基于Matlab/Simulink虚拟仿真的通信系统建模的研究与探索

朱明慧，方 淼

(安徽大学 江淮学院，安徽 合肥 230039)

通信原理是高校通信工程和电子信息类专业一门重要的专业主干课，理论性强、概念抽象，公式推导繁琐，学生难以理解和掌握[1]。实验教学作为通信原理课程教学工作的重要组成部分，对提高学生动手能力、分析解决问题的能力等各方面起着重要作用。

传统的通信原理实验是利用实验箱进行的验证性实验，存在以下几个方面的问题[2]：

实验方式单一。由于以实验箱为主体，内部模块参数已经固化设定好，学生只需要机械地按照指导书上的步骤连线，在指定的测试点借助示波器就可以观察实验波形。只要实验箱完好和连线正确，学生在不清楚实验原理的情况下，也可以得到理想的波形结果。

实验内容缺乏系统性。常规的通信原理实验一般包括模拟调制与解调、模拟信号的数字化、数字基带信号的码型变换、数字调制与解调等几个典型的验证性实验，每个实验模块是相互独立的，不利于培养学生对整个通信过程的系统化理解。

实验设备维护成本高。由于导线和实验箱等耗材设备容易损坏，加上学生的错误操作，需要投入较大的人力和资金，定期对实验台进行维护和替换。

由于计算机仿真技术的广泛应用和飞速发展，能够引入软件仿真技术对复杂通信系统进行建模[3]，利用集成仿真环境和图形图像处理等技术，在PC机上实现可视化的系统虚拟仿真、可以替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境[4]。这是现代高校实验教学的发展模式，弥补了实验箱验证性实验教学的不足，能够有效解决实验方式机械、实验设备维护困难和实验内容不系统等问题，其优势在于利用率高，易维护，便于开展综合性和设计性实验。

Matlab环境下的Simulink能够提供动态系统的建模、仿真和综合分析的集成环境，模块库中拥有丰富的模块组，还可以把有特定功能的代码转换成模块，多个模块之间可以组织成一个子系统，因此具有内在的模块化设计功能，可以满足用户设计出各种需要的系统。为了在仿真过程中可以随时观察结果，Simulink提供了专门用于显示输出信号的模块，比如示波器和频谱仪。另外，考虑到用户在仿真结束之后需要进行数据分析和处理，Simulink的存储模块可以把仿真结果以波形、数据等形式保存到Matlab工作空间中。基于Matlab的上述功能，在Simulink环境下完全可以实现在硬件设备上要完成的实验内容，通过可视化的各种GUI控件，建立直观的动态系统模型，从而为实验教学提供功能丰富、操作便捷的虚拟仿真环境。

1 Matlab软件及虚拟仿真建模

Matlab具有强大的数值运算能力、方便实用的绘图功能，以及语言的高度集成性和可视化建模仿真等功能，使得它在众多学科领域成为应用开发的基本工具和首选平台[5]。Matlab下的Simulink仿真环境可以对动态系统进行建模、仿真和分析，采用图形化和模块化的建模方式，模型结构直观，提供专门的输出显示模块和存储模块，便于对仿真数据进行分析和处理。学生在掌握好通信系统的组成及工作原理的基础上，可以在本平台上搭建系统模型，调整设计参数，观察实验结果和分析系统性能等。

基于Matlab/Simulink对通信系统进行虚拟仿真的具体实施方法如下[6]：

构建模型。根据通信系统原理，确定各功能模块及相互关系。

构建仿真系统。依据构建的数学模型，把所需要的单元功能模块从simulink通信模型库中调出，将其拖入到建立的模型窗口，连接各功能模块，组建要仿真的通信系统模型。可以根据实际需要封装相应模块，比如PCM编/解码模块，方便后期传输系统的模块调用。

设置参数。系统仿真参数有仿真时间、仿真步长和采样频率等，显示模块如示波器的扫描参数，以及功能模块参数如正弦波的幅度、频率和初相位，都需要根据具体系统的性能指标要求调整设置。

