基于“通信原理教學(xué)仿真平臺(tái)”的課程設(shè)計(jì)

何英慶　黃旭方　張海龍　唐秋玲

摘要：針對(duì)《通信原理》課程面臨的困境，我們課題組開發(fā)了一套基于Matlab語言的“通信原理教學(xué)輔助軟件平臺(tái)”，該平臺(tái)集成課程知識(shí)要點(diǎn)，提供可視化圖形圖像，教師可通過演示來幫助講解，學(xué)生也易于理解，同時(shí)還可基于軟件平臺(tái)提供的Matlab開放代碼，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的自我學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力。文中以“DSB的調(diào)制和解調(diào)”知識(shí)點(diǎn)為例，基于軟件仿真平臺(tái)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。仿真過程中，按基帶調(diào)制信號(hào)的頻譜特性來設(shè)計(jì)接收端的低通濾波器，通過分析基帶信號(hào)和已調(diào)信號(hào)在有無噪聲下的時(shí)域和頻域特性，對(duì)通信系統(tǒng)的模擬調(diào)制過程有更好地理解。

關(guān)鍵詞：通信原理；調(diào)制解調(diào)；DSB；低通濾波器

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）26-0130-03

一、“通信原理教學(xué)輔助軟件平臺(tái)”介紹

《通信原理》課程理論·性強(qiáng)，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)多，比較抽象，側(cè)重于對(duì)實(shí)際通信系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的研究，而有關(guān)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容，一般只給出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的思路或框圖，很少介紹具體實(shí)現(xiàn)，與實(shí)際的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)距離大，從而增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。大部分學(xué)生在學(xué)完本課程之后，并不能對(duì)通信原理講授內(nèi)容做到深刻的理解，基本上是知其然，但是不知其所以然。這使得學(xué)生在將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐時(shí)產(chǎn)生較大困難，如在畢業(yè)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新型實(shí)踐中，學(xué)生經(jīng)常不知如何下手，一片茫然。雖然有相關(guān)的輔導(dǎo)資料可以查閱，但本科生的學(xué)習(xí)任務(wù)繁重，自學(xué)能力還較差，不能單靠學(xué)生努力來改變現(xiàn)狀。目前通信原理課程有配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，但是大部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還都是在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行的。一方面，實(shí)驗(yàn)室由于規(guī)模的限制，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的臺(tái)數(shù)不多，而招生規(guī)模卻在不斷擴(kuò)大，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課時(shí)相對(duì)有限，所以大部分學(xué)生不能得到充分的實(shí)踐練習(xí)和鍛煉；另一方面，實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)所支持的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大都是演示性質(zhì)的，并且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基本固定，學(xué)生只能得到對(duì)實(shí)際通信設(shè)備結(jié)構(gòu)、原理的淺顯認(rèn)識(shí)，而對(duì)通信系統(tǒng)背后的真正工作原理，以及各設(shè)備之間的相互關(guān)聯(lián)是片面和模糊的。

針對(duì)《通信原理》課程面臨的困境，我們課題組開發(fā)了一套基于Matlab語言的“通信原理教學(xué)仿真平臺(tái)”，同時(shí)編寫了“通信原理及仿真實(shí)現(xiàn)”教材。圖1是軟件平臺(tái)的主界面，圖2是該平臺(tái)集成的課程知識(shí)點(diǎn)，圖3是第五章內(nèi)容的主界面，本文的“DSB調(diào)制和解調(diào)過程分析”就是基于這部分提供的開放代碼進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)。

二、DSB調(diào)制解調(diào)仿真的基本原理

1.課程設(shè)計(jì)要求。設(shè)消息信號(hào)m（t）為：

m（t）=sinc（100t），|t|≤t■ 0 else

其中t■=0.1s。用這個(gè)消息來調(diào)制載波c（t）=cos（2πfct），f■=250，要求完成以下任務(wù)：

（1）寫出DSB-SC已調(diào)信號(hào)的表達(dá)式。

（2）畫出消息信號(hào)和已調(diào)信號(hào)的時(shí)域波形圖、頻譜圖。

（3）將已調(diào)信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，畫出恢復(fù)后消息信號(hào)的時(shí)域波形、頻譜。

（4）假設(shè)已調(diào)信號(hào)疊加的噪聲信號(hào)，SNR為10dB，進(jìn)行相干解調(diào)后，畫出恢復(fù)后消息信號(hào)的時(shí)域波形、頻譜，并將（3）和（4）進(jìn)行比較。

2.DSB調(diào)制解調(diào)原理。抑制載波的雙邊帶調(diào)制（DSB-SC），簡稱DSB，也稱線性調(diào)制是用原始信號(hào)去控制高頻載波的振幅，使其隨調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化的過程。它是在AM信號(hào)中將載波抑制，去掉直流分量，從而輸出抑制載波的雙邊帶信號(hào)[1]。其時(shí)域表達(dá)式為：s（t）=m（t）*cos（2πfct），m（t）是原始信號(hào)，f■是載波信號(hào)的頻率，與cos（2πfct）相乘得到已調(diào)信號(hào)。在頻域上，通過調(diào)制相當(dāng)于把基帶信號(hào)的頻譜搬移到載波中心頻率的附近，已調(diào)信號(hào)的頻譜可表示為SDSB（ω）=（1/2）·[M（ω+ω■）+M（ω-ω■）]。該已調(diào)信號(hào)經(jīng)過信道的傳輸，疊加噪聲，到達(dá)接收端經(jīng)過相干解調(diào)恢復(fù)出基帶信號(hào)，相干解調(diào)由乘法器和低通濾波器組成。在設(shè)計(jì)中，假設(shè)生成的本地載波與接收信號(hào)的載波同頻同相，低通濾波器濾的設(shè)計(jì)是課程設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

