MATLAB仿真在“擴頻通信”課程教學改革中的應用研究

摘要：“擴頻通信”課程理論性強，對學生的通信理論基礎要求較高，在傳統的硬件實驗中，通過數字示波器設備學生只能動態、粗略地看到一些基礎的信號波形，對于擴頻后的波形顯示由于波特率較高，圖形觀察效果不理想。而MATLAB軟件具有強大的數學運算能力，特別是其圖形顯示功能非常強大。其Simulink工具箱具有非常強大的建模仿真功能，可以仿真所有擴頻通信的實驗內容，通過設置系統模塊參數，可以仿真出相應波形。實踐教學是整個教學過程的關鍵環節，是培養學生創新精神和實踐能力的重要手段。針對傳統擴頻通信硬件實驗存在的問題，為推進素質教育，培養高素質人才，實現人才培養與社會用人單位的“無縫連接”，改善現有的實驗教學模式，對MATLAB軟件在擴頻通信中的應用研究進行了探討。

關鍵詞：擴頻通信；軟件仿真；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0066-02

MATLAB是以C語言為基礎而發展起來的軟件，其主要特點是數學計算能力非常強，而且可以通過命令函數進行圖形化，是在工程計算及數值分析領域中被廣泛應用的新型高級語言。MATLAB由Simulink仿真環境以及COMMEND WINDOW主開發環境、工具箱等內容組成，具有符號計算和數值計算兩個計算類型。該軟件的突出特點是具有強大的圖形仿真功能，而且實現起來非常容易。[1]學生可以在設計控制系統、計算機輔助分析中使用MATLAB語言。通信工程專業的學生在大二時開始學習MATLAB語言，可以先從簡單的數值運算開始，然后逐漸學習如何設計函數、如何分析、如何建模，為以后學習通信工程專業中的理論打下堅實基礎。由于MATLAB具有強大的圖形仿真處理能力，使得通信工程專業的課程具有可視化的特點。[2]在教學中，使用MATLAB可以提高教學質量，通過可視化的圖形仿真可以使教程中的公式和理論更容易理解。[3]通過學習MATLAB，學生能夠用它仿真繪制出各種圖形，有助于較好地理解核心概念和基本原理，增強學生設計系統和動手分析的能力。

一、傳統擴頻通信硬件實驗教學現狀

對于以往的擴頻通信實驗課，主要是通過硬件試驗箱來演示及操作擴頻中的理論實現部分，其在教學中的弊端較多，主要體現在兩個方面：第一，由于通信發展速度較快，因此教學使用的設備沒能及時更新，大多數已經購買的設備明顯落后教學發展的速度，導致實驗效果不理想，實驗設備利用率低，造成理論課及實驗課的教學質量不理想，同時學生失去了對本門課程的學習興趣。第二，就目前來說，很多高校擴頻通信實驗課所用的實驗箱主要是按照實驗指導書，通過鏈接指定的數據線進行實驗，其結果可以通過示波器看到，學生無需思考是如何實現的，同時學生也不明白為什么會出現該結果，導致學生對該門課程基礎知識的理解不夠，同時也無法達到學校開設該實驗課的目的。

二、仿真軟件技術在教學中的應用研究

1.國外應用情況

在國外，由于早期很多高校及研究機構已經意識到仿真軟件的優越性以及硬件實驗的不足，因此提出了使用仿真軟件的想法，同時應用時間比較早，范圍也比較廣。[3]例如，加拿大和美國等學校的教師在電工及電子學和物理等課程教學中已經普遍使用仿真軟件，在此過程中培養學生的協作能力、創新能力以及題目遷移能力等綜合能力。[4-6]

