Matlab在現代通信原理課程中的應用

夏江濤，孫冬嬌

（1.南京信息工程大學物理與光電工程學院，江蘇南京 210044；2.南京信息工程大學電子與信息工程學院，，江蘇南京 210044）

Matlab在現代通信原理課程中的應用

夏江濤1，孫冬嬌2

（1.南京信息工程大學物理與光電工程學院，江蘇南京 210044；2.南京信息工程大學電子與信息工程學院，，江蘇南京 210044）

介紹了Matlab軟件的仿真功能在現代通信原理課程教學及實驗中的應用。結合教學中的具體實例，再現通信系統的某些關鍵環節信號的波形和頻譜，論證了在現代通信原理課程教學中引入Matlab仿真軟件的必要性和可行性。實踐表明：基于Matlab的虛擬實驗教學平臺的建立和應用，改革了現代通信原理課程實驗教學的形式和內容，培養了學生的興趣和實踐能力，提高了課堂教學的效率。

Matlab；仿真軟件；通信原理；教學改革

現代通信原理是通信與電子信息類專業的一門重要課程，它綜合了電路、數字電路、信號與系統、高頻電子線路等基礎課以及高等數學、概率論等數學課程，具有一定的難度和深度，是基礎課向專業課的過渡課程，在通信類、電子信息類專業中占有非常重要的地位。這門課程的理論性較強，實踐操作要求較高，可以說它是一門既有理論知識又有實踐技能的綜合性課程。

目前，多數高校的電信類專業都將“現代通信原理”作為碩士研究生入學考試、復試考試的科目，該課程的重要性不言而喻。因此，在該課程的教學過程中除了課堂上的理論講授、多媒體課件的演示外，實驗教學以及利用Matlab軟件完成仿真實驗也是十分重要的。教學方式的多樣性會激發學生對通信學科的學習興趣，使他們有足夠的自信和能力來適應這一飛速發展的領域。仿真分析實驗輔助手段使學生能夠更快速、準確地完成相關實驗內容，得到實驗結果，提高了學習效率；仿真實驗取代物理實驗可以克服現有實驗條件的局限，充分發揮想象力和創造力，有利于提高學生對實際問題的認識深度和水平［1－2］。

1 教學中引入Matlab軟件的必要性

在現代通信原理課程的教學中，將Matlab［3－4］仿真軟件引入課堂，教師可以利用該軟件進行輔助教學，使課堂講授與仿真軟件相結合，達到更好的教學效果。對于一些較難講解的內容、一些抽象的概念、難以觀察的某些現象及發展過程，利用Matlab的計算功能和圖形處理功能，可使其準確、形象、直觀地表現出來，從而加深了學生對所學知識的理解，起到了事半功倍的教學效果［5－7］。

通過該仿真軟件還可以使學生在傳統實驗的基礎上完成仿真實驗，使傳統實驗與仿真實驗相結合。我們相繼用Matlab軟件設計出了十幾個仿真實驗，由于該實驗不受實驗設備、條件、時間和學時等限制，學生可以利用課余時間自主完成。同時，學生還可以進行各種實驗方案的比較和優化，極大地調動了學生的學習興趣和積極性，提高了學生對通信原理知識的掌握和計算機應用能力。

在實驗平臺構建中，采用了Matlab的GUI（圖形用戶界面設計技術）設計技術。Matlab中的圖形用戶界面對象基本分成2類：用戶界面控件對象和用戶界面選單（菜單）對象。應用上述對象進行周密的組織設計，就可以得到一個界面友好、人機交互方便、操作簡便、功能強大的圖形用戶界面。用戶用鼠標在控件對象上進行操作，使應用程序做出響應，并執行某些預定的功能子程序。在控件對象屬性中，功能子程序屬性是圖形用戶界面設計中最重要的屬性，它是連接程序界面整個程序系統的功能［8－13］。

