MATLAB在通信系統(tǒng)仿真教學(xué)中的應(yīng)用研究

任秋潔　呂治國

【摘 要】本文針對通信系統(tǒng)仿真課程的實際特點，研究了MATLAB仿真軟件在該課程中的應(yīng)用。通過實例介紹了MATLAB和Simulink仿真在通信系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用方法，并給出了仿真結(jié)果。實踐證明，將MATLAB和Simulink用于通信系統(tǒng)的仿真，可以將通信系統(tǒng)中的理論知識，用直觀的、可視化的形式反映出來，鍛煉了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，提高了學(xué)生的動手能力以及計算機編程應(yīng)用的能力，改進(jìn)了授課的效果，加深了學(xué)生對理論的理解程度。

【關(guān)鍵詞】通信系統(tǒng)仿真；MATLAB；Simulink

中圖分類號： TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0079-002

Research on Application of MATLAB in Teaching Communication System Simulation

REN Qiu-jie LV Zhi-guo

（Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang Henan 471000，China）

【Abstract】According to the actual characteristics of the communication system simulation course，the application of MATLAB simulation software has been studied.The application method of MATLAB and Simulink simulation in communication system simulation is introduced through examples，and the simulation results are given.Practice has proved that MATLAB and Simulink for the simulation of communication system can reflect the theoretical knowledge of communication system in the intuitive and visual form，train students' ability to analyze and solve problems， increase the students' practical ability and computer programming application ability，improve the teaching effect and deepen students understanding of the theory.

【Key words】Communication System Simulation；MATLAB；Simulink

0 引言

通信系統(tǒng)仿真課程是基于通信原理的理論知識，結(jié)合MATLAB仿真軟件開設(shè)的一門課程，是培養(yǎng)通信工程學(xué)科學(xué)生利用MATLAB對通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，增強對通信原理分析能力和實踐技能的專業(yè)課程。本文主要介紹了MATLAB軟件、列舉了采樣模型實例在通信系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用并給出MATLAB和Simulink的仿真結(jié)果，分析了MATLAB在教學(xué)中的應(yīng)用。實踐證明，將MATLAB和Simulink用于通信系統(tǒng)的仿真，可以將通信系統(tǒng)中的理論知識，用直觀的、可視化的形式反映出來，鍛煉了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，提高了學(xué)生的動手能力以及計算機編程應(yīng)用的能力，改進(jìn)了授課的效果，加深了學(xué)生對知識的理解，從而可以獲得比較好的教學(xué)效果[1]。

1 MATLAB簡介

MATLAB是由MathWorks公司推出的用于科學(xué)計算和工程仿真的軟件[2]。MATLAB是matrix和laboratory的組合，即矩陣實驗室，用于處理矩陣形式的數(shù)據(jù)。

MATLAB主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB將科學(xué)計算、結(jié)果可視化以及編程集中起來，提供大量內(nèi)置函數(shù)，具有數(shù)值分析、矩陣運算、圖形處理、仿真建模、系統(tǒng)控制和優(yōu)化等功能[3]。Simulink通過內(nèi)置的模塊，利用鼠標(biāo)拖放的方法建立系統(tǒng)模型的圖形界面，大大減少了編程的時間。Simulink使得系統(tǒng)的建模過程變得相對簡單直觀，有利于系統(tǒng)的擴充，用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果[4]。

2 通信系統(tǒng)仿真應(yīng)用

2.1 采樣模型

實際通信中的信號源大多都是模擬信號，即信號在時間和幅度上均連續(xù)，比如常見的話音信號、圖像信號等。要實現(xiàn)數(shù)字化傳輸，就需要將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，也就是我們通常說的模數(shù)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換包括三個部分：采樣、量化和編碼。采樣將時間連續(xù)、幅度連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化為時間離散、幅度連續(xù)的信號；量化將采樣信號轉(zhuǎn)化為幅度離散的信號；編碼將量化后的信號轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制或多進(jìn)制的碼元進(jìn)行傳輸。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換的第一步采樣是非常關(guān)鍵的。采樣需要保證原始信息不丟失，即采樣速率達(dá)到某一個值時就能無失真地恢復(fù)出原始信號，由此引出采樣定理。

采樣的過程是將模擬信號x（t）與一個周期性的脈沖信號？啄（t-nT）相乘，采樣后得到的信號稱為采樣信號xs（t），則有采樣信號

其中周期脈沖信號的周期為Ts，對采樣信號做傅里葉變換，則有

由（1）和（2）可以看出，如果連續(xù)信號的最高頻率為fc，當(dāng)采樣頻率fs？叟2fc時，離散頻譜不會產(chǎn)生重疊。這就是采樣定理，也稱為奈奎斯特采樣定理。其中fs？叟2fc稱為奈奎斯特采樣頻率，最大允許采樣間隔Ts=1/fs稱為奈奎斯特采樣間隔。endprint

2.2 MATLAB仿真

在MATLAB中可以對采樣信號進(jìn)行模擬。在MATLAB的Command Window中輸入下列語句，可以得到正弦函數(shù)的采樣信號。

t=linspace（0，2*pi，100）；

x=sin（t）；

stem（t，x）

仿真結(jié)果如圖1所示，仿真中利用盡可能多的點來模擬連續(xù)信號。

MATLAB中的一個重要功能是help功能，調(diào)用形式為help函數(shù)名。通過help功能，可以看到所要查詢函數(shù)的調(diào)用方法。上述程序中，我們用到了linspace這個函數(shù)，可以調(diào)用help linspace，看到該函數(shù)的調(diào)用方法，結(jié)果如下所示。此外，通過help功能可以方便學(xué)生進(jìn)行自學(xué)。

help linspace

linspace Linearly spaced vector.

linspace（X1，X2） generates a row vector of 100 linearly equally spaced points between X1 and X2.

linspace（X1，X2，N） generates N points between X1 and X2.For N=1，linspace returns X2.

