Simulink在移动通信教学中的应用研究

2022-03-17 08:59:33 | 浏览次数：

��zoޛ�)j馔��b�D��b�F�� 体会瑞利衰落的变化规律。教学实践表明，结合Simulink的教学方法有助于学生深刻认识移动通信相关理论知识。

关键词：移动通信;Simulink;辅助教学;瑞利衰落;参数设置;仿真模型

中图分类号：TP39;G642.0文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）12-0-02

0 引言

移动通信是电子信息类的一门主要专业课程，其课程与实践密切相关，如目前使用的4G技术和正在建设的5G技术都在其讲述范围内。现代移动通信技术发展迅速且越来越复杂，这就给教师和学生带来更多的难度。教学过程中发现该课程的内容特点主要有：课程内容与生活实际关系密切;知识抽象且学生很难理解;数学公式复杂，导致学生无法直观认知与了解[1-3]。通过Simulink的仿真实验，可以生动形象地将复杂的原理转化为直观的模块化系统模型。教师可以将建立好的原理模型在课堂上进行演示与讲解，学生也可自己进行建模与仿真，加深对原理的理解与认知，进一步地提高学习效果。本文以移动通信中瑞利衰落为例进行阐述，证明Simulink在移动通信教学中的实用性。

1 Simulink简介

Simulink是一种集成在Matlab中的软件包[4]，为Matlab提供新的控制系统模型输入与仿真工具。该工具的主要功能为Simu（仿真）和Link（连接），主要用其对动态系统进行建模、仿真与分析。移动通信是动态系统中的一类，其输出信号随时间变化而变化，要描述这种系统的特性，传统教学方法是先对系统的输入信号和输出信号进行分析，得到其系统方程，然后直接简述仿真结果。该教学方法存在一定的弊端：首先，不够直观，缺乏足够的人机交互，推算的系统公式模型难以进行直观的描述与分析;其次，这种方法缺乏系统性，处理过程中难以采用模块化，从而降低了教学的理解性。

Simulink为学生提供模块化思维方式，将各个功能形成模块，需要用到某一功能时可以直接使用，丰富的模块库可以帮助学生快速建立系统模型，学生只需使用鼠标拖放不同模块，将其连接起来形成系统。此外，Simulink中还有专用功能块，如Communication Blockset，其为通信模块，其中包含移动通信用到的功能模块。

2 基于Simulink的瑞利衰落教学的应用

移动通信课程的基础章节主要有移动通信网、移动通信的电波传播及数字调制技术等[5]。其中，移动通信电波传播中的瑞利衰落为移动通信学习过程中比较难以理解的知识点，瑞利衰落的学习为学生理解移动通信信道起着关键作用。

2.1 瑞利衰落基本原理

电波在传输过程中可能存在直射、反射、散射及绕射等现象，导致接收端接收的电波可能从不同路径发射过来，因此接收机接收同一信号来自不同路径电波时，其到达时间、相位及幅度均不相同，将多路电波进行叠加，其信号将会发生畸变，信号幅度急剧变化，接收到的电波的包络服从瑞利分布，因此称其衰落为瑞利衰落[5]。

设发射机发出的信号为正弦波Asin（ωct），接收机接收到的叠加信号模型为：

式中：Ri（t）为第i条路径的接收信号;φi（t）为第i条路径的滞后相位。

假设噪声为高斯白噪声，σ为噪声方差，r为接收信号的瞬时幅度，则包络概率密度函数为：

相位概率密度函数为：

2.2 瑞利衰落信道的模型建立与仿真

根据瑞利衰落的基本原理，将瑞利衰落信道的模型用Simulink建立完成，构建的瑞利衰落信道模型如图1所示。

模型可以设置路径数，以及每路传输路径的延迟量與平均衰落减量。将模型搭建好后，学生通过更改模型中的模块参数，可以测试不同的实验效果，该方式使学生容易理解及掌握瑞利衰落与各个模块参数之间的规律。

在Random Integer Generator 中可以更改路径数，本文将其设置为4;QPSK Modulator Baseband也需将对应的路径数更改为4路;Multipath Rayleigh Fading Channel 将最大多普勒频移（Maximum Doppler Shift）设置为35 Hz，多普勒频谱的类型（Doppler Spectrum Type）设置为Jakes。离散路径延迟矢量为[0，1.5e-6，2.5e-6，3.5e-6]（s），对应的平均路径增益矢量为[0，-2.5，-4.5，-9.5]（dB），设置输出信号增益矢量归一化为0 dB。选择路径增益复矢量输出端口项，使得瑞利衰落信道的输出端口为两路，其中一路用于计算输出信号的交流功率，另一路用于计算瑞利分布的随机数。

将构建好的瑞利衰落模型进行仿真，在矢量示波器上显示动态4路幅度统计分布，某一时刻矢量示波器4路幅度增益分布如图2所示。

如图2所示，学生可以直观地观察不同信道衰落类型的差异，并自行设置Multipath Rayleigh Fading Channel参数，观察对比4路幅度增益分布与离散路径延迟矢量及平均路径增益矢量的关系，进而深入了解瑞利衰落产生的原因。

通过瑞利衰落自身模块所带一个信道特性的可视化窗口，可以更加全面地了解瑞利衰落模型各个方面的特性，其具体内容如图3所示。

由上述构建的瑞利衰落信道模型及其仿真结果可以看出，Simulink将复杂枯燥的原理转变为形象生动的图形，从而使学生更加深刻地学习和认知瑞利衰落相关知识，证明了该教学方法的实用性。

3 结语

本文将Simulink应用到移动通信教学中，使枯燥的理论知识转变为生动的图形，通过学生自己动手构建与参数设置，对知识点有了进一步的认识。实际教学效果表明，该方式具有较好的实用价值。

参考文献

[1]陈卫兵，邓满珍，杨伟丰.《移动通信》课程教学中的Matlab仿真应用[J].大学教育，2012，1（6）：86-88.

[2]虞湘宾，储君雅.Matlab在移动衰落信道中建模与仿真[J].教育教学论坛， 2018（16）：265-267.

[3]陈岚，万国春，冯志彪.基于Matlab的移动通信中多径衰落信道的仿真[J].江西科技师范学院学报， 2004（5）：78-81.

[4]刘学勇.详解Matlab/Simulink通信系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2011：110-121.

[5]章坚武.移动通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2016：73-75.