軟件仿真在通信原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

邸金紅 閆利超

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程系，河南 鄭州 450015）

0 引言

《通信原理》是電子信息工程、通信工程等專業(yè)學(xué)生的一門重要的專業(yè)課，該課程內(nèi)容豐富，概念抽象，理論性強(qiáng)，難度大。因此，在教學(xué)時(shí)單純依靠課堂上的理論教學(xué)，有關(guān)知識是不容易被掌握理解的。而通信原理實(shí)驗(yàn)課程是理論教學(xué)必要的補(bǔ)充，也是掌握相關(guān)通信基礎(chǔ)原理和技術(shù)的重要的教學(xué)手段和途徑。

傳統(tǒng)的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，往往是采用教儀設(shè)備廠商提供的實(shí)驗(yàn)箱。廠商為了適應(yīng)各種需要，往往生產(chǎn)眾多的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。廠商提供的內(nèi)容更多的往往是介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)備的電路及操作說明，而忽略了實(shí)驗(yàn)本身和理論知識對實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)[1-2]。經(jīng)過近幾年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)現(xiàn)，這種實(shí)驗(yàn)課程有一定缺陷：1）實(shí)驗(yàn)大都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生只知道按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而對為什么得出這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及如何分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能找到依據(jù)。學(xué)生處于被動地位，積極性不高，實(shí)驗(yàn)效果不好；2）這類驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力、創(chuàng)新能力和動手能力方面所起的意義不大。因此，結(jié)合我校學(xué)生培養(yǎng)與理論教學(xué)的需要，考慮將軟件仿真實(shí)驗(yàn)和硬件驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既配合理論課程的教學(xué)，又與現(xiàn)代通信技術(shù)同步發(fā)展，使實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)從內(nèi)容到形式上都有較大改觀。針對現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，結(jié)合通信仿真軟件，開設(shè)了基于MATLAB 和System View 的仿真實(shí)驗(yàn)。將軟件仿真應(yīng)用于通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為學(xué)生提供統(tǒng)一良好的系統(tǒng)開發(fā)平臺。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和步驟靈活，可極大的激發(fā)學(xué)生的主觀能動性，在實(shí)驗(yàn)中能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。

1 MATLAB 在通信原理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)例

MATLAB[3]是一種交互式的、以矩陣為基礎(chǔ)的軟件開發(fā)環(huán)境，它用于科學(xué)和工程的計(jì)算與可視化。MATLAB 的編程功能簡單，并且很容易擴(kuò)展和創(chuàng)造新的命令與函數(shù)。MATLAB 具有強(qiáng)大的Simulink 動態(tài)仿真環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。另外，MATLAB 的圖形界面功能GUI（Graphical User Interface）能為仿真系統(tǒng)生成一個人機(jī)交互界面，便于仿真系統(tǒng)的操作。因此，MATLAB 在通信系統(tǒng)仿真中得到了廣泛應(yīng)用。

圖1 2-MSK 調(diào)制系統(tǒng)模型

基于Matlab 平臺開發(fā)的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫膹浹a(bǔ)實(shí)驗(yàn)箱的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的不足，在通信原理實(shí)驗(yàn)箱的硬件實(shí)驗(yàn)中，主要實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖桥浜侠碚摻虒W(xué)，通過驗(yàn)證掌握通信系統(tǒng)的基本原理和基本技術(shù)。而在Matlab 仿真平臺上可以靈活設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完成系統(tǒng)搭建，仿真系統(tǒng)性能等問題，這些方面往往是通信原理實(shí)驗(yàn)箱的硬件實(shí)驗(yàn)達(dá)不到的，同時(shí)也是學(xué)生知識的掌握必不可少的。例如，在MATLAB 仿真平臺上實(shí)現(xiàn)MSK 調(diào)制，如圖1 和圖2，可以靈活設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完成系統(tǒng)搭建，仿真系統(tǒng)性能，觀察仿真波形和頻譜特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)過程中可以通過對重要參數(shù)的改變，讓學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)單元的搭建、仿真實(shí)現(xiàn)和對結(jié)果的討論以及對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題的探討。

圖2 2-MSK 頻域波形

2 System View 在通信原理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)例

圖3 DQPSK 信號調(diào)制仿真電路

圖4 DQPSK 已調(diào)信號的功率譜

System View[4]是ELANIX 公司推出的一個完整的動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和仿真的可視化環(huán)境。它是信號級的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真，是一個強(qiáng)有力的動態(tài)系統(tǒng)分析工具，能滿足從數(shù)字信號處理、濾波器設(shè)計(jì)、直到復(fù)雜的通信系統(tǒng)等不同層次的設(shè)計(jì)、仿真要求。基于System View 的實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫膸椭鷮W(xué)生加深對理論知識的掌握，如DQPSK 調(diào)制，圖3 所示，用System View 仿真，可以直接看到調(diào)制后輸出波形。要對系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，在SystemView 中必不可少的工具就是接收計(jì)算器，這個工具也是SystemView 中的一個獨(dú)特的區(qū)別于其它仿真軟件的功能之一。利用接收計(jì)算器可以繪制信號的功率譜、覆蓋圖、星座圖等。圖4 為已調(diào)DQPSK 信號的功率譜。

綜上，軟件仿真用于通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方便靈活，既可以在實(shí)驗(yàn)室也可以在學(xué)生宿舍進(jìn)行，且在仿真器上可以任意作參數(shù)調(diào)整，體現(xiàn)了仿真實(shí)驗(yàn)的靈活性；拓展了學(xué)生的思維，有利于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更復(fù)雜的系統(tǒng)分析，使以往不敢觸及的問題得到擴(kuò)展和深入，提高了學(xué)生實(shí)際解決問題的能力。

3 結(jié)束語

軟件仿真為《通信原理》實(shí)驗(yàn)課程開辟了一個更加直觀、易操作的空間，使學(xué)生提高了實(shí)驗(yàn)的自主性，提高了學(xué)生解決問題的能力和獨(dú)立的思考問題能力，而且節(jié)省了大量的教學(xué)資源和經(jīng)費(fèi)資源。因此，將軟件仿真實(shí)驗(yàn)與硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有利于提高學(xué)生理論設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真及相應(yīng)的硬件制作與系統(tǒng)調(diào)試的綜合能力。

［1］馬冬梅，朱正偉.通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2010(4):17-19.

［2］趙金憲，江曉林.電氣信息類專業(yè)“通信原理”實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)的研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010(1):111-112.

［3］邵玉斌，等.Matlab/Simulink 通信系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［4］青松，程岱松，武劍花.數(shù)字通信系統(tǒng)的SystemView 仿真分析[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.