Matlab仿真在通信原理教學中的實踐應(yīng)用研究

張福鼎　郭云均　艾小倩　丁吉

摘 要 在通信原理課程教學過程中，結(jié)合Matlab可視化虛擬仿真優(yōu)勢，進行實際應(yīng)用案例設(shè)計分析。實踐證明，Matlab可使抽象原理形象化，增強學生感性認識，加深鞏固理論知識理解，并激發(fā)學生學習積極性，培養(yǎng)了分析解決實際問題能力，提高了教學質(zhì)量及教學效果。

關(guān)鍵詞 通信原理 Matlab 虛擬仿真 可視化演示系統(tǒng)

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.04.010

Research on the Application of Matlab Visualization and Virtual Simulation in the Educational Practice of Communication Principle

ZHANG Fuding， GUO Yunjun， AI Xiaoqian， DING Ji

（School of Physics and Electronic Engineering， Jiangsu Second Normal University， Nanjing， Jiangsu 210013）

Abstract Taken advantages of visualization of Matlab virtual simulation， the course of communication principle was constructed with design and analysis of actual applications. And it achieved that the abstract principle could be visualized， theoretical knowledge could be consolidated and enhanced with learning enthusiasm stimulated. Finally， the ability to analyze and solve practical problems is developed with improved teaching quality and teaching effect.

Keywords communication principle； Matlab； Virtual simulation； Visualization instruction

0 引言

通信原理作為本科高校工科課程體系中重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，詳細闡述了通信技術(shù)基本概念、原理、框架及分析方法，與先修課程聯(lián)系緊密，又為后續(xù)課程學習奠定基礎(chǔ)，亦是研究生入學考試必考科目。學好通信原理具有重要意義，但其理論性和實踐性均強，模型抽象，原理復(fù)雜，學生感到枯燥難懂，抓不住重點。[1]為了提高通信原理教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生分析解決問題的能力，需要在教學過程中引入Matlab進行虛擬仿真，并轉(zhuǎn)化教學模式，以學生探索為主，充分調(diào)動主觀能動性，建立主動學習模式，結(jié)合實踐應(yīng)用，讓學生不僅掌握原理方法，還能靈活運用。通過構(gòu)建模型、調(diào)整觀察系統(tǒng)性能，可提高教學直觀性及趣味性，實現(xiàn)“以探索為主”，可提高學生學習興趣，激發(fā)學習積極性和創(chuàng)造性，加深學生的理論知識理解程度，增強應(yīng)用能力，從而改善教學效果。提高教學效率，提升教學質(zhì)量，起到事半功倍的效果。

1 Matlab軟件及仿真應(yīng)用

Matlab是MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，功能強大、界面友好、語法簡潔，專業(yè)函數(shù)庫和工具箱可提高研究開發(fā)效率，應(yīng)用于工程計算、信號處理、檢測及通訊等領(lǐng)域，可用于通信理論研究、建模仿真、性能分析等方面，[2， 3]簡單直觀的系統(tǒng)建?？墒褂脩袅⒓纯吹椒抡娼Y(jié)果。Matlab在國內(nèi)外高校已得到重視和廣泛應(yīng)用，已成為必備基本技能之一，[4， 5]采用較少時間編寫相對質(zhì)量較高的程序，可將更多精力集中于研究解決問題本質(zhì)，在理論教學、實踐環(huán)節(jié)及前沿研究中發(fā)揮了重要作用。[6-9]

Matlab軟件主要特點有：（1）操作界面簡單，編程語言自然簡單，除錯方便，以復(fù)數(shù)與矩陣為計算單元，使用工作空間存儲程序過程變量，便于分析計算過程變化。（2）數(shù)據(jù)可視化、作圖等功能強大，可實現(xiàn)二維三維圖形繪制、動畫處理等操作。（3）開放性和擴展性，可對源文件二次開發(fā)，按需定制工具箱與文件。亦可通過MEX文件方式方便調(diào)用FORTRAN與C程序，將用戶文件作為庫函數(shù)來調(diào)用，提高使用效率。

同時，運用Matlab虛擬仿真進行實踐應(yīng)用教學，能充分利用院校現(xiàn)有機房資源，大大降低硬件投入，可實現(xiàn)內(nèi)容開放、方式靈活的實踐教學效果，根據(jù)課程內(nèi)容及學生反饋可靈活調(diào)整設(shè)計實踐內(nèi)容，無論是實驗驗證還是開發(fā)設(shè)計，都可以達到方式多樣，內(nèi)容豐富的目的。

