Simulink在移动通信实验教学中的应用
中图分类号：G434
文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）005-0171-03
作者简介：卫萌菡（1982-），女，四川成都人，硕士，四川师范大学物理与电子工程学院讲师，研究方向为无线资源管理。
0 引言
移动通信是通信工程专业的必修课，与工程应用联系密切，涉及到移动通信系统的实际构成、关键技术、仿真建模等多方面内容，其课程和实验教学改革一直备受关注[1-2]。因为通信网络结构复杂，通信技术日新月异，专用设备价格高昂，而实验室资金有限，因此设备更新速度跟不上需求发展。长期以来多数学校开设移动通信实验课程都采用实验箱教学方式，因为硬件模块通常被固化在实验箱上，限制了学生进行二次开发，仅进行理论验证和少数简单的测试，开设综合设计科目受到极大限制。在这样的教学条件下，学生缺乏对通信网络模块的整合训练，对移动通信系统结构缺乏整体认识。利用仿真软件进行辅助教学，可以在不额外添置硬件设备的前提下扩充实验内容，开设移动通信系统综合设计型实验，帮助学生更好地提升工程实践能力和设计创新能力[3]。
1 Simulink
Matlab是一种适用于工程领域的科学计算软件，以矩阵运算为基础，提供开放式的集成环境，交互式地接受指令并输出结果，其功能强、效率高，广泛应用于工程、教学和科研中。Simulink是Matlab中的可视化仿真工具，具有交互式的图形化环境及可定制模块库（Library），可对各种时变系统，如通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统等进行设计、仿真、执行和测试[5]。
应用Matlab中的Simulink工具，可以通过建立系统方框图并搭建基于方框的系统仿真环境，对动态系统进行建模、仿真并对仿真结果进行分析。利用Simulink，用户操作鼠标可以将一系列可视化模块连接起来，从而建立起更加复杂的系统模型，避免编写Matlab仿真程序，简化了仿真建模过程，非常适合通信专业课程的初学者。Simulink仿真环境附带了许多专业仿真模块，在通信工程领域常用的专业模块库有：CDMA 参考模块库、通信系统模块库、DSP（数字信号处理器）模块库等。如果将Matlab编程和Simulink可视化建模仿真相结合，还可以构建更为复杂的系统模型，进行自动化程度更高的仿真，并进行数据分析。
2 基于Simulink的移动通信系统仿真
2.1 通信仿真基本方法
仿真是衡量系统性能的工具，它通过仿真模型结果推断原系统性能，从而对系统的建立或原系统的改造提供可靠参考[5]。通过仿真，可以降低新系统失败的可能性，消除系统中潜在的瓶颈，防止对系统中某些功能造成过重的负载，优化系统整体性能。通信系统是一个功能结构相当复杂的系统，对这个系统做出的任何改变（改变参数、系统结构）都可能影响到整个系统的性能和稳定性。因此，在对原有通信系统作出改进或建立新系统之前，通常要先进行建模和仿真，通信仿真流程如图1所示，包含建模、实验、分析、总结等部分。在实验教学过程中，首先要让学生掌握仿真方法，利用软件仿真，衡量方案的可行性，从中选择最合理的系统配置和参数，然后应用于实际系统中。
2.2 基于Simulink的寻呼信道仿真设计
通过仿真方法的学习，了解了设计步骤，就可通过仿真软件来建造仿真模型。建模最直接的方法就是使用C语言进行编程，这种方法的优点是效率高，缺点是不够灵活，没有易于实现的人机交互界面，仿真结果分析不便，物理层的仿真通常采用Matlab语言进行。在通信技术迅速发展的今天，将Matlab应用在通信系统仿真方面，学生对整个
通信系统的工作过程能有更加生动、具体的认识。下面以CDMA移动台发射机寻呼信道的仿真设计为例进行说明。
2.2.1 设计分析
CDMA移动台发射机寻呼信道流程如图2所示。首先产生随机数，经过信道编码、卷积编码、符号重复、交织，交织后进入Walsh调制、QPSK调制等[5]，具体设计步骤如下：
①通过寻呼信道的完整结构图，熟悉各模块的原理和功能，得出其流程图；
②选择合适的仿真工具，利用其提供的仿真语言，描述出第一步的方框图及算法，并对每一模块参数设置初值；
③利用Matlab中的工具对输入和输出对的仿真结果进行分析。
Matlab的模块仿真如图3所示，由Simulink工具包提供的COMMUNICAION模块及附带的CDMA仿真参考模型，并结合CDMA寻呼信道的基本原理进行模拟仿真。
2.2.2 仿真过程中重要模块的输出波形
寻呼信道仿真中的随机序列产生、重复、卷积编码、矩阵交织的仿真结果如图4所示。在仿真过程中，4个示波器的结果符合设计原理中的要求。图5所示为寻呼信道的数据扰码，对长码发生器产生的1.2288MC/s的PN序列实行了64：1的分频功能。
图6为I（t）和Q（t）的输出波形。图7为以I（t）和Q（t）为基带滤波器的两路正交相位输出，I（t）、Q（t）可由相位偏移得到，符合调制原理。对仿真结果分析可知输出结果为：
I信道输出：（0，1，0，1，-1，0，-1，0，-1）
Q信道输出：（-1，1，0，1，-1，0，-1，1）
本实例应用Simulink中的工具包实现了寻呼信道模块仿真，为了方便实现未加入载波调制，并未考虑信道的干扰、噪声、系统增益等因素，仅仅对输入的数据帧进行了寻呼信道基带传输的编码、调制。通过这个实例可知：应用Simulink采用软件设计方法进行通信系统开发，能够将书本中所学的知识应用于实践，完成CDMA寻呼信道的模块化设计。
3 结语
本文探讨了在移动通信系统实验教学过程中引入Simulink仿真方法进行辅助教学。实例证明：这一改进可以帮助学生理解所学理论知识，提升教学质量。通过仿真手段进行通信系统设计和分析，锻炼了学生的工程实践能力，提高了分析解决问题的能力，为日后从事相关工作打下了基础。
