基于Matlab/Simulink的通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究

田瑩+盧金玉+劉宴濤

摘 要： 根據(jù)通信原理實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，分析現(xiàn)存硬件實(shí)驗(yàn)方法的不足，提出借助Matlab/Simulink虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行補(bǔ)充和改革的方案；以最終構(gòu)建典型通信系統(tǒng)為目的，結(jié)合理論授課重點(diǎn)，通過多個(gè)小實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)仿真和綜合設(shè)計(jì)仿真，鞏固學(xué)生理論知識，培養(yǎng)分析解決實(shí)際問題的能力。通過典型實(shí)例的設(shè)計(jì)和分析說明基于Matlab/Simulink的通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)方法有效可行，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)程中的有益嘗試。

關(guān)鍵詞： 通信原理； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 虛擬仿真； Matlab

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0028?04

通信原理是電子信息和通信工程類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是此類專業(yè)研究生入學(xué)考試的必要科目之一。通信原理課程理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)，學(xué)習(xí)中公式推導(dǎo)多、新概念多，學(xué)生不易理解。學(xué)生不僅應(yīng)該掌握通信系統(tǒng)的基本原理和基本方法，還應(yīng)熟記重要結(jié)論并靈活運(yùn)用。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論教學(xué)的重要組成部分，對夯實(shí)理論基礎(chǔ)和培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、分析解決問題的能力、正確的思維方法及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)等方面起著不可替代的作用[1]。

1 通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必要性

傳統(tǒng)的通信原理實(shí)驗(yàn)為單一的硬件驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，通過多年的教學(xué)觀察，這種實(shí)驗(yàn)方式存在以下幾個(gè)方面的問題[2?5]：

（1） 實(shí)驗(yàn)方式機(jī)械，實(shí)驗(yàn)臺上的模塊已經(jīng)固化，絕大多數(shù)參數(shù)已設(shè)定好，學(xué)生按照講義上的步驟一步一步接線，用示波器觀察實(shí)驗(yàn)臺上已預(yù)留好的指定測試點(diǎn)的波形，記錄數(shù)據(jù)波形，即可完成實(shí)驗(yàn)；整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程學(xué)生不用動(dòng)腦分析實(shí)驗(yàn)原理，也不用弄明白實(shí)驗(yàn)電路的工作原理，只要實(shí)驗(yàn)箱完好，并接線正確，就可以在示波器上得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（2） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不豐富，受實(shí)驗(yàn)臺設(shè)備局限，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的感受不深，對設(shè)備的運(yùn)行原理、運(yùn)行情況了解不深，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力和創(chuàng)新能力。

（3） 硬件實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、維護(hù)成本高，通信工程實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)中需要投入較大的人力和物力，由于硬件設(shè)備容易受損，加上個(gè)別學(xué)生的誤操作，致使每學(xué)期實(shí)驗(yàn)課過后，完好的實(shí)驗(yàn)臺逐漸減少，每年學(xué)校都要投入大量資金進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

（4） 實(shí)驗(yàn)缺乏系統(tǒng)性，以往通信原理的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是AM調(diào)制與解調(diào)、數(shù)字基帶信號、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、PCM 脈沖編譯碼等幾個(gè)典型的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)相對獨(dú)立，不利于學(xué)生基于所學(xué)理論知識去系統(tǒng)化地了解整個(gè)通信的過程。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是借助于圖形圖像、仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上所營造的可輔助、甚至替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境。它是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展模式，有效地補(bǔ)充和完善了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，緩解實(shí)驗(yàn)方式機(jī)械、內(nèi)容不豐富、實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足和滯后等問題，其優(yōu)勢在于允許出現(xiàn)誤操作，獲得“零”維護(hù)保障，便于開展設(shè)備易損性、綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)[6?7]。

Matlab作為當(dāng)前國際最流行的面向工程、數(shù)值和科學(xué)計(jì)算的高級語言，是通信系統(tǒng)虛擬仿真中最常用的語言之一，Matlab環(huán)境下的Simulink擁有豐富的系統(tǒng)建模、仿真和分析的動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境工具箱，而Matlab中的GUI提供了可視化的快速開發(fā)環(huán)境，使用者通過鼠標(biāo)就能迅速產(chǎn)生各種GUI控件，從而幫助用戶方便地設(shè)計(jì)出各種符合要求的圖形用戶界面。利用Matlab的上述功能完全可以實(shí)現(xiàn)在物理設(shè)備上所要完成的通信理論實(shí)驗(yàn)，不僅可將抽象理論知識運(yùn)用圖形、文字、數(shù)據(jù)等多種形式展現(xiàn)，更為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一個(gè)界面友好、操作簡便的虛擬環(huán)境[8?10]。