分析仿真数据和波形。为了观测仿真系统的运行情况，在系统的关键位置中接入显示模块，观察输出信号波形图，并可以调整参数和分析结果。

数字通信系统具有抗干扰能力强、差错可控和保密性好等优点，是当今通信的发展方向。正是由于数字信号便于处理和变换，数字通信系统才具备这些优点。但实际生活中，如语音信号等大部分信号为模拟信号，所以要实现模拟信号在数字系统中的传输，需要发送端进行模数转换(A/D转换)，接收端进行数模转换(D/A转换)。脉冲编码调制(PCM)系统可以实现模拟信号的数字化传输，从而为数字通信奠定了基础。

2 脉冲编码调制(PCM)系统建模与仿真

2.1 脉冲编码调制(PCM)系统

脉冲编码调制(PCM)是把模拟信号转换为数字信号的一种调制方式，以模拟信号为调制信号，以二进制脉冲序列为周期性载波。由于通过调制改变脉冲序列中的码元的取值，正好对应于PCM的编码过程，所以PCM又称为脉冲编码调制[7]。

模拟信号通过PCM通信系统实现数字传输如图1所示。首先，对通信中的信源发出的模拟信号进行抽样，得到时间离散、幅度连续的抽样信号，再通过量化器来对幅度进行离散化处理，再编码实现有限位二进制码组表示有限个量化电平输出，这时信号便可用数字通信方式传输。数字信号经信道传输叠加噪声传送到接收端，通过译码器还原出抽样值，再经低通滤波器恢复出模拟信号[8-9]。

图1 PCM通信系统方框图

2.2 PCM编码器

根据PCM编码原理，构造如图2所示的编码仿真模型对单个抽样值进行编码。限幅器Saturation范围设为[-1,1]，将输入信号幅度值限制在PCM编码的归一化范围内。PCM编码输出的最高位-极性位通过Relay模块来获得，其判决门限设置为0。利用Abs模块对抽样值取绝对值后，进行13折线或15折线近似压缩，压缩类型由模块输入参数来决定。可用查表模块Look-up table实现非线性压缩，这里采用国际标准A律13折线近似压缩，查表模块输入参数breakpoints设置为[0,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1]，输出数组Table data 设置为[0∶1/8∶1]。为了便于对归一化的抽样值进行量化，用gain增益模块将样值放大128倍转换成整数幅度电平输出，再用间距为1的Quantizer进行量化。利用转换模块将整数量化电平编码为7位二进制比特数据，作为PCM编码的低7位。这里的抽样值是1260/4096，仿真结果是11100011，与理论计算结果是一致的。

图2 PCM编码器

2.3 PCM译码器

PCM译码是编码的逆过程，因此根据编码器仿真模型构造出如图3所示的译码器模型。PCM译码器中通过Demux模块分离出8位并行数据中的低7位数据和极性位，极性位的判定用Relay模块来实现。由低7位二进制码组恢复成原抽样值，需要经过一系列变换和处理，第一步通过转换模块将低7位比特数据转换为相应的整数数值，然后通过增益模块进行归一化处理并利用查表模块达到扩张目的，最后与双极性的极性码相乘得出原抽样值。各模块的参数设置跟编码器相反。

图3 PCM译码器

2.4 PCM串行传输系统的建模与仿真

针对某一模拟信号，先对该信号进行抽样，然后对抽样值进行PCM编码，编码后的数字信号以串行形式进行传输，因此该系统称为PCM串行传输系统。数字信号通过传输信道到达接收端，在接收端首先要进行串并转换，后进行PCM解码，并输出结果。系统仿真模型如图4所示。

