通信原理教學(xué)中虛擬仿真的應(yīng)用

王海榮

摘要：針對(duì)非通信專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)通信原理的特點(diǎn)，提出利用MATLAB仿真來幫助學(xué)習(xí)教材中一些重點(diǎn)難點(diǎn)知識(shí)，可以增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，達(dá)到事半功倍的效果，教學(xué)過程中的實(shí)踐表明，獲得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：通信原理；MATLAB仿真；非通信專業(yè)學(xué)生；調(diào)制和解調(diào)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2019）03-0268-02

一、引言

《通信原理》是高等工科院校通信、信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。在信息特色類高校本課程是被作為一門通識(shí)課的，即除了通信信息類相關(guān)專業(yè)外，其他專業(yè)也要求選修此課程。盡管針對(duì)非通信專業(yè)學(xué)生，課程內(nèi)容及要求會(huì)做適當(dāng)?shù)南鳒p和簡(jiǎn)化，但這些學(xué)生的前導(dǎo)課程學(xué)習(xí)常常會(huì)有缺失，因此在通信原理一些概念的數(shù)學(xué)推導(dǎo)、理解、分析與計(jì)算方面有很大的困難。

通常為了讓學(xué)生能更好地理解通信信號(hào)調(diào)制和解調(diào)的基本原理，教學(xué)中會(huì)輔以靜態(tài)的圖例來解釋說明，雖然有一定的幫助，但對(duì)非通信專業(yè)學(xué)生而言，掌握調(diào)制和解調(diào)過程中信號(hào)波形和頻譜的變換還是困難的。因此在這里引入MATLAB仿真來輔助通信原理的教學(xué)，我們將本著“源碼面前，了無秘密”的原則，采用MATLAB中直接編程的M文件來揭示調(diào)制和解調(diào)的基本原理。

二、仿真實(shí)例

在本節(jié)中，將以教材中介紹的第一種調(diào)制方式，即常規(guī)雙邊帶調(diào)制AM為例，分別通過直接編程的M文件給出基帶信號(hào)是如何實(shí)現(xiàn)AM調(diào)制和解調(diào)的。即通過AM信號(hào)調(diào)制解調(diào)過程的一個(gè)完整MATLAB仿真呈現(xiàn)，使學(xué)生能掌握調(diào)制解調(diào)的基本要領(lǐng)。

1.AM信號(hào)的基本原理。如果基帶時(shí)域信號(hào)為m（t），載波信號(hào)為cosω t，疊加的直流偏量為A ，那么依據(jù)教材中的AM調(diào)制模型，可以得到調(diào)幅信號(hào)

若m（t）時(shí)是確知信號(hào)，它的頻譜為M（ω），那么AM信號(hào)的頻譜可以表示為

2.仿真演示實(shí)例。下面，就采用一個(gè)具體的編程實(shí)例來說明是如何實(shí)現(xiàn)AM信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)的。

A.調(diào)制。給定一個(gè)基帶信號(hào)m（t）為

并且有cosω t中的ω =2πf =500πrad，t =0.15s，暫不考慮直流偏量的影響，那么可以得到圖1左側(cè)所示的基帶信號(hào)m（t）、載波信號(hào)cosω t和已調(diào)信號(hào)u（t）=m（t）·cosω t的時(shí)域波形和右側(cè)所示的m（t）和u（t）的頻譜。由圖1右側(cè)可以很直觀地看到已調(diào)信號(hào)的帶寬是基帶信號(hào)帶寬的兩倍。并且由于是采用直接編程M文件的方式，所以可以讓學(xué)生自由選擇基帶信號(hào)來做各種嘗試，形象地看到已調(diào)信號(hào)的波形和頻譜所對(duì)應(yīng)發(fā)生的變化，加深他們對(duì)于調(diào)制這一過程的理解。

B.解調(diào)。當(dāng)m（t）完成調(diào)制并被傳輸?shù)浇邮斩撕螅枰袑?duì)應(yīng)的解調(diào)方案來解出基帶信號(hào)。對(duì)于AM信號(hào)常用的解調(diào)方式有兩種，第一種是包絡(luò)檢波方式，即經(jīng)過包絡(luò)檢波器來檢測(cè)已調(diào)信號(hào)的包絡(luò)。圖2左側(cè)就是已調(diào)信號(hào)經(jīng)過包絡(luò)檢波器后得到的包絡(luò)。圖2右側(cè)則就是依據(jù)獲得的包絡(luò)，將信號(hào)的直流分量去掉后，對(duì)信號(hào)幅度加權(quán)就可以得到解調(diào)輸出信號(hào)。

第二種使用更廣泛的解調(diào)方式是相干解調(diào)。即已接收到的u（t）首先要與本地提供的一個(gè)與cosω 同頻同相的載波相乘，再經(jīng)低通濾波后得到低頻分量，就可恢復(fù)出原來的基帶信號(hào)。具體過程如圖3左側(cè)最下圖所示，與本地載波相乘后，可以得到一個(gè)低頻分量M（f）和在±2f 附近的高頻分量，當(dāng)通過圖3右側(cè)中間的帶寬為2倍m（t）帶寬的理想低通濾波器時(shí)，高頻信號(hào)被濾除，而正比于m（t）的低頻分量被濾出。之后通過傅里葉反變化，可以得到如圖4所示的恢復(fù)的原始基帶信號(hào)。從圖3、圖4中看到當(dāng)采用低通濾波后獲得的解調(diào)輸出信號(hào)的頻譜是被限定在2倍基帶信號(hào)帶寬內(nèi)的，而原始基帶信號(hào)的頻譜是在整個(gè)頻域上的，所以最終的解調(diào)輸出信號(hào)的波形與原始基帶信號(hào)相比會(huì)有一些失真。

三、后續(xù)工作

由上述的仿真過程可以看到，整個(gè)AM信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過程不再僅僅依靠固定的圖例做解釋，而是采用了可以靈活修改的代碼語言來描述和演示，從而可以加深學(xué)生的參與感，能比較形象地把AM的過程解釋清楚。后續(xù)在此基礎(chǔ)上還可以做一些深入的工作，比如可以修改原始的基帶信號(hào)，甚至可以讓學(xué)生準(zhǔn)備一段語音信號(hào)，來嘗試采用AM后的語音質(zhì)量的變化，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動(dòng)手能力，使其能更好地理解教材上的各個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)。

四、結(jié)束語

對(duì)于非通信專業(yè)學(xué)生而言，學(xué)習(xí)通信原理普遍存在著一定困難，但通過引入MATLAB編程，把教學(xué)內(nèi)容用仿真的形式展現(xiàn)出來，并且可以靈活配置各種參數(shù)，得到各種不同的仿真結(jié)果，極大地增強(qiáng)了教學(xué)的可視化和交互性。通過在通信原理的教學(xué)中引入虛擬仿真，增加了學(xué)生的主動(dòng)性與參與感，從而能更好地掌握相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，最終達(dá)到比較好的教學(xué)效果。