Matlab在現(xiàn)代通信原理課程中的應(yīng)用

夏江濤，孫冬嬌

（1.南京信息工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，江蘇南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，，江蘇南京 210044）

Matlab在現(xiàn)代通信原理課程中的應(yīng)用

夏江濤1，孫冬嬌2

（1.南京信息工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，江蘇南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，，江蘇南京 210044）

介紹了Matlab軟件的仿真功能在現(xiàn)代通信原理課程教學(xué)及實驗中的應(yīng)用。結(jié)合教學(xué)中的具體實例，再現(xiàn)通信系統(tǒng)的某些關(guān)鍵環(huán)節(jié)信號的波形和頻譜，論證了在現(xiàn)代通信原理課程教學(xué)中引入Matlab仿真軟件的必要性和可行性。實踐表明：基于Matlab的虛擬實驗教學(xué)平臺的建立和應(yīng)用，改革了現(xiàn)代通信原理課程實驗教學(xué)的形式和內(nèi)容，培養(yǎng)了學(xué)生的興趣和實踐能力，提高了課堂教學(xué)的效率。

Matlab；仿真軟件；通信原理；教學(xué)改革

現(xiàn)代通信原理是通信與電子信息類專業(yè)的一門重要課程，它綜合了電路、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)、高頻電子線路等基礎(chǔ)課以及高等數(shù)學(xué)、概率論等數(shù)學(xué)課程，具有一定的難度和深度，是基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課的過渡課程，在通信類、電子信息類專業(yè)中占有非常重要的地位。這門課程的理論性較強(qiáng)，實踐操作要求較高，可以說它是一門既有理論知識又有實踐技能的綜合性課程。

目前，多數(shù)高校的電信類專業(yè)都將“現(xiàn)代通信原理”作為碩士研究生入學(xué)考試、復(fù)試考試的科目，該課程的重要性不言而喻。因此，在該課程的教學(xué)過程中除了課堂上的理論講授、多媒體課件的演示外，實驗教學(xué)以及利用Matlab軟件完成仿真實驗也是十分重要的。教學(xué)方式的多樣性會激發(fā)學(xué)生對通信學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，使他們有足夠的自信和能力來適應(yīng)這一飛速發(fā)展的領(lǐng)域。仿真分析實驗輔助手段使學(xué)生能夠更快速、準(zhǔn)確地完成相關(guān)實驗內(nèi)容，得到實驗結(jié)果，提高了學(xué)習(xí)效率；仿真實驗取代物理實驗可以克服現(xiàn)有實驗條件的局限，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，有利于提高學(xué)生對實際問題的認(rèn)識深度和水平［1－2］。

1 教學(xué)中引入Matlab軟件的必要性

在現(xiàn)代通信原理課程的教學(xué)中，將Matlab［3－4］仿真軟件引入課堂，教師可以利用該軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，使課堂講授與仿真軟件相結(jié)合，達(dá)到更好的教學(xué)效果。對于一些較難講解的內(nèi)容、一些抽象的概念、難以觀察的某些現(xiàn)象及發(fā)展過程，利用Matlab的計算功能和圖形處理功能，可使其準(zhǔn)確、形象、直觀地表現(xiàn)出來，從而加深了學(xué)生對所學(xué)知識的理解，起到了事半功倍的教學(xué)效果［5－7］。

通過該仿真軟件還可以使學(xué)生在傳統(tǒng)實驗的基礎(chǔ)上完成仿真實驗，使傳統(tǒng)實驗與仿真實驗相結(jié)合。我們相繼用Matlab軟件設(shè)計出了十幾個仿真實驗，由于該實驗不受實驗設(shè)備、條件、時間和學(xué)時等限制，學(xué)生可以利用課余時間自主完成。同時，學(xué)生還可以進(jìn)行各種實驗方案的比較和優(yōu)化，極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，提高了學(xué)生對通信原理知識的掌握和計算機(jī)應(yīng)用能力。

在實驗平臺構(gòu)建中，采用了Matlab的GUI（圖形用戶界面設(shè)計技術(shù)）設(shè)計技術(shù)。Matlab中的圖形用戶界面對象基本分成2類：用戶界面控件對象和用戶界面選單（菜單）對象。應(yīng)用上述對象進(jìn)行周密的組織設(shè)計，就可以得到一個界面友好、人機(jī)交互方便、操作簡便、功能強(qiáng)大的圖形用戶界面。用戶用鼠標(biāo)在控件對象上進(jìn)行操作，使應(yīng)用程序做出響應(yīng)，并執(zhí)行某些預(yù)定的功能子程序。在控件對象屬性中，功能子程序?qū)傩允菆D形用戶界面設(shè)計中最重要的屬性，它是連接程序界面整個程序系統(tǒng)的功能［8－13］。

