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摘 要 针对通信原理课程理论性和实践性都很强的特点，提出将Simulink仿真工具引入到教学过程的思路。本文给出了2FSK数字传输系统的Simulink仿真过程，观察了传输系统各时间点动态的时域波形图、分析了系统在不同噪声情况下的眼图和误码率性能。实践表明，利用Simulink进行通信原理教学，可使得通信系统的学习和分析过程更加直观和生动。
关键词 通信原理 Simulink 系统仿真 2FSK
中图分类号：G424 文献标识码：A
0 引言
通信原理是通信与电子类专业的主干专业课程之一，它上承信号与系统、电子电路、数字信号处理等课程，下启无线通信、光纤通信、数据通信等，是一门非常重要的专业基础课。该课程有着内容丰富，原理性、逻辑性、综合性强，且抽象概念多，不易理解等特点，是一门理论性和实践性都很强的课程。①②多年的教学实践表明，传统的教学方式——课堂教学结合简单的硬件实验，很难满足教学的要求，因此有必要寻求一种新型的教学配套方式，让学生在学习理论知识的同时，能够直观形象地观察通信系统的运行过程和整体性能，以促进理论知识的掌握。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。③它提供了一种图形化的交互环境，只需要轻轻拖动鼠标就可以迅速建立起系统的框架模型，甚至不需要编写一行代码。而且Simulink除了基本的模块库以外，还提供专用模块库，如Communications Blockset、Signal Processing Blockset等，这使得Simulink可以非常方便地应用于通信原理课程。④
1 基于Simulink的2FSK通信系统设计与仿真
现代数字通信系统包括基带数字传输系统和频带数字传输系统，常见的通信系统多属于后者。基本的数字调制方式包括2ASK、2FSK和2PSK，只有熟练地掌握这几种基本的调制方式，才能进一步学习和了解一些更新的现代调制技术。通信原理的课堂教学对数字调制的基本理论进行了详细的介绍，但繁杂的公式推导、相似的框图和静态的理论分析，让学生难以深刻地系统地掌握调制理论。采用仿真软件Simulink与课堂教学结合，既可以让学生深入地掌握理论，又可以提高学生的学习兴趣，锻炼学生的动手能力。
下面以稍微复杂的2FSK调制系统为例，通过Simulink对系统的调制、解调和抗噪性能进行仿真。
1.1 系统建模与仿真
建立模型之前，要求学生先掌握2FSK的调制解调理论，根据所选的调制解调方式画出完整的系统框图，然后再从Simulink模块库中选择相应的功能模块完成系统的仿真。本文的2FSK系统采用开关法调制、包络解调法解调来构建系统模型，系统的Simulink仿真框图如图1所示。系统通过加入高斯白噪声模拟信道噪声对系统的影响。在仿真过程中，通常要求学生将系统分成几部分，分步进行仿真。如2FSK系统可以依次分成调制、信道加噪、解调和系统性能分析几部分，学生可先仿真调制部分，通过加入示波器观看波形确保调制正确，再进行下一步加噪、解调等，这样可以减少调试的复杂度和工作量。另外需要注意的是，信源是基带随机信号，应该选取Bernoulli二进制随机信号产生器，有些同学选择方波产生器，产生周期性方波信号作为信源，是不对的。
1.2 系统参数设置
参数设置是系统仿真非常重要的一部分，光有正确的系统仿真框图而不能合理地设置参数，同样得不到正确的仿真结果。在使用Simulink辅助教学的过程中，发现很多同学对滤波器参数和采样频率的设置很迷惑，这仍然是理论知识掌握不深刻之过。参数要以系统的观念来设置，首先需要确定的是基带信号的码元传输速率和两个载波频率，最基本的原则是载波频率都要大于调制信号频率，然后根据这几个参数分析基带信号的带宽和已调信号的带宽，来确定解调时滤波器的通带，其中低通滤波器的截止频率由基带信号带宽决定，两路带通滤波器的中心频率由各自的载波频率决定，带宽则为基带信号带宽的两倍。在其它一些仿真软件如SystemView中，还有一个全局参数需要设置，那就是采样频率fs，设定后整个系统都使用相同的fs，在这种情况下，fs的设置需要参考系统中的最高频率fm来设置，理论上要求fs≥2fm，但实际设置时通常会使fs>>2fm，但fs设太大了会使系统的运行时间过长，所以设置一个合理的fs很重要。在Simulink中，对采样频率参数的管理比较宽松，系统的每一个模块都可以单独设置fs，但我们希望学生在设置该类参数时仍然有一个全局的观念。
1.3 仿真波形