2 Matlab仿真在通信原理教學中的實踐應(yīng)用

目前運用Matlab展開教學的步驟有：（1）講授公式應(yīng)用背景、變量物理意義，變換變量取值仿真演示，讓學生觀察變量變化帶來的實際影響，建立直觀印象。（2）學生構(gòu)建系統(tǒng)框架，根據(jù)基本原理確定系統(tǒng)功能、框圖模型及數(shù)學模型。編寫m文件實現(xiàn)仿真模型，并了解系統(tǒng)運行起止及中間流程。（3）調(diào)整運行時間、采樣率、信號頻率等參數(shù)，觀測動態(tài)仿真變化情況，分析不同信號頻譜、波形等圖形及數(shù)據(jù)。（4）學生歸納總結(jié)公式變量實際意義，參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響，并將編寫的程序自定義為子功能模塊，保存以便后續(xù)工程調(diào)用，訓(xùn)練學生進行理論與實踐、數(shù)學模型與實際工程相結(jié)合。

以幅度調(diào)制為例，學生先了解如圖 1所示的基本原理，再設(shè)計仿真系統(tǒng)，產(chǎn)生服從均勻分布隨機整數(shù)，時間間隔為，調(diào)制載波為，并繪制原始信號與已調(diào)信號頻譜，計算已調(diào)信號功率與調(diào)制效率。學生運用講授的m文件編寫、調(diào)試及運行方法，建立仿真模型：n=4，隨機數(shù)種子seed=123，=0.1s，持續(xù)時間=10s，產(chǎn)生=100個信號，調(diào)用randint函數(shù)生成信號序列。抽樣時間間隔ts=0.0025，抽樣頻率fs=1/ts，時間向量t=0：ts：10-ts，df=fs/length（t）得到fft的頻率分辨率，msg1=msg*ones（1，fs/10）擴展為取樣信號形式，msg2=reshape（msg1.'，1，length（t））；Pm=fft（msg2）/fs；求原始信號頻譜，f=-fs/2：df：fs/2-df； figure； plot（f，fftshift（abs（Pm）））繪制原始信號頻譜圖。a=100， b=4，Sam=（b+msg2）.*cos（2*pi*100*t）；生成已調(diào)信號，Pam=fft（Sam）/fs；求已調(diào)信號頻譜，figure； plot（f，fftshift（abs（Pam）））繪制已調(diào)信號頻譜圖。如圖 2所示，設(shè)置不同參數(shù)可觀測到不同狀態(tài)已調(diào)信號頻譜圖。通過Pc=sum（abs（Sam）.^2）/length（Sam）得到已調(diào)信號功率，Ps=Pc-A^2/2；得到原始信號功率，Ps/Pc計算調(diào)制效率。

如圖 3所示，采用Simulink來建立系統(tǒng)仿真模型，調(diào)用調(diào)幅模塊，隨機數(shù)產(chǎn)生器模塊產(chǎn)生消息信號，減法器模塊與常數(shù)模塊進行消息信號范圍轉(zhuǎn)換，量化器模塊將連續(xù)（下轉(zhuǎn)第39頁）（上接第21頁）信號轉(zhuǎn)換為離散信號，頻譜分析器觀測原始信號與已調(diào)信號頻譜，通過平方、均值、除法器模塊計算已調(diào)信號振幅平方、信號均值及調(diào)制效率，顯示模塊輸出原始信號與已調(diào)信號時域波形、已調(diào)信號中消息信號功率與調(diào)制效率。

3 結(jié)束語

在通信原理課程中采用Matlab仿真進行可視化教學，可加大課堂信息量，明顯提高教學效果，調(diào)動學生學習興趣，充分發(fā)揮學習主動性。自主建模使學生更好地建立直觀印象，加深理解，提升學習效率與思維分析能力，同時鍛煉培養(yǎng)學生解決實際問題的能力，提升探索研究能力。使得教學更加豐富生動，師生互動增強，改變通信原理難學的歷史，獨具特色地推進了通信原理課堂教學，對于學生走向工作崗位及研究進修打下良好基礎(chǔ)。

基金項目：江蘇第二師范學院教改課題立項重點項目（JSSNUJXGG2017ZD05）、江蘇第二師范學院引進人才科研啟動基金（915201）、江蘇省高校自然科學研究面上項目（16KJB510007）

參考文獻

[1] 樊昌信，曹麗娜.通信原理（第7版）[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[2] 徐金明.MATLAB實用教程[M].北京：北京交通大學出版社，2005.

[3] 鄭阿奇.MATLAB實用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[4] 邵玉斌.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5] 邵佳，董辰輝.MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6] 田瑩，盧金玉，劉宴濤.基于Matlab/Simulink的通信原理虛擬仿真實驗教學方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015.38（14）：28-31.

[7] 張福鼎.基于Matlab可視化的概率論與數(shù)理統(tǒng)計教學方式探討[J].江蘇第二師范學院學報，2016.32（12）：59-62.

[8] 黃琳，曹杉杉，熊旭輝.基于matlab的通信原理實驗課程設(shè)計[J].湖北師范大學學報（自然科學版），2017.37（3）：94-98.

[9] 鮑程紅.基于Simulink的通信原理仿真實驗研究[J].浙江萬里學院學報，2014.27（3）：107-111.