基于matlab的通信原理實驗課程設計

黃 琳，曹杉杉，熊旭輝

(1.湖北師范大學 計算機科學與技術學院，湖北 黃石 435002；2.湖北師范大學 文理學院，湖北 黃石 匠35000)

基于matlab的通信原理實驗課程設計

黃 琳1，2，曹杉杉1，2，熊旭輝1，2

(1.湖北師范大學 計算機科學與技術學院，湖北 黃石 435002；2.湖北師范大學 文理學院，湖北 黃石 匠35000)

根據通信原理的課程特點及硬件實驗教學存在的問題，提出了利用matlab/simulink進行軟件仿真的實驗教學方法。介紹了模擬/數字調制技術、數字脈沖編碼調制技術、數字基帶編碼技術的仿真模型，并對其進行了分析。分析表明，基于matlab/simulink的通信原理課程實驗教學方法有助于學生對通信原理理論知識的理解，可以提高學生的動手能力，提升課程的教學效果。

通信原理；實驗教學；matlab；Simulink

0 引言

《通信原理》是高校電子信息、通信類學生的一門專業基礎課程，它與高等數學、信號與系統、概率論等先修課程聯系緊密，又影響著移動通信、光纖通信、交換技術等課程的學習。因此，學習好這門課程對學生今后的學習非常重要。《通信原理》課程具有理論性強、概念抽象，需要較強的數學功底等特點。為了提高學生的學習興趣，加深學生對理論知識的理解，提高通信原理實踐教學質量，將抽象的通信理論與信號波形聯系起來，使其生動化、具體化，是提高整個課程教學質量的有效途徑。同時，通過實踐教學的加強，可以訓練學生分析問題，解決問題的能力，提高學生的動手能力[1]。

1 目前的實驗課程

目前，通信原理實驗課程主要利用實驗箱進行驗證性實驗。實驗過程中，學生只需要按照說明書連接導線、跳線等，然后通過示波器觀察波形。這種驗證性的實驗真正需要學生思考和動手的機會不多[2]。實驗結果受硬件局限性大，當實驗波形效果不理想時，能調節和修改的地方很少，實驗目的難以達到[3，4]。利用matlab或者simulink進行軟件仿真實驗設計，對課本的理論知識，進行軟件仿真實現。仿真的過程，需要學生對所學知識有著透徹的理解，仿真建模的過程培養了學生編程能力和思考能力。另外，軟件仿真對實驗條件要求簡單，只需要一臺電腦就可以，實驗場地靈活；實驗過程中可以方便的調整模塊參數，修改程序，以達到最佳的波形效果，實驗過程靈活。

為了彌補實驗箱驗證性實驗教學的不足，筆者對通信原理課程的實踐環節進行了軟件仿真實驗設計。形成以驗證性實驗為基礎，軟件仿真設計為補充的實驗教學模式。在軟件仿真實驗設計過程中，利用matlab和simulink建立動態的仿真模型。學生通過自己動手對各種通信技術進行仿真設計，理解技術原理，調節設計參數，觀察技術性能，不僅加深了學生對理論知識的理解，同時掌握了利用軟件進行通信仿真的方法，還提高了軟件編程能力。

2 軟件仿真實驗設計

《通信原理》課程的主要內容是信道、模擬調制解調技術、數字調制解調技術、數字基帶傳輸系統、脈沖編碼調制技術(PCM)等。軟件仿真實驗主要針對這幾部分的內容做仿真模擬[5]。其中模擬/數字調制解調技術、脈沖編碼技術利用simulink模塊進行仿真實驗，數字基帶傳輸系統利用matlab進行編程實現。