2 通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

通信原理理論課在本科教學(xué)中，需要學(xué)生重點(diǎn)掌握的內(nèi)容主要涵蓋了模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)和模擬信號數(shù)字化3大部分。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容各自獨(dú)立，缺乏系統(tǒng)性。在通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，以典型通信系統(tǒng)為應(yīng)用背景，按照理論授課的重點(diǎn)內(nèi)容，將系統(tǒng)分解為多個(gè)部分，隨著各部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的完成，典型的通信系統(tǒng)也就應(yīng)運(yùn)而生，使學(xué)生不但深刻理解了各實(shí)驗(yàn)部分的原理，而且激發(fā)了學(xué)生對枯燥專業(yè)理論的興趣。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在Matlab環(huán)境下，利用Simulink功能模塊、調(diào)用M函數(shù)或編寫S函數(shù)等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)大綱要求開發(fā)通信原理仿真實(shí)驗(yàn)虛擬儀器庫，然后將開放完成的虛擬儀器按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求連接構(gòu)建成通信系統(tǒng)。具體實(shí)施方法步驟為：

（1） 按照理論內(nèi)容系統(tǒng)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)教學(xué)大綱的要求，通信原理實(shí)驗(yàn)應(yīng)該包括模擬通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)以及模擬信號數(shù)字化多路復(fù)用通信系統(tǒng)3大系統(tǒng)。

（2） 根據(jù)所需實(shí)驗(yàn)，做整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定仿真選用的虛擬儀器及連接框圖，匯總虛擬儀器功能，比如信號發(fā)生器應(yīng)包含余弦信號、直流信號和單矩形脈沖信號等、濾波器應(yīng)包含低通濾波器和帶通濾波器等。

（3） 利用Simulink功能模塊或Matlab語言實(shí)現(xiàn)虛擬儀器功能，封裝相應(yīng)模塊，按照通信系統(tǒng)的一般模型可包括：信源模塊、濾波器模塊、調(diào)制器模塊、噪聲模塊、解調(diào)器模塊、PCM編/解碼模塊和信號分析模塊等。

（4） 由虛擬儀器連接構(gòu)成虛擬實(shí)驗(yàn)通信系統(tǒng)，設(shè)置仿真參數(shù)，如仿真時(shí)間、步長等。

（5） 運(yùn)行仿真模型并合理選擇測量點(diǎn)，設(shè)計(jì)信號分析模塊，分析仿真結(jié)果并與理想結(jié)果比較。

其中信號分析模塊是對測量信號成分的分析，包括輸出信噪比的計(jì)算、輸出信號頻譜分析；與物理硬件實(shí)驗(yàn)相比，利用物理硬件系統(tǒng)得到的觀測值，計(jì)算系統(tǒng)指標(biāo)中參雜了硬件噪聲和讀數(shù)誤差的影響，并且有些參數(shù)無法讀出，如噪聲功率和信號頻率，導(dǎo)致系統(tǒng)性能分析的不準(zhǔn)確或無法計(jì)算，而利用Matlab實(shí)現(xiàn)的軟件系統(tǒng)可直接精確提取系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，在Matlab軟件平臺中附加指標(biāo)計(jì)算公式，用于方便比較和評價(jià)通信系統(tǒng)的性能。

通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)只要一臺PC機(jī)，安裝Matlab軟件即可。由于Matlab在通信仿真領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，開發(fā)技術(shù)相關(guān)資料也很容易搜集；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)完成后，投入實(shí)驗(yàn)課程中所需硬件條件為一臺PC機(jī)，要求安裝Matlab軟件和虛擬儀器庫，理論條件為學(xué)生掌握Matlab軟件。在我校通信工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，第三學(xué)期開設(shè)了“Matlab程序設(shè)計(jì)”課程，第四學(xué)期開設(shè)“通信原理”理論課，第五學(xué)期開設(shè)“通信原理實(shí)驗(yàn)”課程；因此本課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革從開發(fā)到使用都具有較強(qiáng)可行性。我校通信原理課程配8個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，以最終構(gòu)建典型通信系統(tǒng)為目的，結(jié)合理論授課重點(diǎn)，通過多個(gè)小實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)仿真和綜合設(shè)計(jì)仿真，使學(xué)生不但鞏固了理論知識，培養(yǎng)了分析解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)也使學(xué)生能夠從系統(tǒng)化的角度進(jìn)一步理解通信系統(tǒng)的概念。

3 典型實(shí)驗(yàn)舉例

AM調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)是通信原理中最基本的一種模擬通信系統(tǒng)，文中該實(shí)驗(yàn)涉及到載波調(diào)制、相干解調(diào)、包絡(luò)檢波等基本通信理論。

3.1 AM調(diào)制原理簡介

假設(shè)調(diào)制信號為[m（t）]，直流偏量為[A0]，載波為[cosωct]，則可得AM調(diào)制信號表達(dá)式為：

[sAM（t）=[A0+m（t）]cosωct] （1）

調(diào)制系數(shù)μ為：

[μ=m（t）maxA0] （2）

由理論分析可知，當(dāng)[μ≤1]時(shí)，可采用包絡(luò)檢波和相干解調(diào)兩種解調(diào)法恢復(fù)出原始信號；而[μ>1]時(shí)將出現(xiàn)過調(diào)幅現(xiàn)象，只能采用想干解調(diào)法恢復(fù)原始信號。

