)等應(yīng)用課程提供理論基礎(chǔ)，其概念抽象不易理解、涉及知識面廣和技術(shù)發(fā)展快，實驗作為一個由理論到應(yīng)用最直接有效的手段，可以使得抽象的概念具體化，生硬的內(nèi)容形象化。

在通信原理的實驗教學(xué)中，傳統(tǒng)模式是基于實驗箱的實體實驗，為驗證性實驗和綜合類實驗的開設(shè)提供條件。隨著新型通信技術(shù)的不斷出現(xiàn)，實訓(xùn)平臺受到硬件本身的制約往往滯后于技術(shù)發(fā)展，滿足不了教學(xué)需要。而軟件仿真的應(yīng)用，能夠很好的彌補(bǔ)實體實驗的不足，提高實驗的設(shè)計性和趣味性，利用對原理的深入認(rèn)識，同時能夠激發(fā)學(xué)生對各類仿真軟件的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和勇于探索的精神。目前各高校使用的通信仿真實驗軟件主要包括Matlab/Simulink、System View、LabVIEW及ModelSim。下面通過分析仿真軟件

特點和具體的應(yīng)用舉例，說明其在實驗教學(xué)中的應(yīng)用。

2 Matlab/Simulink通信仿真實驗

M atlab是一種功能強(qiáng)大的科學(xué)計算和工程仿真軟件，擅長數(shù)據(jù)分析和處理，提供了一個集成化的工作環(huán)境。Simulink是M atlab提供的用于動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一種交互性仿真平臺，包含諸如通信模塊庫、CDMA參考模塊庫和DSP模塊庫等許多專業(yè)模型庫，可提供豐富的功能模塊，用戶只要用鼠標(biāo)對模塊框圖進(jìn)行簡單拖拉就可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真系統(tǒng)。

利用M atlab直接編程生成.m文件方式，方便學(xué)生實現(xiàn)簡單信號的圖形繪制，例如模擬調(diào)制信號和二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號等。Simulink充分利用Matlab強(qiáng)大的計算功能，仿真工具直觀方便，可以在仿真過程中實時地修正系統(tǒng)模塊的參數(shù)，并能夠?qū)崟r地顯示當(dāng)前的仿真結(jié)果。

下面以GMSK為例說明其應(yīng)用。GMSK[2]（高斯最小頻移鍵控）是從MSK調(diào)制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高效的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，與MSK相比，頻帶更窄，頻譜更光滑，實現(xiàn)起來更簡單，抗干擾能力更強(qiáng)。因此，GMSK調(diào)制廣泛應(yīng)用于調(diào)頻通信中。通過Matlab/Simulink可很方便地搭建系統(tǒng)模型，觀察GMSK信號的波形。通過編寫相應(yīng)的M文件代碼使學(xué)生掌握信噪比SNR及BT值的產(chǎn)生變化及其對誤碼率影響的分析方法，理解GMSK頻譜特性改善以犧牲誤碼率為代價的含義，進(jìn)而掌握調(diào)制解調(diào)基本原理，BT=0.3時GMSK系統(tǒng)仿真的誤碼率和信噪比的關(guān)系曲線圖如圖1所示。

圖1 GMSK系統(tǒng)的誤碼率和信噪比的關(guān)系曲線

Matlab/Simulink搭建系統(tǒng)快，通過改變各部分參數(shù)進(jìn)行調(diào)試較為方便。但是其仿真界面的可讀性差，要求學(xué)生對整個系統(tǒng)的原理和參數(shù)設(shè)置十分清楚，因此Matlab/Simulink主要適用于構(gòu)造比較復(fù)雜的系統(tǒng)模型，例如多進(jìn)制數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)仿真和CDMA系統(tǒng)仿真等。另外，封裝的模塊也不利于學(xué)生對內(nèi)部電路級原理的學(xué)習(xí)。

