通信系统仿真是通信工程专业的必修课,与工程应用联系密切,涉及到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]。现代通信系统的发展使通信系统和通信设备日益复杂。为使通信系统在一定条件下具有最佳性能,就必须在设计时了解各种参数对性能的影响以及它们之间复杂的相互依从关系。随着计算技术的飞速发展,通信系统仿真已成为今天设计和分析通信系统的主要工具。目前用于通信系统仿真的软件很多, 其中MathWorks公司开发的MATLAB以其强大而优越的功能受到越来越多的青睐。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]。
1Simulink
MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和Simulink两大部分。其中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[4]。
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。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[5]。
2.2 基于Simulink的CDMA通信系统仿真设计
CDMA(Code Division Multiple Access)是在扩频通信的基础上发展起来的。所谓扩频,是将原信号频谱扩展到宽带中进行传输的一种技术。它主要利用相互正交(或尽可能正交)的不同随机码区分用户,实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络。经过几种网络的实现和发展,CDMA已经逐渐成熟起来。我国的CDMA发展十分迅速,现在由中国电信运营,网络构架已具规模,在整个通信业起到举足轻重的作用。
在研究DS-CDMA系统理论的基础上,利用Simulink对其进行仿真,根据系统功能和指标要求,对信道、扩频/解扩、QPSK(Quadrature Reference Phase Shift Keying,四相相移键控)调制/解调等模块进行了设计,并设置了相对应的参数。
2.3 设计分析
如图1所示,设计中信源采用二进制贝努利序列产生器(Bernoulli Binary Generator)产生二进制序列。扩频使用两个PN序列生成器的模块,分别设置I、Q两路。扩频模块产生I、Q两路扩频信号,作为QPSK调制的输入信号,其中QPSK调制采用库中的QPSK基带调制模块.。本设计采用加性高斯白噪声信道进行分析。加性高斯白噪声信道是最简单的一种噪声,它表现为信号围绕平均值的一种随机波动过程。加性高斯白噪声信道的均值为0,方差表现为噪声功率的大小。一般情况下,噪声功率越大,信号的波动幅度越大,接收端接收到的信号的误比特率就越高。在研究通信系统的误码率与信道质量的关系时,一般先研究它在加性高斯白噪声信道的性能,然后再把它推广到具有快衰落的复杂情况。最后,输入信号经过一定延迟,与输出信号进入一个误码率统计模块(Error Rate Calculation)。