图4 PCM串行传输系统

图4中信号发生器产生振幅为1、频率为100 Hz的正弦波作为信源。采样使用Zero-Order Hold(零阶保持器)模块，采样时间设置为125 μs。利用Frame Conversation模块把PCM编码器产生的数据转换为帧存储格式，通过大小设置为1的Buffer模块进行串行化输出。由于每个抽样值对应8位码组，因此串行数据经过信道后，用大小设置为8的Buffer模块，来实现PCM码的串并转换。最后通过Reshape模块把8位码组转换成一维数组后送给PCM译码器，由译码器完成抽样值的恢复。

为了观察PCM传输受信道误码的影响，将信道错误比特率设置为0.01，最后得出仿真结果如图5所示。由图5可见，对应于信道产生误码的位置，解码恢复信号在相应的位置出现了干扰脉冲，而在没有添加误码的情况下，接收端能够正确恢复出正弦信号。

图5 基于正弦信号的PCM系统的仿真结果

2.5 在PCM传输系统中的音质测试

使用Simulink中DSP模块库的音频输入输出模块来测试PCM串行传输系统解码音质的好坏，测试模型如图6所示。可以录制一段语音，保存为一个Wav文件，模型中用From Audio Device模块来读取语音文件，Gain模块可用于调整输入声音信号的幅度。利用上面的编码模块，对语音信号进行PCM编码，经过BSC信道和PCM解码模块，恢复的语音信号通过扬声器播放。

图6 PCM传输系统的音质测试模型

将BCS信道的误码率由大到小分别设置10-1、10-2、10-3、10-4四组数据，通过仿真可听到在四种不同误码率下传输的PCM解码恢复的语音信号。仿真结果证明误码率设置为10-1时，扬声器的播放音频的音质很差，噪声干扰很大；误码率设置为10-2时，扬声器的播放音频的音质有所提高，可分清音质，但仍存在明显噪声；误码率设置为10-3时，扬声器的播放音频的音质有较大改善；误码率设置为10-4时，扬声器的播放音频的音质噪声几乎没有了。由此可见，满足在PCM电话系统中对语音解码通常要求误码率在10-3和10-4以下。不过对误码率要求更严格的通信系统，比如数据通信，可以采用差错控制技术来进一步降低传输误码率。

2.6 PCM在数字调制系统中的应用

将PCM编解码模块应用到数字带通传输系统中，采用BPSK调制技术，完成信号的传送和恢复，其仿真模型如图7所示。信号源是以8000 Hz为采样频率的语音信号，通过PCM编码模块转换成二进制比特数据，将数据流送入到BPSK调制器中进行相位调制。调制器可以采用不同的数字调制模块，也可以根据系统要求自行设计合适的调制模块。已调信号经过高斯信道进入到解调器中，解调器输出数字比特流，由PCM解码模块实现语音信号的恢复，信源输入信号和接收端恢复信号波形如图8所示。在经过信道传输过程中，即使叠加了高斯白噪声，误码率才达到0.00225，误码计算模块统计出的误码如图9所示，可见设计的该仿真系统不仅能够将语音信号较好地还原出来, 误码率也能够满足语音电话系统的要求。

图7 基于PCM的BPSK调制数字通信系统模型

图8 输入语音信号和输出语音信号的时域波形对比图

图9 误码统计结果

3 结论

通过对脉冲编码调制系统的仿真实现和应用研究，可以利用Matlab/Simulink集中环境，在通信原理实验课程中构建虚拟仿真实验通信系统，使得复杂通信系统的仿真设计得以计算机软件来模拟实现，避免了实验箱等硬件设备的技术更新和维护困难。利用Matlab/Simulink进行虚拟仿真的实验教学方式，使得学生深入探究和理解通信系统的工作原理，并可以方便直观地观察信号的动态变化，激发学生的学习兴趣和积极性。在实验过程中，学生搭建虚拟仿真模型，以及灵活调整参数来得到理想仿真结果，这种实验教学方式既锻炼了学生的实践操作能力，又培养了学生系统设计和开发能力，从而提高教学质量，弥补了传统硬件实验的不足，对通信专业虚拟仿真实验开展具有一定的借鉴意义。