虛擬仿真技術在通信原理課程教學中的應用實踐

張學敏，鐘 菲

(長春工程學院，長春 130012)

一、引言

目前，關于通信原理課程教學改革和研究的文章較多，大多從教學內容整合[1]、教學方法轉變[2]和教學形式[3]轉變出發，從不同角度論述課程改革的實踐和對學生的影響，但就課程的某一知識點而采取的教學改革的具體操作的文章尚為少見，尤其像通信原理這類理論性強、先驗知識多、概念抽象、公示推導繁瑣的課程更需要一種操作性強的有效“工具”來幫助學生完成學習任務。

MATLAB/SIMULINK是一款專業仿真軟件，廣泛應用于電子信息、通信和電氣自動化等專業領域，模塊化的設計、靈活的參數修改取代了大量代碼的編寫和反復調試過程，可節省學習時間，提高學習效率。

隨著通信技術的發展，新理論、新知識不斷出現，如何在有限的學時內讓學生學到更多知識并消化吸收，是從教者所在教學領域范圍內應該思考的問題。通信原理的主要知識點涉及隨機信號分析、模擬和數字通信系統、基帶傳輸和頻帶傳輸等，本文以數字頻帶傳輸中的2PSK(Binary Phrase-Shifting Key)二進制相移鍵控知識點為例，進行SIMULINK建模詳細操作，將復雜的2PSK頻帶傳輸的調制和解調過程化抽象為具體、化繁瑣為簡易，以激發學生學習主動性和學習興趣，提高學習效果和學習質量。

二、2PSK數字頻帶傳輸的SIMULINK建模與仿真[4-6]

圖1 SIMULINK模塊庫界面圖

(一)2PSK數字頻帶傳輸SIMULINK模塊調用

2PSK數字頻帶傳輸包括調制和解調，原理框圖見圖2和圖3，其工作原理過程在此略過。根據原理框圖，選擇所需的仿真模塊，模塊清單見表1。

圖2 2PSK頻帶傳輸調制原理框圖

圖3 2PSK頻帶傳輸解調原理框圖

在SIMULINK環境下，點擊文件菜單，建立一個模型文件窗口，根據2PSK數字頻帶傳輸的調制和解調原理框圖，將所需模塊拖入模型文件窗口并連線生成2PSK數字傳輸系統，如圖4所示，然后將文件保存。

表1 2PSK頻帶傳輸仿真模塊清單

圖4 2PSK數字頻帶傳輸系統SIMULINK建模

(二)2PSK數字頻帶傳輸系統模塊參數設置

雙擊圖4中的功能模塊，會出現參數設置對話框(篇幅有限，僅提供帶通濾波器參數設置對話框)，根據需要設置參數即可。隨機序列發生器的二進制數字信息“0”和“1”的總數自定，這里設為500，“0”和“1”的出現概率設為0.5；正弦載波信號的頻率設為100 Hz，幅值設為1，初相位設為0，采樣時間設為0.001 s；轉換開關參數選默認值；高斯白噪聲信道方差設為5；帶通濾波器的上、下限截止頻率分別設為95 Hz和105 Hz，采樣頻率設為1 000 Hz，帶通濾波器參數設置對話框如圖5所示；乘法器參數選默認值；低通濾波器通帶過度頻率設為15 Hz；誤碼率計算器和顯示器選默認值；示波器Scope、Scope1和Scope2的輸入端個數分別是2、3和2。

(三)2PSK數字頻帶傳輸系統仿真

系統仿真起始時間設為0s，終止時間20s，解算器類型選變步長，算法選ode45，其他參數為默認值。系統運行后，示波器Scope顯示的是2PSK數字調制結果，見圖6，顯見，在數字信息由“0”變“1”或由“1”變“0”時，載波的初相由0變到π或由π變到0。2PSK調制就是通過載波初相位的變化將數字信息發送出去的。

圖5 帶通濾波器設計界面圖

圖6 2PSK數字調制時域波形

Scope1顯示的是解調端帶通濾波器、相乘器和低通濾波器輸出結果，見圖7，三個波形分別對應框圖3中a、c、d的輸出。

圖7 數字帶通濾波器、乘法器和模擬低通濾波器輸出波形

Scope2顯示的信源發送的數字信息和解調出來的數字信息，見圖8。這兩個波形除了略有延遲外，幾乎完全一樣，說明接收端幾乎無失真收到信源發送的信息。同樣，由圖4的Display顯示結果可見，發送500個碼元，接收端有3個錯誤碼元，誤碼率為0.006，近似為0。如果高斯白噪聲信道的方差大于5，即信道噪聲增加則誤碼率會相應增加。

圖8 信源基帶信號和解調后的信號波形

由系統仿真結果，可清楚直觀看到數字傳輸系統從輸入到輸出的每一個環節和細節，從外在的形式(模型搭建)到內在的內容(模塊參數設置)，一個鮮活的通信系統呈現在眼前，教材里繁瑣的公式推導和抽象概念變得生動和具體。

學生在實驗室利用通信原理硬件實驗箱也可實現2PSK數字頻帶傳輸的調制和解調過程，但實驗箱在制作時每個實驗的參數已經固化，不能修改，學生只是簡單地、機械地按照實驗步驟操作，但借助SIMULLINK虛擬仿真技術，參數可靈活修改，以實現具有不同參數特點的2PSK數字通行系統，幫助學生在腦海中形成通信系統的一個整體構架，讓學生有所見即所得之感。

三、總結

本文以通信原理課程的2PSK數字頻帶傳輸為例，利用MATLAB/SIMULINK搭建2PSK數字傳輸系統，虛擬仿真實現頻帶傳輸的調制和解調過程。從模塊調用、參數設置到系統仿真詳細敘述了每一環節的操作，并對示波器的輸出結果解釋分析。

將虛擬仿真技術應用到通信原理課程教學中，教材里抽象的概念，繁瑣的公式被SIMULINK生動可見的仿真模塊代替，模塊參數修改的靈活性，動態仿真結果的可見性，讓學生感覺通信原理不是“霧里看花”，而是“身臨其境”，從而調動了學生的學習主動性和探索欲，也激勵教師不斷探索新的教學方法和教學手段，提高通信原理課程教學質量。