2 Matlab軟件在教學(xué)中的應(yīng)用舉例

2.1 SSB模擬調(diào)制系統(tǒng)的仿真實驗

以正弦波為載波的模擬調(diào)制系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的調(diào)制方式，其中包括AM調(diào)制、DSB調(diào)制、VSB調(diào)制、SSB調(diào)制等。這些內(nèi)容都是現(xiàn)代通信原理課程中重要的內(nèi)容，但是由于該部分內(nèi)容比較抽象，理解具有一定的難度，對于學(xué)生來說不易掌握，如果全部采用物理實驗來提高教學(xué)內(nèi)容的直觀性，由于時間和實驗資源的有限不太現(xiàn)實。因此，在教學(xué)過程中，考慮采用Matlab軟件的仿真技術(shù)實現(xiàn)此部分教學(xué)內(nèi)容的過程模擬，容易實現(xiàn)且實驗結(jié)果直觀、可靠。

例如，SSB模擬調(diào)制系統(tǒng)的仿真實驗的設(shè)計：假設(shè)要傳送的信號波形f（t）為sine wave，幅度為1V，角頻率為10rad/s；載波cos（ω0t＋θ0）為sine wave1，幅度為1V，角頻率為100rad/s，只要在Simulink環(huán)境中進(jìn)行可視化設(shè)計，建立單邊帶幅度調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，即可實現(xiàn)對它的動態(tài)仿真。本例采用上邊帶單邊帶信號，仿真原理框圖如圖1所示，具體由信號源模塊、調(diào)制和解調(diào)模塊、模擬示波器、濾波器等構(gòu)成。

圖1 SSB濾波法USB仿真原理框圖

經(jīng)Matlab程序運行后得到SSB信號仿真結(jié)果， 如圖2所示。

圖2 SSB濾波法USB仿真波形圖

其中圖2（b）由接收端的輸入濾波器的輸出得到。從波形圖可以看出，由于系統(tǒng)模型經(jīng)歷多個模塊，會造成一定的時延和信號衰減，因此解調(diào)后的信號波形不僅有相位的延遲，而且在幅度上也低于信源波形。該仿真結(jié)果符合實際系統(tǒng)的特征和現(xiàn)象，很方便地提供了SSB模擬調(diào)制系統(tǒng)的工作原理和工作現(xiàn)象，有利于學(xué)生理解和掌握。

2.2 PCM編碼與解碼仿真實驗

基于Simulink構(gòu)建了PCM編碼與解碼仿真實驗?zāi)Ｐ?，并進(jìn)行了動態(tài)仿真。假定傳輸?shù)氖钦Z音信號，采用Chrip函數(shù)所表示的線性調(diào)頻信號來替代語音信號，用矩形脈沖序列替代實際中不可實現(xiàn)的單位沖激函數(shù)，由Pulse Generator模塊產(chǎn)生。A率壓縮由A－law compressor模塊實現(xiàn)，用十三折曲線近似地表示A律曲線，以實現(xiàn)信號的非均勻量化過程。系統(tǒng)中的幾處關(guān)鍵信號由濾波器模塊顯示對比。本實驗的仿真原理如圖3所示。

圖3 PCM編碼與解碼仿真原理框圖

經(jīng)Matlab程序運行后得到PCM編碼與解碼仿真結(jié)果如圖4所示。圖4中的5個波形由上到下分別表示抽樣輸出、量化輸出、編碼輸出、解碼輸出以及原輸入信號。從圖4中可以看出：如果解碼器的輸出信號再經(jīng)過一級低通濾波器即可恢復(fù)原始的模擬信號，與原輸入信號基本一致。但是仍然可以看出波形中會存在一定的誤差，誤差產(chǎn)生原因與實際取樣脈沖的非理想化、插入噪聲、定時抖動失真等有關(guān)，這些問題客觀存在，但是從仿真實驗中仍然可以看出PCM編碼解碼技術(shù)對于模擬信號的傳輸是有效的。PCM編碼解碼的過程比較復(fù)雜，在課堂教學(xué)中引入Matlab的仿真過程，可以清楚地展示每一個模塊的功能及信號變化，有利于學(xué)生迅速理解相關(guān)的知識。

2.3 2PSK調(diào)制與解調(diào)仿真實驗

數(shù)字載波傳輸系統(tǒng)在實際中具有廣泛的應(yīng)用，常用的數(shù)字調(diào)制方式包括2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK等很多種。該部分內(nèi)容在現(xiàn)代通信原理課程中占有重要的地位，但是由于涉及的內(nèi)容較多且難以理解，學(xué)生普遍在學(xué)習(xí)中感到吃力，尤其在課堂學(xué)習(xí)中容易脫離實際而無法真正的理解掌握相關(guān)知識?；谶@些原因，在本課程的教學(xué)過程中，引入了Matlab的仿真技術(shù)，因此可以隨時隨地對各類調(diào)制解調(diào)方式進(jìn)行仿真模擬。通過仿真結(jié)果的直觀展示，有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。下面通過2PSK在Matlab Simulink環(huán)境中的仿真實驗來對2PSK的調(diào)制解調(diào)過程進(jìn)行模擬，以便更直觀地了解2PSK的工作原理。

