基于MATLAB的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

趙新穎，張衛(wèi)民

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，鄭州 451460）

基于MATLAB的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

趙新穎，張衛(wèi)民

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，鄭州 451460）

針對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)所帶來的缺陷，提出了在通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用MATLAB仿真軟件的方法。通過數(shù)字頻帶調(diào)制實(shí)驗(yàn)的實(shí)例說明基于MATLAB仿真通信原理實(shí)驗(yàn)不僅能使學(xué)生將所學(xué)的理論知識融會(huì)貫通，而且能更好地激發(fā)學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)興趣，提高其綜合分析和解決問題的能力。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；仿真實(shí)驗(yàn)；MATLAB；通信原理

0 引言

通信原理作為電子信息工程、通信工程等信息類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，對后期專業(yè)課學(xué)習(xí)起著非常重要的作用。通信原理課理論性較強(qiáng)、概念抽象，且原理枯燥，雖然這門課程在教學(xué)過程中設(shè)計(jì)了一些實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，且有成熟的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但這些實(shí)驗(yàn)都是驗(yàn)證性的，只要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上給出的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行連線、調(diào)試，最后觀察得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果即可，這種機(jī)械性的實(shí)驗(yàn)不能使學(xué)生將實(shí)驗(yàn)與課堂上所學(xué)的理論知識很好地聯(lián)系起來，只是驗(yàn)證一下實(shí)驗(yàn)結(jié)果和書本上所說的理論是否一致，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往受實(shí)驗(yàn)箱元器件老化、穩(wěn)定性等因素影響，有時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不盡人意。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，為了培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、綜合分析和設(shè)計(jì)能力，消除實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)所帶來的弊端，本文借助于MATLAB語言及其提供的工具箱，對通信原理課程中的一些重要知識點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真，并通過數(shù)字頻帶調(diào)制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了舉例[1]。

MATLAB在系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號處理、圖形圖像分析、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、通信等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用[2]。對于MATLAB中的Simulink框圖仿真工具箱，用戶只要熟悉其中每個(gè)模塊的輸入、輸出等功能，不必知道模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就能根據(jù)設(shè)計(jì)及使用要求，利用Simulink對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析，因此使用起來相對簡單，有必要使其成為教師教學(xué)的輔助工具和學(xué)生學(xué)習(xí)掌握的基本工具[3]。

1 數(shù)字頻帶原理

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，數(shù)字頻帶調(diào)制技術(shù)在電視、手機(jī)多個(gè)與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字頻帶調(diào)制內(nèi)容對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)起著舉足輕重的作用。要想使學(xué)生掌握數(shù)字頻帶調(diào)制內(nèi)容，僅僅靠課堂理論教學(xué)的手段還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，筆者利用MATLAB仿真軟件中的Simulink框圖工具箱對數(shù)字頻帶調(diào)制內(nèi)容進(jìn)行了仿真教學(xué)。這樣不僅能讓學(xué)生將以前學(xué)過的電子技術(shù)等相關(guān)知識進(jìn)行應(yīng)用和貫通，還能使他們掌握一門學(xué)習(xí)工具。仿真教學(xué)能使學(xué)生在思考、分析及理論聯(lián)系實(shí)際后，掌握所學(xué)知識的基本概念、基本理論和基本方法，并培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的綜合分析和設(shè)計(jì)能力。

數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制類似，有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種基本調(diào)制方式。由于數(shù)字調(diào)制是用載波信號的某些離散狀態(tài)來表征所傳送的數(shù)字信息，數(shù)字調(diào)制也被稱為鍵控信號。相應(yīng)的三種基本調(diào)制形式又分別稱為幅度鍵控ASK、頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK，其中相移鍵控PSK又分為絕對相移鍵控和相對相移鍵控兩種[4]。這里以二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制為例。