3 System View通信仿真實驗

System View是各高校通信原理實驗應(yīng)用較多的一種仿真軟件，本室已建成包括模擬調(diào)制系統(tǒng)、數(shù)字頻帶傳輸、同步原理和擴(kuò)頻通信等在內(nèi)的30多項仿真實驗。其中，部分仿真實驗與對應(yīng)的實體實驗同步進(jìn)行，其他為單獨安排實驗或課外實驗。

System View[3]是一個完整的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計、仿真和分析的可視化設(shè)計環(huán)境，能夠滿足從數(shù)字信號處理、濾波器設(shè)計和復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的仿真設(shè)計要求。不同于M atlab針對電子通信系統(tǒng)模塊的系統(tǒng)級仿真，System View是一個信號級的系統(tǒng)仿真軟件。用戶只需要關(guān)心項目的設(shè)計思想和過程，從圖標(biāo)庫中調(diào)出所需的圖標(biāo)，雙擊鼠標(biāo)設(shè)置其參數(shù)，然后完成圖標(biāo)間的連線即可完成復(fù)雜系統(tǒng)的建模、設(shè)計和測試。點擊圖標(biāo)不必?fù)?dān)心程序中是否存在錯誤，同時它的分析窗口可根據(jù)系統(tǒng)運行情況實時的顯示信號波形，繪制時域曲線和頻譜圖及眼圖，還可進(jìn)行誤碼率的測試等。

多進(jìn)制鍵控體制中，相位鍵控占用帶寬小，比特信噪比要求小。但是隨著進(jìn)制數(shù)M的增大，相鄰相位的距離逐漸減小，噪聲容限隨之減小，接收時錯判的概率增大。為了改善M大時的噪聲容限，發(fā)展出了正交振幅調(diào)制QAM[4]。QAM以其較高的頻帶利用率以及較好的信噪比，在有線電視（下行）和數(shù)字地面廣播中得到廣泛的應(yīng)用。利用System View搭建QAM的調(diào)制解調(diào)仿真電路，通過對仿真過程中各模塊參數(shù)的設(shè)置和對系統(tǒng)的實時測試和評估，使學(xué)生對系統(tǒng)產(chǎn)生直觀的印象，方便對QAM系統(tǒng)性能的分析，QAM系統(tǒng)仿真的信號頻譜圖如圖2所示。

圖1 基于視頻優(yōu)先級的隊列調(diào)度算法

4 LabVIEW通信仿真實驗

LabVIEW[5]是N I推出的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，作為G語言的杰出代表，采用圖形模式的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建程序代碼，編

好的程序是框圖的形式。利用強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，可以設(shè)計許多性能完善和功能強(qiáng)大的虛擬儀器；應(yīng)用LabVIEW實現(xiàn)通信原理虛擬實驗系統(tǒng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，為通信原理實驗教學(xué)實施提供新的途徑，與軟件仿真實驗和硬件實驗組成三位一體的實驗教學(xué)體系；另外，通過外接數(shù)據(jù)采集卡，甚至通過網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)建更高層次的實驗平臺。

LabVIEW的編程方法易學(xué)易用，學(xué)生可在短時間內(nèi)掌握并用于實踐。LabVIEW程序主要包括前面板和程序框圖。前面板即人機(jī)界面（用戶界面），提供了許多與真實儀器類似的控件，如設(shè)置和觀察數(shù)值，顯示波形、圖標(biāo)和文本等。程序框圖即語言編寫，LabVIEW的圖形化源代碼類似于流程圖，因此又被稱為程序框圖。

基于LabVIEW的通信原理實驗平臺可以設(shè)計信號分析、模擬調(diào)制系統(tǒng)和數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)等實驗。另外可以使用LabVIEW搭建系統(tǒng)級的仿真軟件，在2010年第六屆N I高校教師交流會上，就有人利用LabVIEW搭建模擬的通信原理實驗室，在此實驗平臺上可以進(jìn)行模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、信道復(fù)用和信道噪聲等多個類別的實驗項目，方便教師授課和學(xué)生理解。