图2给出了该2FSK系统的部分仿真波形。其中第一路信号为基带随机信号，第二路为已调信号，第三路为加噪后的已调信号，第四路为解调时其中一路经过带通滤波后的信号，第五路为解调后恢复出来的基带信号。可以看出，第五路和第一路信号之间除了有几秒钟的延时外，波形是完全吻合的。实际仿真时，可根据需要得到任何时刻的波形进行分析。
1.4 系统性能分析
系统性能分析包括眼图和误码率两个部分。图3和图4分别给出了加入不同噪声时眼图和误码率的情况。信道高斯白噪声参数的设置：①均值为0，方差为0.1，②均值为0，方差为1。为了更好地更客观地分析系统，应该在系统经过较长时间运行后观测眼图和误码率，此时系统的运行时间应设置较大（系统默认值10s）。从图3中可以看出，噪声小时，眼图中眼皮厚度较小，眼睛睁开较大，效果明显好于噪声大时。从图4中可以看出，方差为0.1时误码率为0，而方差为1时，出现了12个误码，误码率约为1.2%。
通过仿真实验，学生可以非常清楚地观察到2FSK调制和解调信号在各个时间点时域波形的动态产生过程，并通过自己进行系统设计、参数设置和性能分析进一步加深对2FSK、以及其它数字调制方式的原理的理解，还可以提高学生的学习主动性和积极性，达到良好的教学效果。
2 结论
本文通过使用Simulink对2FSK传输系统进行建模、仿真与系统性能分析，研究了Simulink在通信原理教学实践中的应用。与传统的教学实验方式不同，将Simulink运用到通信原理教学中，可以实现教学与实验同步，使得枯燥、抽象的理论教学与生动形象的实验有机地结合起来。引入Simulink的方式还可以多样化，既可以在理论教学过程中由老师边讲授边演示，使理论分析的过程更加直观便捷，也可以在讲授完一个知识点后让学生进行同步的验证性实验，还可以在课堂教学结束后让学生自行运用所学知识完成包括建模、仿真、系统分析在内的设计性实验，提高学生的动手能力。
注释
① 樊昌信.通信原理教程（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2008.
② 达新宇，陈树新，等.通信原理教程（第2版）[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.
③ 李贺冰，袁杰萍，孔俊霞.Simulink通信仿真教程[M].北京：国防工业出版社，2006.
④ 李颖，朱伯立.Simulink系统建模与仿真基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.
关键词 通信原理 Simulink 系统仿真 2FSK
中图分类号：G424 文献标识码：A
0 引言
通信原理是通信与电子类专业的主干专业课程之一，它上承信号与系统、电子电路、数字信号处理等课程，下启无线通信、光纤通信、数据通信等，是一门非常重要的专业基础课。该课程有着内容丰富，原理性、逻辑性、综合性强，且抽象概念多，不易理解等特点，是一门理论性和实践性都很强的课程。①②多年的教学实践表明，传统的教学方式——课堂教学结合简单的硬件实验，很难满足教学的要求，因此有必要寻求一种新型的教学配套方式，让学生在学习理论知识的同时，能够直观形象地观察通信系统的运行过程和整体性能，以促进理论知识的掌握。
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。③它提供了一种图形化的交互环境，只需要轻轻拖动鼠标就可以迅速建立起系统的框架模型，甚至不需要编写一行代码。而且Simulink除了基本的模块库以外，还提供专用模块库，如Communications Blockset、Signal Processing Blockset等，这使得Simulink可以非常方便地应用于通信原理课程。④
1 基于Simulink的2FSK通信系统设计与仿真
现代数字通信系统包括基带数字传输系统和频带数字传输系统，常见的通信系统多属于后者。基本的数字调制方式包括2ASK、2FSK和2PSK，只有熟练地掌握这几种基本的调制方式，才能进一步学习和了解一些更新的现代调制技术。通信原理的课堂教学对数字调制的基本理论进行了详细的介绍，但繁杂的公式推导、相似的框图和静态的理论分析，让学生难以深刻地系统地掌握调制理论。采用仿真软件Simulink与课堂教学结合，既可以让学生深入地掌握理论，又可以提高学生的学习兴趣，锻炼学生的动手能力。
下面以稍微复杂的2FSK调制系统为例，通过Simulink对系统的调制、解调和抗噪性能进行仿真。
1.1 系统建模与仿真