設(shè)二元離散信源發(fā)出消息符號0、1的概率分別為P、（1-P），且0、1的出現(xiàn)彼此獨(dú)立（以下調(diào)制方式同，不再贅述）。根據(jù)幅度調(diào)制原理，一個(gè)二進(jìn)制的幅度鍵控信號S2ASK可以表示成一個(gè)單極性矩形脈沖序列與一個(gè)正弦載波的乘積[5]，即：

圖1為用相乘電路法實(shí)現(xiàn)2ASK信號的方框圖。

圖1 用相乘電路法實(shí)現(xiàn)2ASK信號方框圖

根據(jù)二進(jìn)制頻移鍵控2FSK信號產(chǎn)生的原理，可以寫出2FSK數(shù)學(xué)表達(dá)式：

以上兩種調(diào)制方式中，第n個(gè)信號碼元的初相位設(shè)為0，an為單極性非歸零碼，其中2FSK調(diào)制方式中的是an的反碼。

根據(jù)式（2）可以畫出用相乘電路實(shí)現(xiàn)2FSK信號的方框圖，如圖2所示。

圖2 用相乘法實(shí)現(xiàn)2FSK信號方框圖

根據(jù)二進(jìn)制絕對相移鍵控2PSK信號產(chǎn)生的原理，可以寫出2PSK的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

這里an為雙極性非歸零碼，即an的統(tǒng)計(jì)特性為：

以上三種調(diào)制方式中的g（t）均為脈寬為Ts的單個(gè)矩形脈沖。這樣可以得到2PSK信號在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)的統(tǒng)計(jì)表達(dá)式：

即發(fā)送二進(jìn)制符號0（an=-1）時(shí)，S2PSK（t）取π相位；發(fā)送二進(jìn)制符號1（an=+1）時(shí)，S2PSK（t）取0相位。其信息與相位之間的關(guān)系可表示為：

其中，將單極性不歸零脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極性不歸零脈沖信號的方法為：

用相乘電路法實(shí)現(xiàn)2PSK信號的方框圖見圖3。

圖3 用相乘法實(shí)現(xiàn)2PSK信號方框圖

因絕對相移鍵控調(diào)制方式中存在“相位模糊”或“倒π”現(xiàn)象，使其在實(shí)際通信系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制，由此相對（或差分）移相（2DPSK）方式得到普遍應(yīng)用。

2DPSK方式是利用前后相鄰兩個(gè)碼元的載波相位的變化，來表示所傳送的數(shù)字信息的一種調(diào)制方式[6]。設(shè)△φ為本碼元的初始相位與前一碼元的初始相位之差，則2DPSK的調(diào)制規(guī)則為：

因此產(chǎn)生2DPSK信號時(shí)，需先將原數(shù)字信息序列（稱為絕對碼）{an}演變?yōu)橄鄬Υa{bn}后，再按絕對移相調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制。相對碼bn的產(chǎn)生方法為：

由此可畫出2DPSK信號用相乘電路法實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方框圖，如圖4所示。

圖4 用相乘法實(shí)現(xiàn)2DPSK信號方框圖

2 用Simulink仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制的仿真

根據(jù)二進(jìn)制數(shù)字信號調(diào)制原理，選用Simulink中相應(yīng)模塊，進(jìn)行正確連線，結(jié)合仿真波形，將課堂上的理論知識通過實(shí)踐達(dá)到融會(huì)貫通、靈活掌握的目的。根據(jù)2ASK信號的調(diào)制原理圖，選用Simulink仿真平臺(tái)中的信源和二進(jìn)制模塊，分別送到乘法器的兩個(gè)輸入端，將其結(jié)果送至示波器進(jìn)行觀察。圖5（a）為2ASK信號的調(diào)制仿真圖，圖5（b）為2ASK仿真波形圖。2ASK信號的調(diào)制是比較簡單的，它是其他數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)。