2.1模擬調制技術仿真

最常見和最重要的模擬調制方式是用正弦波作為載波的幅度調制和角度調制[5]，仿真模型圖如圖1所示：

圖1 模擬調制技術仿真模型

在圖1中，隨機整數產生器模塊 (Random Integer Generator)用來產生消息信號，它與Constant模塊和Subtract模塊一起產生均勻分布的隨機整數。學生可以利用其它的消息產生模塊產生需要的信號源消息。調幅模塊(DSB AM Modulator Passband)對消息信號進行幅度調制。該模塊需要學生設置的參數有：調幅信號的直流信號A0的大小、調幅信號的載波頻率、調幅信號載波的初始相位。學生可以通過這三個參數的設置，產生不同調制效率的調幅信號。調幅信號解調模塊(DSB AM Demodulator Passband1)解調接收到的信號。上支路是解調沒有噪聲的調制模塊，下支路解調通過AWGN信道后的調制信號。解調模塊的直流信號大小、載波頻率和初始相位3個參數的值與調制模塊一致，低通濾波器的分子和分母系數參數用來設置濾波器，學生可以通過調整濾波器以達到最佳的解調效果。Quantuzer1、math function、mean、constant1、divide和AWGN channel模塊共同產生信噪比為20dB的高斯信道。在解調出信號后，通過Bessel低通濾波器濾除信號高頻分量。

圖2 理想信道下解調信號波形

圖3 高斯信道下解調信號波形

4個示波器(Scope1～Scope4)分別用來查看原始信號波形，通過AWGN信道后的解調信號波形，通過AWGN信道后的調制信號波形以及理想信道下的解調信號波形(如圖2、圖3所示)。由圖2和圖3可以看到，在理想環境下，可以較好的解調出發送的基帶信號。AWGN信道環境下，由于信道噪聲的影響，解調后的信號信噪比下降。學生可以將模型中的AM模擬調制技術換成雙邊帶調制或者單邊帶模擬調制，對比分析各種模擬調制技術的抗噪聲性能。還可以通過增加頻譜儀模塊來觀察調制及已調信號的頻譜情況，了解調制解調對信號頻譜產生的影響。

2.2數字調制技術仿真

數字調制與模擬調制的基本原理相同，完成調制信號與帶通信道相匹配[5]，其仿真模型如圖4所示：

圖4 數字調制技術仿真模型圖

Integer to Bit Converter 模塊將信號源輸出的隨機整數轉換為二進制比特送入MPSK基帶調制器進行相位調制。調制輸出信號經過高斯信道后送入接收端相應的MPSK解調器模塊進行解調。調制器和解調的參數設置應該一致，調制器的輸入數據為比特類型，解調器輸出的數據類型也為比特。學生可以設置調制器的進制數來仿真各種多進制的相移鍵控方式，也可以將相移模塊改為其他的數字調制技術模塊，來仿真其他的數字調制技術，分析各種數字調制技術的性能。數據映射方式設置為普通二進制方式或格雷碼方式。信源發送的數據與接收端解調數據進行比較得出仿真系統的誤比特率。

高斯信道的噪聲方差不同時，系統誤碼率也不一樣，在仿真實驗的過程中，可以調整信道的噪聲方差，來比較不同的數字調制技術的抗噪聲性能。當信道中加入的高斯噪聲方差為0.02，采用8PSK調制時，發送和接收信號的星座圖如圖5和圖6所示，對比星座圖可以看出信道噪聲對信號的影響。數據映射方式設置為普通二進制方式，信道噪聲方差為0.05時，得出錯誤比特數為241個，相應的誤碼率為0.008033；而將數據映射方式改為格雷碼方式，其他參數不變，相同的仿真時間內錯誤比特數為141個，相應的誤比特率為0.0047。這說明在數字調制過程中，格雷碼的映射方式優于普通二進制映射。

圖5 8PSK發送信號星座

圖6 8PSK接收信號星座圖

2.3PCM編碼器

PCM編碼完成模擬信號與數字信號的轉換[5]。PCM編碼技術仿真實驗模型如圖7所示。該圖模擬了一個13折線近似的PCM編碼器，該模型將[-1,1]內的歸一化信號樣值編碼為8位二進制輸出。圖中，Saturation為限幅器，限制輸入信號的幅度值。Relay的門限設置為0，其輸出可以作為PCM編碼的極性碼。Abs模塊將輸入的樣值取絕對值，由Look-UP Table模塊進行13折線壓縮。Gain模塊將壓縮后的樣值范圍放大到0～127,然后用Quantizer量化器進行四舍五入取整，最后將整數編碼為7位二進制序列。學生可以輸入不同的樣值進行PCM檢驗測試，還可以在各功能模塊的輸出增加scope示波器模塊，查看編碼過程中信號的波形變化。