建立模型之前，要求学生先掌握2FSK的调制解调理论，根据所选的调制解调方式画出完整的系统框图，然后再从Simulink模块库中选择相应的功能模块完成系统的仿真。本文的2FSK系统采用开关法调制、包络解调法解调来构建系统模型，系统的Simulink仿真框图如图1所示。系统通过加入高斯白噪声模拟信道噪声对系统的影响。在仿真过程中，通常要求学生将系统分成几部分，分步进行仿真。如2FSK系统可以依次分成调制、信道加噪、解调和系统性能分析几部分，学生可先仿真调制部分，通过加入示波器观看波形确保调制正确，再进行下一步加噪、解调等，这样可以减少调试的复杂度和工作量。另外需要注意的是，信源是基带随机信号，应该选取Bernoulli二进制随机信号产生器，有些同学选择方波产生器，产生周期性方波信号作为信源，是不对的。
1.2 系统参数设置
参数设置是系统仿真非常重要的一部分，光有正确的系统仿真框图而不能合理地设置参数，同样得不到正确的仿真结果。在使用Simulink辅助教学的过程中，发现很多同学对滤波器参数和采样频率的设置很迷惑，这仍然是理论知识掌握不深刻之过。参数要以系统的观念来设置，首先需要确定的是基带信号的码元传输速率和两个载波频率，最基本的原则是载波频率都要大于调制信号频率，然后根据这几个参数分析基带信号的带宽和已调信号的带宽，来确定解调时滤波器的通带，其中低通滤波器的截止频率由基带信号带宽决定，两路带通滤波器的中心频率由各自的载波频率决定，带宽则为基带信号带宽的两倍。在其它一些仿真软件如SystemView中，还有一个全局参数需要设置，那就是采样频率fs，设定后整个系统都使用相同的fs，在这种情况下，fs的设置需要参考系统中的最高频率fm来设置，理论上要求fs≥2fm，但实际设置时通常会使fs>>2fm，但fs设太大了会使系统的运行时间过长，所以设置一个合理的fs很重要。在Simulink中，对采样频率参数的管理比较宽松，系统的每一个模块都可以单独设置fs，但我们希望学生在设置该类参数时仍然有一个全局的观念。
1.3 仿真波形
图2给出了该2FSK系统的部分仿真波形。其中第一路信号为基带随机信号，第二路为已调信号，第三路为加噪后的已调信号，第四路为解调时其中一路经过带通滤波后的信号，第五路为解调后恢复出来的基带信号。可以看出，第五路和第一路信号之间除了有几秒钟的延时外，波形是完全吻合的。实际仿真时，可根据需要得到任何时刻的波形进行分析。
1.4 系统性能分析
系统性能分析包括眼图和误码率两个部分。图3和图4分别给出了加入不同噪声时眼图和误码率的情况。信道高斯白噪声参数的设置：①均值为0，方差为0.1，②均值为0，方差为1。为了更好地更客观地分析系统，应该在系统经过较长时间运行后观测眼图和误码率，此时系统的运行时间应设置较大（系统默认值10s）。从图3中可以看出，噪声小时，眼图中眼皮厚度较小，眼睛睁开较大，效果明显好于噪声大时。从图4中可以看出，方差为0.1时误码率为0，而方差为1时，出现了12个误码，误码率约为1.2%。
通过仿真实验，学生可以非常清楚地观察到2FSK调制和解调信号在各个时间点时域波形的动态产生过程，并通过自己进行系统设计、参数设置和性能分析进一步加深对2FSK、以及其它数字调制方式的原理的理解，还可以提高学生的学习主动性和积极性，达到良好的教学效果。
2 结论
本文通过使用Simulink对2FSK传输系统进行建模、仿真与系统性能分析，研究了Simulink在通信原理教学实践中的应用。与传统的教学实验方式不同，将Simulink运用到通信原理教学中，可以实现教学与实验同步，使得枯燥、抽象的理论教学与生动形象的实验有机地结合起来。引入Simulink的方式还可以多样化，既可以在理论教学过程中由老师边讲授边演示，使理论分析的过程更加直观便捷，也可以在讲授完一个知识点后让学生进行同步的验证性实验，还可以在课堂教学结束后让学生自行运用所学知识完成包括建模、仿真、系统分析在内的设计性实验，提高学生的动手能力。
注释
① 樊昌信.通信原理教程（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2008.
② 达新宇，陈树新，等.通信原理教程（第2版）[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.
③ 李贺冰，袁杰萍，孔俊霞.Simulink通信仿真教程[M].北京：国防工业出版社，2006.
④ 李颖，朱伯立.Simulink系统建模与仿真基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.