圖5 2ASK信號調(diào)制仿真圖及仿真波形圖

2FSK可以看成是由兩個(gè)2ASK信號調(diào)制原理圖組成，選用兩個(gè)正弦波信號源，一個(gè)二進(jìn)制模塊和一個(gè)反向器，將兩個(gè)2ASK的調(diào)制結(jié)果經(jīng)過一個(gè)加法器進(jìn)行運(yùn)算輸出即為2FSK信號。圖6（a）為2FSK信號的調(diào)制仿真圖，圖6（b）為2FSK仿真波形圖。

在實(shí)現(xiàn)對2PSK信號調(diào)制時(shí)，首先要對二進(jìn)制模塊輸出的二進(jìn)制信息進(jìn)行碼型變換，然后用乘法器將其和模擬信號進(jìn)行運(yùn)算，將輸出波形送至示波器進(jìn)行顯示。圖7（a）為2PSK信號的調(diào)制仿真圖，圖7（b）為2PSK仿真波形圖。

2DPSK調(diào)制是二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中最復(fù)雜的一個(gè)，在實(shí)現(xiàn)電路中涉及反饋結(jié)構(gòu)，且用到的運(yùn)算單元是最多的，也是最能體現(xiàn)學(xué)生分析問題和解決問題能力的一種調(diào)制方式。在實(shí)現(xiàn)2DPSK調(diào)制時(shí)，需將二進(jìn)制信息從絕對碼轉(zhuǎn)換為相對碼，然后將其從單極性碼轉(zhuǎn)換為雙極性碼，再送至乘法器輸入端和正弦波信號進(jìn)行相乘得到想要的結(jié)果。具體仿真過程如圖8（a）所示，圖8（b）為2DPSK仿真波形圖。

圖6 2FSK信號調(diào)制仿真圖及仿真波形圖

圖7 2PSK信號的調(diào)制及仿真波形

為了能夠進(jìn)行正確的仿真，必須對相應(yīng)模塊進(jìn)行正確的參數(shù)設(shè)置。這就需要學(xué)生多思考、多練習(xí)。

3 結(jié)束語

圖8 2DPSK信號調(diào)制仿真圖及仿真波形圖

通過二進(jìn)制數(shù)字頻帶調(diào)制虛擬實(shí)驗(yàn)可以看出，復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn)都可以分解為幾個(gè)簡單的模塊來完成。這就為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了思路——將復(fù)雜問題簡單化。通過反復(fù)實(shí)踐，結(jié)果證明此方法不但有助于學(xué)生很好地鞏固、理解和掌握課堂上所學(xué)的通信原理理論知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)其綜合能力和創(chuàng)新能力，更重要的是培養(yǎng)了他們分析問題、解決問題的能力，還能在實(shí)踐中熟悉和掌握MATLAB語言及其工具箱的使用，為后期的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］席在芳，歐青立，曾照福，等.信息論與編碼實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27（2）：99-101.

［2］張志涌.精通MATLAB6.5版［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［3］李賀冰.Simulink通信仿真教程［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［4］樊昌信.通信原理（第5版）［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2001.

［5］曹志剛，錢亞生.現(xiàn)代通信原理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1992.

［6］張輝，曹麗娜.現(xiàn)代通信原理與技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002：210-215.

The Exploration and Practice of the Experiment Teaching on Communication Theory Based on MATLAB

ZHAO Xin-ying,ZHANG Wei-min

（The Department of Electronic Engineering,Zhengzhou Railway Vocational&Technical College,Zhengzhou 451460,China）

For the defects that the traditional experiment teaching brings,a simulation method in MATLAB software is put forward to realize communication theory in experiment teaching.Through simulation experiment for communication principle based on MATLAB,students not only can gain theory knowledge and make full use of it,but also the interest of student for learning the theory knowledge can be inspired effectively and the ability for comprehensive analysis and solving problem can be enhanced.

experiment teaching;simulation experiment; MATLAB;Communication Fundamentals

G712

A

1673-2022（2017）01-0045-03

2016－11－21

趙新穎（1978-），女，河北棗強(qiáng)人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)殡娮优c通信；張衛(wèi)民（1982-），男，河南開封人，助教，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮优c通信。