Matlab/Simulink仿真实验在扩频通信课程教学中的应用

2022-09-10

近年来, 扩频技术迅猛发展, 扩频通信不仅在军事通信中占有重要地位, 在民用通信中也得到了越来越广泛的应用。《扩展频谱通信》是一门多学科专业交叉渗透的综合课程, 它涉及到通信基础理论, 对于教授该门课程理论的高校教师来说如何能更充分地表达自己的教学思路, 如何更生动形象地开展教学, 让学生更形象、更直观地理解所讲授内容历来是探讨的热点, 解决上述问题的有效方法是采用计算机仿真技术。

1 Matla/Simulink b仿真在实验教学中的作用

1.1 Matlab/Simulink仿真与传统实验比较

通信系统仿真实质上就是把实验硬件搬进了计算机。在实物实验系统中, 用各种电子元器件制作出通信系统中的理论模型所规定的各个模块, 再把它们通过导线或电缆等接在一起, 然后再用示波器、频谱议、误码仪等通信仪表做各种测量, 最后分析测量结果。在仿真实验中也是这样做, 只不过所有通信模块及通信仪表的功能都是用程序来实现的, 即通信系统的全过程在计算机中仿真运行。仿真实验不像实物实验那样让人感到“真实”, 但对于许多通信问题的研究来说的确非常有效。与实物实验相比, Matlab仿真具有如下一些优点。

(1) Matlab可以仿真许多通信系统, 通过改变某些参数来观察通信系统的性能, 加深学生对知识的理解, 从而可以获得比较好的教学效果。

(2) 软件实验建设开发周期短, 成本低。

(3) 弥补了由于实验场地、仪器设备和经费缺乏等因素带来的不足, 避免了因误操作而对仪器造成的损坏, 而且对于某些实验中不易观察到的现象, 也可以进行模拟仿真。

1.2 Matlab/Simulink的功能与特点

Matlab是一套功能强大的工程技术数值运算和系统仿真软件, 它具有数值分析、矩阵运算、图形处理、仿真建模、系统控制和优化等功能。运用Matlab进行仿真共有两种途径:一是基于数据流的仿真, 它是用Matlab函数以命令行的形式实现, 亦即编程实现整个系统的仿真;二是基于时间流的仿真, 它是用Matlab提供的一种可视化仿真模型库——Simulink来实现整个系统的仿真。Simulink提供了许多模型库, 用户只需用鼠标将所需模块从库中调出来并连接起来即可。利用Matlab对通信原理课程中所涉及的内容进行仿真, 形式生动、形象直

2 扩展频谱通信系统仿真实例

直接序列扩频通信系统是扩频通信中最典型和最便于理解的扩频方式之一。我们试图通过这一系统的仿真演示过程来说明仿真软件在教学中的突出作用。

2.1 直接序列扩频通信系统

通过建立如图1所示的仿真模型来研究直接序列扩频通信系统, 观察其数据波形、扩频输出波形及扩频调制输出的频谱。仿真模型中, Bernoulli Binary Generator用于产生伪随机扩频序列, 其采样时间设置为0.01s.PN Sequence Generator用于产生伪随机扩频序列, 其采样时间设置为0.0005s.Unipolar to Bipolarr Converter用于完成数据和扩频序列的双极性变换, 乘法器输出就是扩频输出, 其码速率等于采样速率。扩频输出信号以BPSK方式进行调制。为使频谱观察范围达到4kHz, 需要被观察信号的采样速率达到8000次/s, 为此, 以升速率模块配合采样保持模块将调制输出信号采样速率提高到8000次/s。

2.2 仿真结果

仿真执行后, 两个频谱仪将分别显示扩频前后的信号频谱, 采用BPSK调制的等效低通模型时, 调制前后的功率谱相同, 如图2所示, 可见, 数据信号的带宽约100Hz其功率峰值约为20dB, 而扩频输出信号带宽展宽了20倍, 为2kHz, 其功率峰值下降到约7dB处。仿真输出的时域波形结果如图3所示, 图中显示了数据流、PN序列以及扩频输出信号的波形。

3 结语

Matlab/Simulink作为一种功能强大的工程技术数值运算和系统仿真软件, 一直是科研人员作研究的工具, 较少用于教学活动中。实践证明:在扩展频谱通信原理的实验教学过程中引入Matlab进行仿真, 能帮助学生更好的学习该课程, 提高学习兴趣, 能取得较好的实验效果, 弥补通信类课程实验的不足。

摘要：根据扩频通信课程的特点, 分析了当前该课程教学存在的问题, 提出了采用Matlab/Simulink仿真来弥补实验室实验设备等的不足, 并给出了Matlab/Simulink仿真的方法与实例, 这是教学改革进程中的有益尝试。

关键词：Matlab/Simulink仿真,扩频通信,仿真模型