MATLAB仿真在通信原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

陳書文 王玉璽 周近 江蘇第二師范學(xué)院數(shù)學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院

在通信工程、電子信息工程等工科專業(yè)中，通信原理是非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也通常設(shè)置為研究生招生考試的專業(yè)課，其內(nèi)容主要分為模擬通信和數(shù)字通信兩大部分。在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中，本科生普遍反映學(xué)習(xí)該課程的困難是：對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，內(nèi)容缺乏直觀表現(xiàn)，公式推導(dǎo)復(fù)雜且難以理解等。這些問題嚴(yán)重影響了該課程的教學(xué)效果，即便在多媒體教學(xué)普及后，教師也只是把課本內(nèi)容硬搬到屏幕上，并沒有在本質(zhì)上解決學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象、理解困難等問題。所以，為了讓學(xué)生扎實(shí)地掌握通信的基礎(chǔ)理論與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，有必要提高該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 MATLAB虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境

MATLAB是美國(guó)的數(shù)學(xué)與系統(tǒng)仿真軟件，它具有數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、系統(tǒng)控制與優(yōu)化等基本功能。基于MATLAB的通信虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有三大優(yōu)勢(shì)：

（1）學(xué)生能夠自主編程，通過通信仿真實(shí)驗(yàn)加深對(duì)課堂所學(xué)的理論的理解；

（2）實(shí)驗(yàn)硬件只需要普通機(jī)房的PC機(jī)，學(xué)生也可在自己的電腦上安裝MATLAB軟件，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇自由，實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本相對(duì)較低；

（3）培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和理論研究的能力，在完成大綱規(guī)定的基礎(chǔ)上，學(xué)生可以做感興趣的拓展研究。

虛擬仿真平臺(tái)可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和器件偏少的不足，有利于提高課程教學(xué)質(zhì)量。本文選取模擬通信和數(shù)字通信各一例來說明MATLAB仿真的具體應(yīng)用。

2 MATLAB通信仿真實(shí)例

2.1 雙邊帶幅度調(diào)制（DSB）

（1）DSB調(diào)制的數(shù)學(xué)原理

再用低通濾波器（LPF）濾去高頻分量，就恢復(fù)出了原始信號(hào)。

（2）DSB調(diào)制的MATLAB仿真

圖1 DSB調(diào)信號(hào)的波形

圖2 輸出的解調(diào)信號(hào)與輸入信號(hào)波形對(duì)比

圖3 DSB調(diào)制信號(hào)的功率譜

圖1仿真結(jié)果顯示，DSB信號(hào)的包絡(luò)不再與基帶信號(hào) 的變化一致，因而不能采用包絡(luò)檢波的解調(diào)方式，需采用相干解調(diào)；圖2顯示了相干解調(diào)的效果，即濾除高頻分量后，解調(diào)結(jié)果與原始信號(hào)曲線吻合；圖3表示了DSB信號(hào)的頻譜由上、下兩個(gè)邊帶組成，且并無載頻分量。所以相比AM，DSB的調(diào)制效率提高到了100%，即發(fā)送功率全部用于信息的傳輸。從圖3也能看出，DSB調(diào)制占用的頻帶寬度與AM一樣，是原始信號(hào)的兩倍，成為DSB調(diào)制方式最大的缺點(diǎn)。如果學(xué)生有興趣觀察(3)式的中間結(jié)果 ，可以修改程序增加對(duì) 的輸出，如圖4所示。

圖4 相干解調(diào)的中間結(jié)果r(t)

2.2 二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）

（1）2ASK調(diào)制的數(shù)學(xué)原理

2ASK可看作由二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)經(jīng)過DSB調(diào)制的結(jié)果，也稱為通斷鍵控（OOK）。其表達(dá)式仍可使用(1)式，只是 變成了數(shù)字基帶信號(hào)

（2）2ASK調(diào)制的MATLAB仿真

圖5 NRZ基帶信號(hào)的波形（前20個(gè)碼元）

圖6 NRZ基帶信號(hào)的功率譜

仿真結(jié)果圖5顯示，NRZ單極性基帶信號(hào)的幅度取值為0V或1V，功率密度由交變波的連續(xù)譜與直流分量疊加組成，參見圖6。注意，圖6上的零頻點(diǎn)出現(xiàn)的一個(gè)沖擊即代表了基帶信號(hào)功率譜中的直流分量。

圖7 2

圖8 2ASK調(diào)制信號(hào)的功率譜

仿真結(jié)果圖7表示，NRZ數(shù)字信號(hào)經(jīng)調(diào)制后得到的2ASK信號(hào)。與圖5對(duì)比，只有出現(xiàn)碼元為“1”的時(shí)候，才能看見高頻載波。而2ASK信號(hào)本質(zhì)是數(shù)字基帶信號(hào)的DSB調(diào)制，所以其功率譜是把原基帶數(shù)字信號(hào)的功率譜左右搬移到中心頻率為 與 處，參見圖8。

DSB和2ASK兩種調(diào)制方式具有一定的相似性，不同處僅在于基帶信號(hào)。選取這兩例，旨在說明本課程的模擬調(diào)制與數(shù)字調(diào)制部分的前后聯(lián)系非常緊密。

3 結(jié)論

綜上所述，MATLAB仿真可以為通信原理課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)提供有力的支持，有效地解決了該課程教學(xué)內(nèi)容抽象、結(jié)論公式不易理解等問題。學(xué)生在掌握了MATLAB的基本語言后，可以自行決定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)知識(shí)的理解與把握，提高自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。