3.2 基于Matlab/Simulink的AM調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

如圖1所示，AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)包括AM調(diào)制模塊、AM解調(diào)模塊和信噪比計(jì)算模塊。通過該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，要求學(xué)生掌握乘法器的基本工作原理，由乘法器構(gòu)成的振幅調(diào)制和載波調(diào)制電路的工作原理和特點(diǎn)，掌握包絡(luò)檢波和想干解調(diào)的工作原理和特點(diǎn)，了解不同調(diào)制系數(shù)[μ]對系統(tǒng)的影響。

圖1 AM調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)模型

AM調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中通過加法器實(shí)現(xiàn)了調(diào)制信號[m（t）]與直流偏量[A0]的加和，輸入端In3為載波信號，最終，通過乘法器形成了AM調(diào)制信號[sAM（t）]，從端口Out1輸出。在Matlab/Simulink環(huán)境下將模塊封裝，則構(gòu)成了圖1中的AM調(diào)制器。

圖2 AM調(diào)制器模型

包絡(luò)檢波器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，本實(shí)例中的包絡(luò)檢波器可直接采用Saturation模塊來模擬具有單向?qū)ㄐ阅艿臋z波二極管，Saturation模塊的上、下門限分別設(shè)置inf和0，檢波后通過低通濾波器。該模塊封裝后，構(gòu)成了圖1中的包絡(luò)檢波器。

圖3 AM包絡(luò)檢波器模型

相干解調(diào)器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，相干解調(diào)采用的載波由端口In2輸入，與調(diào)制載波同頻同相，可以直接從發(fā)送端載波引入，解調(diào)后通過低通濾波。該模塊封裝后，構(gòu)成了圖1中的相干解調(diào)器。

圖4 AM相干解調(diào)器模型

實(shí)驗(yàn)過程中，首先要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)AM調(diào)制器、包絡(luò)檢波器和相干解調(diào)器3個(gè)模塊，掌握系統(tǒng)的核心原理，然后將這3個(gè)關(guān)鍵模塊連接，接入信號源、噪聲、示波器和信噪比計(jì)算模塊構(gòu)成整體的AM調(diào)制解調(diào)通信系統(tǒng)。由于信噪比計(jì)算模塊比較復(fù)雜，可直接由教師構(gòu)造模塊，講解功能后由學(xué)生選用，方便進(jìn)一步分析系統(tǒng)。

3.3 AM調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)例中，假設(shè)載波為[cos（106×t）]，直流偏量為[A0=1]，調(diào)制信號為[m（t）=0.3cos（103×t）]。調(diào)制信號[m（t）]與 [m（t）+A0]分別如圖5上、下兩波形所示。

圖5 基帶信號[m（t）]與[m（t）+A0]波形圖

由式（2）計(jì)算可得，本例中調(diào)制系數(shù)[μ=0.3]，則該系統(tǒng)可采用包絡(luò)檢波和相干解調(diào)兩種解調(diào)方法。理論上，在大信噪比條件下，包絡(luò)檢波器的性能接近相干解調(diào)器性能，但隨著輸入信噪比逐漸降低，包絡(luò)檢波器將出現(xiàn)門限效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中，可使學(xué)生通過修改噪聲參數(shù)觀察門限效應(yīng)現(xiàn)象，通過修改調(diào)制信號幅度和直流偏量值觀察不同調(diào)制系數(shù)下包絡(luò)檢波和相干解調(diào)的性能，加深對理論知識的理解。

當(dāng)噪聲方差為0.3時(shí)，解調(diào)器前端信號如圖6所示，其中上部信號為無噪聲信號，下部信號為方差為0.3的有噪信號。

噪聲方差為0.3時(shí)，解調(diào)器輸出波形如圖7所示，其中上部信號為包絡(luò)檢波器輸出，下部信號為相干解調(diào)器輸出信號。由圖可見此時(shí)包絡(luò)檢波器和相干解調(diào)器均可正常解調(diào)信號。

圖6 解調(diào)器前端信號波形圖

圖7 噪聲方差為0.3時(shí)解調(diào)器輸出波形圖

當(dāng)噪聲方差為1時(shí)，解調(diào)器輸出波形如圖8所示，從圖中可觀察到，此時(shí)包絡(luò)檢波器已經(jīng)出現(xiàn)門限效應(yīng)，而相干解調(diào)器可以正常工作。

4 結(jié) 語

在“通信原理”實(shí)驗(yàn)課程中利用Matlab構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使得通信系統(tǒng)的仿真用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)，免去構(gòu)建硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不便和開銷，而且操作十分簡便。通過這種實(shí)驗(yàn)方式不僅幫助學(xué)生深入理解課堂所學(xué)理論，而且為學(xué)生今后使用Matlab進(jìn)行通信系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，有利于培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的綜合能力。

圖8 噪聲方差為1時(shí)解調(diào)器輸出波形圖

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