基于MATLAB的通信原理實驗教學的探索與實踐

趙新穎，張衛民

（鄭州鐵路職業技術學院電子工程系，鄭州 451460）

基于MATLAB的通信原理實驗教學的探索與實踐

趙新穎，張衛民

（鄭州鐵路職業技術學院電子工程系，鄭州 451460）

針對傳統實驗教學所帶來的缺陷，提出了在通信原理課程實驗教學中采用MATLAB仿真軟件的方法。通過數字頻帶調制實驗的實例說明基于MATLAB仿真通信原理實驗不僅能使學生將所學的理論知識融會貫通，而且能更好地激發學生對理論知識的學習興趣，提高其綜合分析和解決問題的能力。

實驗教學；仿真實驗；MATLAB；通信原理

0 引言

通信原理作為電子信息工程、通信工程等信息類專業的一門專業基礎課程，對后期專業課學習起著非常重要的作用。通信原理課理論性較強、概念抽象，且原理枯燥，雖然這門課程在教學過程中設計了一些實驗環節，且有成熟的實驗設備，但這些實驗都是驗證性的，只要按照實驗指導書上給出的實驗步驟進行連線、調試，最后觀察得出的實驗結果即可，這種機械性的實驗不能使學生將實驗與課堂上所學的理論知識很好地聯系起來，只是驗證一下實驗結果和書本上所說的理論是否一致，且實驗結果往往受實驗箱元器件老化、穩定性等因素影響，有時實驗結果并不盡人意。在實驗教學過程中，為了培養學生的自主學習能力、綜合分析和設計能力，消除實驗箱實驗所帶來的弊端，本文借助于MATLAB語言及其提供的工具箱，對通信原理課程中的一些重要知識點進行了設計和仿真，并通過數字頻帶調制實驗進行了舉例[1]。

MATLAB在系統仿真、數字信號處理、圖形圖像分析、虛擬現實技術、通信等領域均得到了廣泛的應用[2]。對于MATLAB中的Simulink框圖仿真工具箱，用戶只要熟悉其中每個模塊的輸入、輸出等功能，不必知道模塊的內部結構，就能根據設計及使用要求，利用Simulink對動態系統進行仿真和分析，因此使用起來相對簡單，有必要使其成為教師教學的輔助工具和學生學習掌握的基本工具[3]。

1 數字頻帶原理

在信息技術飛速發展的今天，數字頻帶調制技術在電視、手機多個與人們日常生活密切相關的領域得到了廣泛應用。數字頻帶調制內容對后續課程的學習起著舉足輕重的作用。要想使學生掌握數字頻帶調制內容，僅僅靠課堂理論教學的手段還遠遠不夠，筆者利用MATLAB仿真軟件中的Simulink框圖工具箱對數字頻帶調制內容進行了仿真教學。這樣不僅能讓學生將以前學過的電子技術等相關知識進行應用和貫通，還能使他們掌握一門學習工具。仿真教學能使學生在思考、分析及理論聯系實際后，掌握所學知識的基本概念、基本理論和基本方法，并培養學生的實際動手能力、應用能力和創新能力，增強學生學習興趣，提高學生的綜合分析和設計能力。

數字調制和模擬調制類似，有調幅、調頻和調相三種基本調制方式。由于數字調制是用載波信號的某些離散狀態來表征所傳送的數字信息，數字調制也被稱為鍵控信號。相應的三種基本調制形式又分別稱為幅度鍵控ASK、頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK，其中相移鍵控PSK又分為絕對相移鍵控和相對相移鍵控兩種[4]。這里以二進制數字調制為例。

設二元離散信源發出消息符號0、1的概率分別為P、（1-P），且0、1的出現彼此獨立（以下調制方式同，不再贅述）。根據幅度調制原理，一個二進制的幅度鍵控信號S2ASK可以表示成一個單極性矩形脈沖序列與一個正弦載波的乘積[5]，即：

圖1為用相乘電路法實現2ASK信號的方框圖。

圖1 用相乘電路法實現2ASK信號方框圖

根據二進制頻移鍵控2FSK信號產生的原理，可以寫出2FSK數學表達式：

以上兩種調制方式中，第n個信號碼元的初相位設為0，an為單極性非歸零碼，其中2FSK調制方式中的是an的反碼。

根據式（2）可以畫出用相乘電路實現2FSK信號的方框圖，如圖2所示。

圖2 用相乘法實現2FSK信號方框圖

根據二進制絕對相移鍵控2PSK信號產生的原理，可以寫出2PSK的數學表達式：

這里an為雙極性非歸零碼，即an的統計特性為：

以上三種調制方式中的g（t）均為脈寬為Ts的單個矩形脈沖。這樣可以得到2PSK信號在一個碼元持續時間Ts內的統計表達式：

即發送二進制符號0（an=-1）時，S2PSK（t）取π相位；發送二進制符號1（an=+1）時，S2PSK（t）取0相位。其信息與相位之間的關系可表示為：

其中，將單極性不歸零脈沖信號轉變為雙極性不歸零脈沖信號的方法為：

用相乘電路法實現2PSK信號的方框圖見圖3。

圖3 用相乘法實現2PSK信號方框圖

因絕對相移鍵控調制方式中存在“相位模糊”或“倒π”現象，使其在實際通信系統中的應用受到限制，由此相對（或差分）移相（2DPSK）方式得到普遍應用。

2DPSK方式是利用前后相鄰兩個碼元的載波相位的變化，來表示所傳送的數字信息的一種調制方式[6]。設△φ為本碼元的初始相位與前一碼元的初始相位之差，則2DPSK的調制規則為：