圖7 PCM編碼技術仿真模型

2.4HDB3碼編碼實驗

HDB3碼的編碼規則是：檢查消息碼中“0”的個數，當連“0”數目小于三時，消息碼中非“0”碼極性正負交替；當連“0”數目超過3時，將每4個連“0”替換為B00V,V碼與前一個相鄰的非“0”碼極性相同，B的取值可選0，+1或者-1以使相鄰的V碼之間極性交替；V碼后面的非“0”碼極性也要交替。HDB3碼編碼比較復雜，解決了當原信碼出現連“0”串時，信號電平長時間不跳變，無法提取定時信號的問題[5]。HDB3碼應用廣泛，A律PCM四次群以下接口碼型均為HDB3碼。

根據學生的編程能力，將實驗分為不同的難度等級。編程能力較強的學生可以根據編碼原則自己設計程序流程，然后編寫程序實現；有一定程序編寫能力的學生，可以給出程序流程圖，對流程圖進行講解，然后要求學生對著流程圖編寫程序；對編寫能力較差的學生，可以采取完型填空的實驗方法：首先講解程序流程圖，然后給出對應的部分程序，要求學生把程序填寫完整。實驗過程中，學生根據自己的能力做相應的實驗練習。

3 結束語

通信原理這門課程理論性較強，在課程的教學過程中，為了提高學生的學習興趣，鍛煉學生的動手能力。實驗教學作為理論教學有效的補充，不僅可以加深學生對理論知識的理解，還可以鍛煉學生的動手能力。采用實驗箱的等硬件設備進行實驗教學，成本昂貴，技術更新困難。利用matlab/Simulink軟件進行仿真實現，可以方便直觀地展示信號狀態變化，反映物理概念，更有利于學生對理論知識的理解。另外，學生通過對仿真參數的設計和程序代碼的編寫，可以掌握matlab/Simulink軟件的通信仿真方法，培養學生的思考能力。

[1]許正榮,賈賢龍,李 陽,等.通信原理實驗教學改革與實踐[J].實驗技術與管理,2013,30(4):171～174.

[2]徐升槐,范勤儒.通信原理實驗課程教學研究[J].實驗技術管理,2011,28(1):65～66.

[3]鄧紅濤,查志華,張銳敏.Simulink在通信原理教學中的綜合應用[J].教育教學論壇,2012(3):211～212.

[4]徐彥凱,雙 凱,姜 珊.通信原理實驗教學的探索[J].實驗室研究與探索,2011,30(6):316～318.

[5]樊昌信,曹麗娜.通信原理[M]. 北京:國防工業出版社,2012.

Abstract: According to the characteristics of communication principle course and the problem of current hardware experiments, this paper proposes a practice teaching way which simulates the communication principle based on matlab/Simulink. The simulation models of analog modulation and demodulation, digital modulation and demodulation, pulse code modulation, Digital baseband coded technology are introduced in this paper. By the analyze，we can see that software simulation experiment in communication principle can not only help students to understand communication system, but also improve their practical ability. Moreover, it can raise the teaching effect.

Keywords: communication principle; practice teaching; matlab; Simulink

Thedesignbasedonmatlabforpractiseteachingsystemincommunicationprinciplecourse

HUANG Lin，CAO Sha-sha，XIONG Xu-hui

(1.College of Computer Science and Technology, Hubei Normal University,Huangshi 435002,China 2.College of Arts and Science and Techology, Hubei Normal University,Huangshi 435000)

TN911

A

2096-3149(2017)03- 0094-05

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.03.018

2017—03—21

湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊計劃(T201430)

黃琳(1981— )，女，湖北黃岡人，講師，碩士，研究方向為移動通信.