MATLAB在通信工程教學(xué)中的應(yīng)用﹡

黎 慧， 張達(dá)敏

0 引言

隨著數(shù)字化和信息化的迅速發(fā)展，在社會(huì)對(duì)通信工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生需求量增大的同時(shí)，也對(duì)該專(zhuān)業(yè)畢業(yè)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。為適應(yīng)新形勢(shì)的需要，為用人單位培養(yǎng)留得住、用得上的實(shí)用型、創(chuàng)新型和復(fù)合型人才，有必要對(duì)通信工程專(zhuān)業(yè)核心課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革。

通信工程專(zhuān)業(yè)核心課程主要有《信號(hào)與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號(hào)處理》、《現(xiàn)代通信原理》等。這些課程的教學(xué)內(nèi)容信息量大、概念抽象、原理復(fù)雜、理論性強(qiáng)，涉及的數(shù)學(xué)變換、公式推導(dǎo)都比較復(fù)雜，理論教學(xué)占用的學(xué)時(shí)數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)相對(duì)較少，不能滿(mǎn)足新形勢(shì)下人才培養(yǎng)的需求。此外，這些課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)大多使用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)箱，一方面，實(shí)驗(yàn)箱購(gòu)置和維護(hù)費(fèi)用比較昂貴，另一方面，這些實(shí)驗(yàn)箱只能完成一些簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不能進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[1-2]。因此，有必要引入仿真實(shí)驗(yàn)辦法來(lái)彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中，利用MATLAB軟件的強(qiáng)大功能，精心設(shè)計(jì)相關(guān)的功能模塊、圖形處理、及結(jié)果可視化等實(shí)驗(yàn)，以此作為學(xué)生課外作業(yè)，使學(xué)生在課余時(shí)間完成。彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)器材偏少的不足，為學(xué)生處理綜合性仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提供完整的設(shè)計(jì)平臺(tái)。實(shí)踐表明，此方法提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，增強(qiáng)教學(xué)效果，提高教學(xué)質(zhì)量，有效促進(jìn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。下面遴選幾例仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與教育同仁交流。

1 MATLAB仿真實(shí)例

MATLAB具有圖像處理、矩陣運(yùn)算、仿真建模、系統(tǒng)控制和優(yōu)化等多種功能，利用工具箱提供的一系列函數(shù)及Simulink模型庫(kù)，可以方便地設(shè)計(jì)出符合實(shí)際需要的各類(lèi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[3]。同時(shí)，MATLAB結(jié)合編程利用GUI界面設(shè)置參數(shù)控件，可以對(duì)關(guān)鍵參數(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)、大范圍變化的設(shè)置，并據(jù)此精確觀察某些參數(shù)變化對(duì)仿真結(jié)果影響?；谝陨咸攸c(diǎn)，采用MATLAB搭建通信專(zhuān)業(yè)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)便利可行。

1.1 《信號(hào)與系統(tǒng)》仿真實(shí)驗(yàn)示例

《信號(hào)與系統(tǒng)》教學(xué)內(nèi)容主要包括信號(hào)的頻譜分析、系統(tǒng)的特性模擬等。下面以信號(hào)抽樣及抽樣定理實(shí)驗(yàn)為例說(shuō)明。

信號(hào)抽樣即抽樣脈沖序列 p (t)從連續(xù)信號(hào) f (t)抽取一系列離散樣值 fs(t)。數(shù)學(xué)過(guò)程 fs(t) = f(t) ? p(t )。取被抽樣信號(hào) f (t) = S a(t)，設(shè)信號(hào)的帶寬為B=1，當(dāng)抽樣頻率為 ωs= 2 B為 Nyquist抽樣，取不同抽樣速率，觀察Nyquist抽樣的波形區(qū)別[4]。

通過(guò)GUI設(shè)計(jì)參數(shù)面板，輸入不同抽樣間隔數(shù)據(jù)觀察抽樣信號(hào)、重構(gòu)信號(hào)、及對(duì)應(yīng)抽樣信號(hào)與原信號(hào)的誤差。GUI設(shè)計(jì)面板如圖1所示，抽樣信號(hào)如圖2所示，抽樣間隔分別取1，1.01，0.8時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3，圖4和圖5所示。

圖1 GUI界面設(shè)計(jì)

圖2 抽樣信號(hào)f(t)=Sa(t)

圖3 抽樣間隔為1時(shí)的抽樣結(jié)果

圖4 抽樣間隔為1.01時(shí)的抽樣結(jié)果

圖5 抽樣間隔為0.8時(shí)的抽樣結(jié)果

當(dāng)抽樣間隔為1時(shí)，信號(hào)恢復(fù)的效果很好；當(dāng)選取略大于1的抽樣間隔1.01時(shí)，重構(gòu)信號(hào)，信號(hào)恢復(fù)的效果較差；當(dāng)選取略小于 1的抽樣間隔 0.8時(shí)，信號(hào)恢復(fù)的效果與圖1基本一致。實(shí)驗(yàn)很好的驗(yàn)證了抽樣定理，即最低抽樣頻率為 Nyquist頻率時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生頻譜混疊，完整的保留了頻率分量，信號(hào)可以完整恢復(fù)[5]。實(shí)驗(yàn)中為何將抽樣間隔設(shè)定在1、1.01、0.8這三個(gè)值是關(guān)鍵。教師可以據(jù)此考察學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度。

1.2 《數(shù)字信號(hào)處理》仿真實(shí)驗(yàn)示例

《數(shù)字信號(hào)處理》教學(xué)內(nèi)容主要包括離散傅里葉變換和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)離散時(shí)間信號(hào)和系統(tǒng)在時(shí)域、頻域和Z域的分析。下面以IIR數(shù)字低通濾波器仿真實(shí)驗(yàn)為例說(shuō)明。

IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)借助模擬原型濾波器設(shè)計(jì)，選用巴特沃斯模擬低通濾波器為原型。步驟為：先將給定性能指標(biāo)轉(zhuǎn)換為模擬指標(biāo)并進(jìn)行模擬濾波器設(shè)計(jì)，然后將模擬濾波器離散為數(shù)字濾波器[6]。

設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶邊界頻率 ΩP= 2 π × 2 000rad/s ，通帶衰減 αP＜3dB，阻帶邊界頻率 ΩS= 2 π×3000rad/s，阻帶衰減 αS＞15dB，采樣頻率= 1 04Hz 。設(shè)信號(hào) x (t) = s in2πf t + 0 .5cos2πft ，12=103Hz ，= 4 × 1 03Hz 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：濾波器幅頻、相頻特性曲線(xiàn)如圖6和圖7所示，輸入輸出信號(hào)如圖8和圖9所示，GUI界面設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖6 GUI界面設(shè)計(jì)

圖7 IIR低通濾波器的幅頻特性曲線(xiàn)

圖8 IIR低通濾波器的相頻特性曲線(xiàn)

圖9 IIR低通濾波器的輸入信號(hào)波形

圖10 IIR低通濾波器的輸出信號(hào)波形

由圖7可知，濾波器在小于2 000 Hz處的衰減小于3 dB，而大于3 000 Hz處的衰減大于15 dB，滿(mǎn)足濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)。從圖10看出，輸出信號(hào)只有一種以周期 0.001 s變化的波形，即保留低頻1 000 Hz的信號(hào)。圖中沒(méi)有周期0.000 5 s的信號(hào)，說(shuō)明濾波器濾除4 000 Hz的信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在弄清楚設(shè)計(jì)步驟及步驟中使用的 MATLAB函數(shù)之后，便可設(shè)計(jì)濾波器，并觀察輸入輸出信號(hào)頻率，驗(yàn)證濾波器的特性是否正確。

1.3 《通信原理》仿真實(shí)驗(yàn)示例

《通信原理》教學(xué)內(nèi)容主要包括模擬通信和數(shù)字通信的基本原理，信號(hào)調(diào)制、編碼和同步等技術(shù)。下面以數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)為例說(shuō)明。

基帶信號(hào)不經(jīng)過(guò)載波調(diào)制和解調(diào)過(guò)程，而直接進(jìn)行傳輸?shù)南到y(tǒng)即數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖11所示，數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)各個(gè)模塊的輸出信號(hào)波形如圖12所示，GUI界面設(shè)計(jì)如圖13所示。

圖11 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)

圖12 GUI界面設(shè)計(jì)

圖12 顯示的系統(tǒng)GUI界面設(shè)計(jì)包括5個(gè)部分：信號(hào)發(fā)射端、HDB3編碼器、升余弦滾降系統(tǒng)、抽樣判決器、接收端譯碼器[7]。通過(guò)在參數(shù)選擇區(qū)輸入比特流數(shù)N、抽樣點(diǎn)數(shù)n、傳輸速率Rb來(lái)控制數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的仿真。

圖13 數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)各個(gè)模塊的輸出信號(hào)波形

比較圖 12（a）欲傳送的 0、1比特流波形與圖12（e）譯碼恢復(fù)后的0、1比特流，發(fā)現(xiàn)兩者在波形、幅度、占空比方面幾乎一致，說(shuō)明數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)能夠正確實(shí)現(xiàn)傳輸功能。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生重點(diǎn)掌握數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)碼型變換模塊、升余弦滾降系統(tǒng)模塊、抽樣判決模塊的設(shè)計(jì)。

2 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用 MATLAB建立通信工程專(zhuān)業(yè)核心課程的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，只需要一臺(tái)安裝有MATLAB軟件的電腦即可完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件十分容易滿(mǎn)足?，F(xiàn)在絕大部分高校學(xué)生都有自己的電腦，學(xué)生可以利用課外時(shí)間進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，遇到困難時(shí)可以互相討論，或是尋求老師幫助，從而提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)掌握真正實(shí)用的專(zhuān)業(yè)知識(shí)技能。此外，MATLAB提供了強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)功能，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與深度開(kāi)發(fā)，有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[8]。

MATLAB在通信工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用除上述所舉示例之外，還可廣泛用于《高等數(shù)學(xué)》、《電子線(xiàn)路》、《自動(dòng)控制》等課程的教學(xué)實(shí)踐中[9]。教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、目標(biāo)和學(xué)時(shí)等條件，通過(guò)編程、建模并結(jié)合GUI設(shè)計(jì)出與理論緊密結(jié)合的仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。有效彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目偏少的不足。

[1] 邱銀安,楊偉豐,鄒豪杰,等.通信工程專(zhuān)業(yè)教學(xué)模式改革[J].湖南冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,9(02):25-26.

[2] 劉勇,岳冰,丁群,等.把通信工程專(zhuān)業(yè)實(shí)訓(xùn)實(shí)踐環(huán)節(jié)納入中心地位教學(xué)改革實(shí)踐[J].黑龍江教育,2008(12):56-57.

[3] 劉衛(wèi)國(guó).MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:高等出版社,2007:4-5.

[4] 郭健,張生.Matlab在Sa信號(hào)抽樣與重構(gòu)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2011,27(04):228-229.

[5] 柴曉東,袁曉.數(shù)字信號(hào)抽取與插值不同次序的頻域分析[J].通信技術(shù),2009,42(02):317-319.

[6] 張德豐.詳解 MATLAB數(shù)字信號(hào)處理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:196-214.

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