2 Matlab軟件在教學中的應用舉例

2.1 SSB模擬調制系統的仿真實驗

以正弦波為載波的模擬調制系統是應用最廣泛的調制方式，其中包括AM調制、DSB調制、VSB調制、SSB調制等。這些內容都是現代通信原理課程中重要的內容，但是由于該部分內容比較抽象，理解具有一定的難度，對于學生來說不易掌握，如果全部采用物理實驗來提高教學內容的直觀性，由于時間和實驗資源的有限不太現實。因此，在教學過程中，考慮采用Matlab軟件的仿真技術實現此部分教學內容的過程模擬，容易實現且實驗結果直觀、可靠。

例如，SSB模擬調制系統的仿真實驗的設計：假設要傳送的信號波形f（t）為sine wave，幅度為1V，角頻率為10rad/s；載波cos（ω0t＋θ0）為sine wave1，幅度為1V，角頻率為100rad/s，只要在Simulink環境中進行可視化設計，建立單邊帶幅度調制解調系統，即可實現對它的動態仿真。本例采用上邊帶單邊帶信號，仿真原理框圖如圖1所示，具體由信號源模塊、調制和解調模塊、模擬示波器、濾波器等構成。

圖1 SSB濾波法USB仿真原理框圖

經Matlab程序運行后得到SSB信號仿真結果， 如圖2所示。

圖2 SSB濾波法USB仿真波形圖

其中圖2（b）由接收端的輸入濾波器的輸出得到。從波形圖可以看出，由于系統模型經歷多個模塊，會造成一定的時延和信號衰減，因此解調后的信號波形不僅有相位的延遲，而且在幅度上也低于信源波形。該仿真結果符合實際系統的特征和現象，很方便地提供了SSB模擬調制系統的工作原理和工作現象，有利于學生理解和掌握。

2.2 PCM編碼與解碼仿真實驗

基于Simulink構建了PCM編碼與解碼仿真實驗模型，并進行了動態仿真。假定傳輸的是語音信號，采用Chrip函數所表示的線性調頻信號來替代語音信號，用矩形脈沖序列替代實際中不可實現的單位沖激函數，由Pulse Generator模塊產生。A率壓縮由A－law compressor模塊實現，用十三折曲線近似地表示A律曲線，以實現信號的非均勻量化過程。系統中的幾處關鍵信號由濾波器模塊顯示對比。本實驗的仿真原理如圖3所示。

圖3 PCM編碼與解碼仿真原理框圖

經Matlab程序運行后得到PCM編碼與解碼仿真結果如圖4所示。圖4中的5個波形由上到下分別表示抽樣輸出、量化輸出、編碼輸出、解碼輸出以及原輸入信號。從圖4中可以看出：如果解碼器的輸出信號再經過一級低通濾波器即可恢復原始的模擬信號，與原輸入信號基本一致。但是仍然可以看出波形中會存在一定的誤差，誤差產生原因與實際取樣脈沖的非理想化、插入噪聲、定時抖動失真等有關，這些問題客觀存在，但是從仿真實驗中仍然可以看出PCM編碼解碼技術對于模擬信號的傳輸是有效的。PCM編碼解碼的過程比較復雜，在課堂教學中引入Matlab的仿真過程，可以清楚地展示每一個模塊的功能及信號變化，有利于學生迅速理解相關的知識。

2.3 2PSK調制與解調仿真實驗

數字載波傳輸系統在實際中具有廣泛的應用，常用的數字調制方式包括2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK等很多種。該部分內容在現代通信原理課程中占有重要的地位，但是由于涉及的內容較多且難以理解，學生普遍在學習中感到吃力，尤其在課堂學習中容易脫離實際而無法真正的理解掌握相關知識。基于這些原因，在本課程的教學過程中，引入了Matlab的仿真技術，因此可以隨時隨地對各類調制解調方式進行仿真模擬。通過仿真結果的直觀展示，有效地提高了學生的學習效率。下面通過2PSK在Matlab Simulink環境中的仿真實驗來對2PSK的調制解調過程進行模擬，以便更直觀地了解2PSK的工作原理。