2.3 Simulink仿真

Simulink是MATLAB中通過模塊之間連接，搭建系統(tǒng)模型，從而進(jìn)行仿真的工具。

采用Simulink進(jìn)行通信建模仿真的基本步驟如下[5]：

1）新建一個空白的Simulink編輯窗口；

2）在Blockset中挑選所要使用的模塊，拖放到Simulink編輯窗口中，并對各個模塊中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

3）將模塊與模塊進(jìn)行連線，具體的連線方法是：從上一模塊的連接點按住鼠標(biāo)左鍵不放，拖到下一模塊的連接點進(jìn)行釋放，連接的箭頭會自動生成。

4）設(shè)置仿真參數(shù)；

5）進(jìn)行仿真，并觀測仿真結(jié)果。

圖3為Simulink中采樣過程的仿真結(jié)果。從上到下依次為原始正弦信號波形，采樣后信號波形、恢復(fù)的信號波形以及采樣信號?？梢灾庇^的看出采樣的過程。

仿真中所用正弦波信號的頻率為10rad/sec，幅度為1，脈沖發(fā)生器的周期為1/30秒，幅度為1，脈沖寬度為脈沖周期的10%，濾波器為8階的butterworth濾波器，通帶頻率為24？仔 rad/sec。

3 MATLAB教學(xué)應(yīng)用

3.1 教學(xué)方式

通信系統(tǒng)仿真是通信工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)課，是一門將理論與實際相結(jié)合的課程，理論內(nèi)容涉及到通信原理的許多知識，通信原理所涉及的內(nèi)容相對來說比較抽象，不利于學(xué)生進(jìn)行深入理解。如果在課堂上使用MATLAB仿真軟件，將直觀的圖形展示給學(xué)生，就會使學(xué)習(xí)效果大大提升，從而加深了學(xué)生對于通信系統(tǒng)理論的理解。

以采樣定理為例，在課堂上傳授理論知識的同時，用MATLAB將采樣定理用圖形進(jìn)行展示，學(xué)生通過圖形，可以直觀的看到原始信號的波形、所使用的脈沖信號的波形以及采樣信號的波形，并可以通過參數(shù)的設(shè)置，來改變仿真的結(jié)果，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

根據(jù)“通信系統(tǒng)仿真”課程的特點，可以從以下幾個方面將MATLAB仿真應(yīng)用于教學(xué)過程中：

1）可以將Simulink仿真與通信系統(tǒng)中的框圖結(jié)合。在教學(xué)過程中，選擇典型的框圖，通過演示的方法，在Simulink中搭建框圖模型，并且通過模塊中各個參數(shù)的設(shè)置，讓學(xué)生觀察參數(shù)的改變對仿真性能的影響，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生對理論知識的理解。

2）通信系統(tǒng)仿真的實驗課程教學(xué)中，在MATLAB仿真中通過系統(tǒng)搭建，參數(shù)設(shè)置，讓學(xué)生對所要做的實驗有一個更為深刻的印象，從而獲得較好的實驗效果。

3.2 教學(xué)效果

將MATLAB和Simulink仿真用于通信系統(tǒng)仿真的教學(xué)中，可以將抽象的通信原理知識，用直觀的、可視化的形式進(jìn)行展示，有助于學(xué)生進(jìn)行理解，鍛煉了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

將MATLAB仿真應(yīng)用于通信系統(tǒng)的理論教學(xué)中，與通信系統(tǒng)中的框圖相結(jié)合，可以加深學(xué)生對原理的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。

將MATLAB和Simulink仿真應(yīng)用于通信系統(tǒng)的實驗課教學(xué)中，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，使實驗課的內(nèi)容更加豐富，同時節(jié)約了實驗經(jīng)費[6]。

4 結(jié)論

將MATLAB和Simulink用于通信系統(tǒng)的仿真，可以將抽象的通信原理知識，用直觀的、可視化的形式進(jìn)行展示，有助于學(xué)生進(jìn)行理解，鍛煉了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，同時，通過熟悉掌握MATLAB的過程，也提高了學(xué)生的動手能力以及計算機編程應(yīng)用的能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳萍，董興華.將開源軟件引入通信原理實驗教學(xué)的探討[J].實驗室研究與探討，2009，28（4）：250-252.

[2]趙靜.基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：1-2.

[3]關(guān)學(xué)梅，陳純鎧.基于Matlab的通信原理實驗教學(xué)的研究[J].實驗技術(shù)與管理，2008，25（5），99-101.

[4]王海華.Matlab/Simulink仿真在“通信原理”教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報，2015，31（3）：67-70.

[5]李向莉.基于SIMULINK的通信原理可視化動態(tài)仿真[J]. 大眾科技，2008，104（4）：31-32.

[6]黨小宇，劉兆彤.Simulink在“通信原理”研究型教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2014，36（6）：118-120.endprint