為了解仿真軟件在教學中的應用意義，對Rose Hulman工學院的全體學生進行問卷調查，其中有85%的學生認為通過使用仿真軟件可以了解電器設備的工作情況，有65%的學生認為仿真實驗有助于更好地理解概念。[7]美國俄勒岡大學（Uoregoned University of America）建立了虛擬物理實驗室，即用MATLAB仿真軟件實現編程。[8]為了增加教學的生動性和互動性，瑞士聯邦工程學院利用仿真虛擬實驗對傳統實驗進行補充。[9]為了加強學生在學習中的合作交流，開闊學生的眼界，培養學生的創新能力，韓國電子信息工程學校研發了以MATLAB等仿真軟件作為實驗平臺的多媒體協作式家用學習系統。[10]愛爾蘭大學的信息工程學院利用MATLAB等仿真軟件創建了網上嵌進式電子實驗服務器，為學習者提供了平臺，以滿足學生的學習需要。據Martin P. Mintche和Brent J. Maundy研究機構分析表明，信息類專業、電子信息工程專業、計算機專業的學生非常樂于使用MATLAB軟件進行電路設計與分析，他們對此有著濃厚的興趣。

2.國內應用情況

在我國，高校教學中仿真軟件的應用相對滯后。在中國知網中能查詢到的使用仿真軟件在信息類專業教學中應用的論文有30多篇，主要論述了如何使用軟件來增加教學效果的方法。在通信工程專業仿真軟件的使用中，MATLAB軟件使用比較廣泛。2007年，李華等人將MATLAB應用于幅頻特性和相頻特性教學中可以讓學生更容易、更深刻地理解濾波器的設計。2009年，程鈴等人在“通信原理”教學中利用MATLAB函數庫對正交相移鍵控進行仿真。2010年，邵小桃等人借助MATLAB軟件工具，對矢量分析中的散度、梯度和旋度的特性及分布進行研究，[11]可以突出電磁場與電磁波課程教學過程中存在的重點與難點。同時，可以利用鏡像法中電位和電場的分布特征，分別給出了直觀形象的三維或兩維的仿真圖形，豐富了教學內容，實現了可視化教學，激發了學生學習電磁場理論知識的興趣。2011年，楊巧蓮利用MATLAB的Simulink工具箱創建了擴頻系統。[12]系統中涉及到信源、PN碼、調制方式、信道等多個內容的選擇，考慮到系統信道的影響，還包含了接收端的判決部分。由此可見，仿真軟件在實驗教學中具有廣泛的應用，尤其是MATLAB軟件。

三、MATLAB軟件在擴頻通信中的應用實例

擴頻通信即擴展頻譜通信，其工作原理是通過基本的數字調制，然后進行二次擴頻調制，把一個帶寬較小的信號擴展成帶寬較寬的信號。擴頻通信原理框圖如圖1所示，其工作原理是在原來的傳統的數字通信基礎上進行二次調制，然后再發送出去，用隨機碼作為載波信號，用已調信號做擴頻通信的調制信號。

該模型的主要模塊設置及說明如下：PN碼發生器如圖3所示，用于生成擴頻碼，生成的是{0，1}分布的序列，需要通過極性轉換器將其轉換為{-1，+1}分布的序列才可以通過乘法器直接相乘。其中，Generator polynomial是m序列的參數設置，仿真中設置為100011101。

零階保持器是擴頻通信仿真工作中不可缺少的重要模塊，其主要作用是把前一時刻的采樣數值保持到下一時刻，為后面的模塊保留采樣數據。由于其在連續的信號內的平均值為常數，所以叫零階保持器。零階保持器1的采樣率為1/1e5，零階保持器2的采樣頻率為1/2.55e6。運行該仿真模型，擴頻調制前頻譜圖如圖6所示，擴頻調制后如圖7所示。可以看到，擴頻前的信號頻寬大概是1kHz，調制后信號頻寬大概255kHz，理論上將頻譜擴展255倍?？梢钥闯龇抡娼Y果完全符合擴頻調制的理論預期。

四、結束語

軟件仿真技術在國外已經被廣泛的應用，在我國的應用時間還比較短。MATLAB軟件由于具有較好的數學圖形仿真功能，通過其內部的Simulink模塊功能，學生可以輕松建立系統仿真模型。本文以擴頻通信系統模型為例，通過擴頻調制前與擴頻調制后的頻譜圖對比，能夠有力地說明擴頻前后頻譜的變化。通過MATLAB建立系統仿真模型，學生可以非常直觀地看到實驗后的效果，有利于學生對擴頻知識的理解與掌握。同時也可以提高教師的編程能力，做到了教學相長。

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（責任編輯：孫晴）