3.數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)。利用MATLAB進(jìn)行低通濾波器的設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵是確定基帶信號(hào)的通帶和阻帶截止頻率。在MATLAB中設(shè)計(jì)濾波器的方式有多種[3][4]，本文選擇巴特沃茲低通濾波器。主要用到以下幾個(gè)MATLAB內(nèi)部的函數(shù)：

[N，wc]=buttord（wp，ws，Rp，As）：其中wp，ws分別為通帶和阻帶的截止頻率，取值范圍為0～1，在調(diào)用時(shí)對(duì)二分之一采樣頻率進(jìn)行歸一化；Rp為通帶的紋波系數(shù)，表示通帶范圍內(nèi)信號(hào)的波動(dòng)幅度，As為阻帶的衰減系數(shù)，表示阻帶的衰減幅度；N為低通濾波器的階數(shù)，wc為低通濾波器的3dB截止頻率。

[B，A]=butter（N，wc）：該函數(shù)的作用是計(jì)算濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子分母多項(xiàng)式B和A。得到A和B的值后可以用freqz函數(shù)畫出低通濾波器的頻率響應(yīng)曲線，利用Y=filter（B，A，y）可以得到通過濾波器之后的信號(hào)Y，其中y是濾波前的信號(hào)。

三、仿真結(jié)果及部分代碼分析

按照課程設(shè)計(jì)要求，生成消息信號(hào)，其MATLAB仿真代碼如下：

T=0.2；Ts=0.001；N=T/Ts；t=[-N/2：N/2-1]*Ts；x=sinc（100/pi*t）；

調(diào)制過程：fc=250；y=x.*cos（2*pi*fc*t）；

基帶信號(hào)頻譜：fs=1/Ts；df=fs/N；f=[-N/2：N/2-1]*df；X=fftshift（fft（x））/N；

已調(diào)信號(hào)頻譜：Y=fftshift（fft（y））/N；仿真結(jié)果如圖4所示。

相干解調(diào)：YR=y.*cos（2*pi*fc*t）。

巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)：從圖4可見，基帶信號(hào)帶寬約為23Hz，因此設(shè)計(jì)低通濾波器時(shí)，通帶邊緣頻率取為30Hz，又知采樣頻率為1000Hz，則得到wp=30/500；阻帶邊緣頻率取為50Hz，則ws=50/500；Rp=1；As=25；[N_，wc]=buttord（wp，ws，Rp，As）；[B，A]=butter（N_，wc）；HY=filter（B，A，YR）；[H_Y，w]=freqz（B，A，512）。仿真結(jié)果如圖5所示，設(shè)計(jì)的低通濾波器有較好頻率響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了DSB的相干解調(diào)過程。圖6是通過信道傳輸疊加了噪聲之后的解調(diào)過程，可見當(dāng)信噪比為10dB時(shí)，恢復(fù)的信號(hào)已經(jīng)出現(xiàn)失真。

四、結(jié)束語

在通信原理教學(xué)過程中，利用MATLAB仿真軟件將抽象的知識(shí)點(diǎn)以圖形圖像方式展示，不僅有利于教師授課，更有利于幫助學(xué)生自我學(xué)習(xí)和動(dòng)手實(shí)踐，能夠有效避免理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)產(chǎn)生脫節(jié)，能幫助學(xué)生更好地理解和掌握理論知識(shí)，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文基于“通信原理教學(xué)輔助軟件平臺(tái)”，主要利用了軟件中“DSB模擬調(diào)制和解調(diào)”模塊的開放代碼，在MATLAB環(huán)境下模擬了雙邊帶幅度調(diào)制和解調(diào)的基本過程，并重點(diǎn)設(shè)計(jì)了低通濾波器，達(dá)到了課程設(shè)計(jì)的要求，雙邊帶幅度調(diào)制與解調(diào)（DSB）理解更加深刻。通過實(shí)踐表明，該“通信原理教學(xué)輔助軟件平臺(tái)”為通信原理的理論學(xué)習(xí)提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]樊昌信，曹麗娜，等.通信原理[M].第六版.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[2]彭紅平，楊福寶.基于Matlab的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2005，27（5）：275-278.

[3]何麗娜，葉聽，汪偉.數(shù)字濾波器（FIR）設(shè)計(jì)算法研究[J].電聲技術(shù)，2014，38（2）：67-70.

[4]朱靜，徐軍.用MATLAB對(duì)雙邊帶抑制載波調(diào)制解調(diào)器的仿真分析[J].湖南城建高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2002，11（4）：20-23.

[5]王智忠，幅度調(diào)制信號(hào)的特性分析及其MATLAB仿真研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，26（3）：48-51

[6]李紅.基于Matlab的線性模擬調(diào)制技術(shù)研究[J].科技廣場，2010，（7）：32-34.endprint