圖4 PCM編碼與解碼仿真波形圖

在中高速數字通信系統中廣泛使用移相鍵控系統（PSK），這是由于PSK的抗噪聲性能優于ASK和FSK，而且頻帶利用率較高。2PSK是移相鍵控的最簡單的一種形式，用2個初相相隔為180°的載波來傳遞二進制信息，也稱為BPSK。2PSK信號調制和解調的Simulink模型如圖5所示，其中Sine Wave和Sine Wave1是反相載波，脈沖Pulse作為信號源。

經Matlab程序運行后，2PSK信號調制與解調過程中各模塊輸出的仿真波形如圖6所示。

圖5 2PSK信號調制解調仿真原理框圖

圖6 2PSK信號調制解調仿真波形圖

圖6中的8個波形從上到下分別表示為反相載波Sine Wave、Sine Wave1、脈沖源信號、2PSK調制信號、相干解調乘法器輸出、低通濾波器輸出、符號函數sign模塊輸出和雙極單極變換器輸出。在本實驗的基礎上，還可以進行誤碼率的統計檢測等深入實驗。通過利用Matlab進行輔助教學，在課堂中可以很方便、直觀地展示系統工作的流程及各工作點的實時狀態，有利于學生更高效地理解教學內容，掌握相關專業知識。

3 結論

在課堂教學中，由于理論講授和多媒體課件的演示只能從一個方面來引導學生學習和掌握該課程的基本知識，而實驗教學又要受到課時、地點和設備的限制。因此，利用計算機實現虛擬實驗室的設想就從另一個方面為教學提供了一個很好的平臺。它可以形象和直觀地顯示實驗過程中的各類圖形，不僅可以幫助學生理解和掌握已學的知識，而且還可以幫助學生加深和鞏固所做的實驗，不斷提高學生的動手能力，為學生進行畢業設計奠定一個良好的基礎。有的學生通過該課程的學習，利用Matlab軟件，并結合實際問題，開發和仿真了通信原理相關的題目，在畢業設計中取得較好的成績。由此可見，Matlab在通信原理教學中起到了十分重要的作用，產生了較好的教學效果。Matlab等工程類仿真分析軟件在專業課程分析與設計中所顯現出的優越性日益顯著，在應用計算機解決工程問題方面所起的作用不可忽視。為培養學生的創新能力、實踐能力，使學生在學習理論的過程中掌握現代化分析工具的應用方法，有效地提高學生分析、解決問題的能力，有效結合計算機仿真技術進行專業教學是教學改革的必然發展趨勢之一。

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Application of Matlab in course of Modern Communication Theory

Xia Jiangtao1，Sun Dongjiao2
（1.School of Physics ＆Optoelectronic Engineering，Nanjing University of Information Science ＆Technology，Nanjing 210044，China；2.School of Electrocnic ＆Information Engineering，Nanjing University of Information Science ＆Technology，Nanjing 210044，China）

This paper introduces function of Matlab software and important simulation role in application of Modern Communication Theory course teaching.Combining the specific examples in teaching and reproducing some key links of communication systems in the signal waveform and frequency spectrum，this paper discusses the necessity and feasibility of application of Matlab in teaching of Modern Communication Theory course.The result shows that the establishment and application of virtual experiment platform based on Matlab software reform the Modern Communication Theory experimental teaching in the form and content and cultivate the students’interest and practical ability and improve the class teaching efficiency.

Matlab；simulation software；communication theory；teachingreform

G434

B

1002－4956（2014）1－0110－04

2013－05－12

2010年南京信息工程大學教改項目（10JY014）；南京信息工程大學實驗室開放項目（N1081005019）

夏江濤（1979—），男，河南南陽，博士，講師，主要從事光電系統及信號處理技術研究.

E－mail：jtxia＠163.com