因此產生2DPSK信號時，需先將原數字信息序列（稱為絕對碼）{an}演變為相對碼{bn}后，再按絕對移相調制方式進行調制。相對碼bn的產生方法為：

由此可畫出2DPSK信號用相乘電路法實現調制的方框圖，如圖4所示。

圖4 用相乘法實現2DPSK信號方框圖

2 用Simulink仿真平臺實現對二進制數字信號調制的仿真

根據二進制數字信號調制原理，選用Simulink中相應模塊，進行正確連線，結合仿真波形，將課堂上的理論知識通過實踐達到融會貫通、靈活掌握的目的。根據2ASK信號的調制原理圖，選用Simulink仿真平臺中的信源和二進制模塊，分別送到乘法器的兩個輸入端，將其結果送至示波器進行觀察。圖5（a）為2ASK信號的調制仿真圖，圖5（b）為2ASK仿真波形圖。2ASK信號的調制是比較簡單的，它是其他數字調制的基礎。

圖5 2ASK信號調制仿真圖及仿真波形圖

2FSK可以看成是由兩個2ASK信號調制原理圖組成，選用兩個正弦波信號源，一個二進制模塊和一個反向器，將兩個2ASK的調制結果經過一個加法器進行運算輸出即為2FSK信號。圖6（a）為2FSK信號的調制仿真圖，圖6（b）為2FSK仿真波形圖。

在實現對2PSK信號調制時，首先要對二進制模塊輸出的二進制信息進行碼型變換，然后用乘法器將其和模擬信號進行運算，將輸出波形送至示波器進行顯示。圖7（a）為2PSK信號的調制仿真圖，圖7（b）為2PSK仿真波形圖。

2DPSK調制是二進制數字調制中最復雜的一個，在實現電路中涉及反饋結構，且用到的運算單元是最多的，也是最能體現學生分析問題和解決問題能力的一種調制方式。在實現2DPSK調制時，需將二進制信息從絕對碼轉換為相對碼，然后將其從單極性碼轉換為雙極性碼，再送至乘法器輸入端和正弦波信號進行相乘得到想要的結果。具體仿真過程如圖8（a）所示，圖8（b）為2DPSK仿真波形圖。

圖6 2FSK信號調制仿真圖及仿真波形圖

圖7 2PSK信號的調制及仿真波形

為了能夠進行正確的仿真，必須對相應模塊進行正確的參數設置。這就需要學生多思考、多練習。

3 結束語

圖8 2DPSK信號調制仿真圖及仿真波形圖

通過二進制數字頻帶調制虛擬實驗可以看出，復雜的綜合性實驗都可以分解為幾個簡單的模塊來完成。這就為學生學習提供了思路——將復雜問題簡單化。通過反復實踐，結果證明此方法不但有助于學生很好地鞏固、理解和掌握課堂上所學的通信原理理論知識，提高學生的學習積極性，培養其綜合能力和創新能力，更重要的是培養了他們分析問題、解決問題的能力，還能在實踐中熟悉和掌握MATLAB語言及其工具箱的使用，為后期的學習和工作打下堅實的基礎。

［1］席在芳，歐青立，曾照福，等.信息論與編碼實驗教學的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2008，27（2）：99-101.

［2］張志涌.精通MATLAB6.5版［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

［3］李賀冰.Simulink通信仿真教程［M］.北京：國防工業出版社，2006.

［4］樊昌信.通信原理（第5版）［M］.北京：國防工業出版社，2001.

［5］曹志剛，錢亞生.現代通信原理［M］.北京：清華大學出版社，1992.

［6］張輝，曹麗娜.現代通信原理與技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2002：210-215.

The Exploration and Practice of the Experiment Teaching on Communication Theory Based on MATLAB

ZHAO Xin-ying,ZHANG Wei-min

（The Department of Electronic Engineering,Zhengzhou Railway Vocational&Technical College,Zhengzhou 451460,China）

For the defects that the traditional experiment teaching brings,a simulation method in MATLAB software is put forward to realize communication theory in experiment teaching.Through simulation experiment for communication principle based on MATLAB,students not only can gain theory knowledge and make full use of it,but also the interest of student for learning the theory knowledge can be inspired effectively and the ability for comprehensive analysis and solving problem can be enhanced.

experiment teaching;simulation experiment; MATLAB;Communication Fundamentals

G712

A

1673-2022（2017）01-0045-03

2016－11－21

趙新穎（1978-），女，河北棗強人，講師，碩士，主要研究方向為電子與通信；張衛民（1982-），男，河南開封人，助教，碩士研究生，主要研究方向為電子與通信。