圖4 PCM編碼與解碼仿真波形圖

在中高速數(shù)字通信系統(tǒng)中廣泛使用移相鍵控系統(tǒng)（PSK），這是由于PSK的抗噪聲性能優(yōu)于ASK和FSK，而且頻帶利用率較高。2PSK是移相鍵控的最簡單的一種形式，用2個初相相隔為180°的載波來傳遞二進(jìn)制信息，也稱為BPSK。2PSK信號調(diào)制和解調(diào)的Simulink模型如圖5所示，其中Sine Wave和Sine Wave1是反相載波，脈沖Pulse作為信號源。

經(jīng)Matlab程序運行后，2PSK信號調(diào)制與解調(diào)過程中各模塊輸出的仿真波形如圖6所示。

圖5 2PSK信號調(diào)制解調(diào)仿真原理框圖

圖6 2PSK信號調(diào)制解調(diào)仿真波形圖

圖6中的8個波形從上到下分別表示為反相載波Sine Wave、Sine Wave1、脈沖源信號、2PSK調(diào)制信號、相干解調(diào)乘法器輸出、低通濾波器輸出、符號函數(shù)sign模塊輸出和雙極單極變換器輸出。在本實驗的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)行誤碼率的統(tǒng)計檢測等深入實驗。通過利用Matlab進(jìn)行輔助教學(xué)，在課堂中可以很方便、直觀地展示系統(tǒng)工作的流程及各工作點的實時狀態(tài)，有利于學(xué)生更高效地理解教學(xué)內(nèi)容，掌握相關(guān)專業(yè)知識。

3 結(jié)論

在課堂教學(xué)中，由于理論講授和多媒體課件的演示只能從一個方面來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握該課程的基本知識，而實驗教學(xué)又要受到課時、地點和設(shè)備的限制。因此，利用計算機(jī)實現(xiàn)虛擬實驗室的設(shè)想就從另一個方面為教學(xué)提供了一個很好的平臺。它可以形象和直觀地顯示實驗過程中的各類圖形，不僅可以幫助學(xué)生理解和掌握已學(xué)的知識，而且還可以幫助學(xué)生加深和鞏固所做的實驗，不斷提高學(xué)生的動手能力，為學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計奠定一個良好的基礎(chǔ)。有的學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，利用Matlab軟件，并結(jié)合實際問題，開發(fā)和仿真了通信原理相關(guān)的題目，在畢業(yè)設(shè)計中取得較好的成績。由此可見，Matlab在通信原理教學(xué)中起到了十分重要的作用，產(chǎn)生了較好的教學(xué)效果。Matlab等工程類仿真分析軟件在專業(yè)課程分析與設(shè)計中所顯現(xiàn)出的優(yōu)越性日益顯著，在應(yīng)用計算機(jī)解決工程問題方面所起的作用不可忽視。為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐能力，使學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的過程中掌握現(xiàn)代化分析工具的應(yīng)用方法，有效地提高學(xué)生分析、解決問題的能力，有效結(jié)合計算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行專業(yè)教學(xué)是教學(xué)改革的必然發(fā)展趨勢之一。

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Application of Matlab in course of Modern Communication Theory

Xia Jiangtao1，Sun Dongjiao2
（1.School of Physics ＆Optoelectronic Engineering，Nanjing University of Information Science ＆Technology，Nanjing 210044，China；2.School of Electrocnic ＆Information Engineering，Nanjing University of Information Science ＆Technology，Nanjing 210044，China）

This paper introduces function of Matlab software and important simulation role in application of Modern Communication Theory course teaching.Combining the specific examples in teaching and reproducing some key links of communication systems in the signal waveform and frequency spectrum，this paper discusses the necessity and feasibility of application of Matlab in teaching of Modern Communication Theory course.The result shows that the establishment and application of virtual experiment platform based on Matlab software reform the Modern Communication Theory experimental teaching in the form and content and cultivate the students’interest and practical ability and improve the class teaching efficiency.

Matlab；simulation software；communication theory；teachingreform

G434

B

1002－4956（2014）1－0110－04

2013－05－12

2010年南京信息工程大學(xué)教改項目（10JY014）；南京信息工程大學(xué)實驗室開放項目（N1081005019）

夏江濤（1979—），男，河南南陽，博士，講師，主要從事光電系統(tǒng)及信號處理技術(shù)研究.

E－mail：jtxia＠163.com