5 ModelSim通信仿真實驗

M odelSim是M entor Graphics公司開發(fā)的EDA工具軟件，主要針對IC設(shè)計的仿真階段，能提供友好的仿真環(huán)境，是業(yè)界唯一的單內(nèi)核支持VHDL[6]和Verlog混合仿真的仿真器。編譯仿真速度快，圖形界面和用戶接口為用戶調(diào)錯提供強(qiáng)有力的手段，是FPGA/ASIC設(shè)計的首選仿真軟件。在通信仿真實驗中，可以應(yīng)用M odelSim繪制差錯控制編碼波形。

編解碼內(nèi)容主要依靠的是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，矩陣之間的變換過程不方便用硬件電路來體現(xiàn)，而且實驗的直觀性不強(qiáng)，因此要求學(xué)生動手編寫程序，通過仿真軟件實現(xiàn)，有利于學(xué)生對編碼原理及應(yīng)用有較深刻的理解。（2,1,2）卷積碼編解碼VHDL在M odelSim中的仿真實現(xiàn)如圖3所示。

6 結(jié)束語

通信原理實驗中軟件仿真平臺的引入，極大地改善了實訓(xùn)平臺的局限性，增強(qiáng)實驗的可行性和多樣性。需要指出的是，文中提到了4種仿真軟件只是作為通信實驗仿真軟件選擇的一種參考，另外每個人的編程習(xí)慣不同，在實際應(yīng)用中，根據(jù)需要選擇其中1～2種熟悉的軟件使用即可。本學(xué)期開設(shè)的通信仿真實驗課程，不僅加深了學(xué)生對理論知識的理解，而且提高學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)創(chuàng)新思維，達(dá)到了良好的教學(xué)效果。同時也意識到，作為新時期的教育工作者，應(yīng)從多方面吸取知識，不斷更新教學(xué)手段，豐富教學(xué)內(nèi)容，才能將教學(xué)水平提高到新的層次。

[1]樊昌信,曹麗娜．通信原理[M]．北京：國防工業(yè)出版社,2008．

[2]閆云斌,全厚德,崔佩璋．GMSK調(diào)頻通信干擾模式分析及仿真[J]．計算機(jī)測量與控制,2011,19(12)：3082-3084．

[3]羅衛(wèi)兵．動態(tài)系統(tǒng)分析及通信系統(tǒng)仿真設(shè)計[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2002．

[4]田竹梅，李艷萍．基于SYSTEMVIEW的QAM調(diào)制與解調(diào)的仿真研究[J]．長春師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2010,29 (4)：50-53．

[5]陳樹學(xué),劉萱．LabVIEW寶典[M]．北京：電子工業(yè)出版社, 2011．

[6]劉燎原．基于VHDL語言的漢明碼編碼器和譯碼器的設(shè)計[J]．安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2006(12)：5-7．

App lication of Sim ulation Softw are in Experim ental Teaching o f Comm unication Princip le

WANGW en-juan1LIXu-kai2ZHANG Tian-hui1 TAO Jie1
(1 PLA College ofO rdnance Engineering,Shijiazhuang Hebei,050003,China)（2 The 54th Research Institute ofCETC,Shijiazhuang Hebei050081,China)

Aim ing at the current experiment teaching situation of communication principle and the defectsof training platforms,this paper proposes the new experimental system based on 4 kindsof simulation software such asMatlab/Simulink,SystemView,LabVIEW and ModelSim,presents the application scopesbased on their characteristicsand illustrates their classic examples.The high flexibility of simulation software remedies the defectsof training platforms,improves the design and interesting ofexperimentsand greatly enriches the laboratory projects.The results show that the effectsof communication simulation experiment teaching are good,improves the learning initiative ofstudents,and ithasagood promotion and reference value.

communication principle;experimental teaching;software simulation;Matlab/Simulink;SystemView;LabVIEW; ModelSim

圖3 (2,1,2)卷積碼編碼輸出波形

TP391

A

1008-1739（2014）13-59-3

定稿日期：2014-06-12