MATLAB在通信原理教學(xué)中的應(yīng)用*

何國(guó)棟，謝小娟，馮友宏，楊凌云，王再見(jiàn)

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽蕪湖241000)

通信技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)高等學(xué)校通信專業(yè)的教學(xué)方法和培育模式提出了越來(lái)越高的要求。只有以創(chuàng)新的教學(xué)理念，卓越工程師的培養(yǎng)要求，理論結(jié)合實(shí)際的教學(xué)方法，才能培養(yǎng)出理論功底扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的創(chuàng)新型綜合素質(zhì)人才?！锻ㄐ旁怼纷鳛橥ㄐ艑I(yè)的核心專業(yè)課，直接影響學(xué)生的理論功底、專業(yè)素養(yǎng)和后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，因此提高該課程的教學(xué)方法具有重要的理論意義和實(shí)際意義。

本文介紹了MATLAB編程軟件，并將其應(yīng)用到通信原理的教學(xué)實(shí)踐中，能輕松闡述書中復(fù)雜的理論知識(shí)和工程知識(shí);介紹了工程中常用的眼圖知識(shí)，并通過(guò)MATLAB對(duì)其仿真分析，生動(dòng)形象地描述了眼圖的原理，理論與實(shí)踐相結(jié)合，獲得了較好的教學(xué)效果［1］。

1 MATLAB 介紹［2］

MATLAB是由美國(guó)The Mathworks公司推出的一款優(yōu)秀的數(shù)學(xué)軟件，其名字是Matrix Laboratory(矩陣實(shí)驗(yàn)室)這兩個(gè)單詞各取前3個(gè)字母的組合。MATLAB軟件界面友好，編程語(yǔ)言簡(jiǎn)潔易懂。最初MATLAB是數(shù)學(xué)上用來(lái)對(duì)矩陣進(jìn)行運(yùn)算的工具，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成最重要的科研工具之一，被廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)建模、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析、信號(hào)處理、圖像處理、金融分析等領(lǐng)域。它還有一個(gè)配套的Simulink可視化圖形開(kāi)發(fā)平臺(tái)，常用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)建模仿真、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等。

2 眼圖

在實(shí)際的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)中，由于受到碼間串?dāng)_和噪聲的影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想的傳輸特性，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。在實(shí)際工程中，由于具體的理論數(shù)值分析較復(fù)雜，為快速簡(jiǎn)便評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能，在接收端通常使用眼圖來(lái)定性的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

所謂眼圖，是指通過(guò)用示波器觀察接收端的基帶信號(hào)波形，從而估計(jì)和調(diào)整系統(tǒng)性能的一種方法［3］。將接收的信號(hào)接在示波器上，示波器的掃描周期設(shè)置為碼元的周期，由于示波器的顯示器的余輝作用，掃描所得到的每個(gè)周期的波形疊加到一起，形成了一種特殊的波形，當(dāng)數(shù)字信號(hào)為二進(jìn)制時(shí)，示波器觀測(cè)的波形很像一個(gè)眼睛，故取名為“眼圖”。

圖1 眼圖模型分析

圖1所示是眼圖的分析模型圖，從圖中可以獲得以下信息:

1)最佳抽樣時(shí)刻:圖中眼睛張開(kāi)最大的時(shí)刻;

2)定時(shí)誤差靈敏度:眼圖斜邊的斜率，斜率越大，對(duì)定時(shí)越敏感;

3)抽樣失真:陰影區(qū)的垂直高度表示信號(hào)受噪聲的干擾程度，也即噪聲的變換范圍;

4)判決門限電平:提供了最優(yōu)的判決門限電平值;

5)噪聲容限:數(shù)字系統(tǒng)抗噪聲的最大幅度，若噪聲超過(guò)這個(gè)容限，系統(tǒng)誤判概率較大;

6)過(guò)零點(diǎn)失真:系統(tǒng)零點(diǎn)值的變化范圍，此值越大，不利于系統(tǒng)定時(shí)信息的提取。

3 仿真分析

眼圖是工程應(yīng)用中一種重要的系統(tǒng)性能分析方法，但教學(xué)中理論講授不利于學(xué)生掌握眼圖的分析方法，為了提高教學(xué)效果，便于學(xué)生掌握，可以應(yīng)用相關(guān)仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，直觀描述眼圖原理。常用的仿真工具有:MATLAB、Systemview、Multisim等，但后幾種軟件噪聲的產(chǎn)生較復(fù)雜，而MATLAB提供了豐富的噪聲函數(shù)供通信仿真使用，只需一句函數(shù)命令即可實(shí)現(xiàn)噪聲。下面應(yīng)用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)眼圖的仿真分析。

MATLAB眼圖仿真分析主要過(guò)程如下:

1)隨機(jī)生成離散數(shù)字信號(hào);

2)為了提高抗碼間串?dāng)_，應(yīng)用升余弦脈沖成形將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，升余弦脈沖公式為:

3)設(shè)置接收信號(hào)示波器掃描時(shí)間，即MATLAB圖像顯示窗口，顯示無(wú)碼間串?dāng)_信號(hào)眼圖;

4)加入適量的加性高斯白噪聲，并設(shè)置接收信號(hào)示波器掃描時(shí)間，顯示含噪信號(hào)眼圖。

程序運(yùn)行結(jié)果如圖2～5所示。為更好地模擬實(shí)際的系統(tǒng)，仿真采用隨機(jī)函數(shù)生成隨機(jī)信號(hào)，圖2為產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)。為便于教學(xué)理解，給出了升余弦脈沖信號(hào)波形，如圖3所示。圖4為無(wú)噪聲理想信號(hào)眼圖，從圖中可以看到一個(gè)張開(kāi)很大的“眼睛”，由于沒(méi)有噪聲和碼間串?dāng)_，眼圖非常干凈，系統(tǒng)性能好。圖5為含噪聲信號(hào)眼圖，從圖中可以看到圖1眼圖模型的效果，可以對(duì)照分析系統(tǒng)的性能，例如+1和－1表示二進(jìn)制等概率數(shù)字信號(hào)，最優(yōu)的判決門限電平為0 V。

圖2 隨機(jī)數(shù)字信號(hào)

圖3 升余弦脈沖成形信號(hào)

圖4 無(wú)噪聲理想信號(hào)眼圖

圖5 含噪聲信號(hào)眼圖

4 結(jié)論

MATLAB是一款優(yōu)秀的編程軟件，語(yǔ)法簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，可以將其應(yīng)用到通信原理課程的教學(xué)中，達(dá)到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。對(duì)工程中常用的眼圖進(jìn)行仿真分析，將復(fù)雜抽象的理論知識(shí)通過(guò)圖形直觀描述，理論結(jié)合實(shí)際，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在實(shí)際教學(xué)中獲得了較好的效果。

［1］羅萬(wàn)團(tuán).基于MATLAB的通信原理課程的教學(xué)研究［J］.科教導(dǎo)刊，2013(13):104 －105.

［2］劉敏，魏玲.MATLAB通信仿真與應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［3］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2012.