基于Matlab的通信原理仿真實(shí)驗(yàn)研究

袁敏

摘要：通信原理是目前理工類高校中較為重要的基礎(chǔ)課程，通信原理的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)往往以實(shí)驗(yàn)箱為主，但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)該設(shè)備存在不足。因此，設(shè)計(jì)基于Matlab的通信原理仿真實(shí)驗(yàn)方法。根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果，設(shè)計(jì)信號(hào)計(jì)算軟件，使用Matlab軟件中的DSB模塊作為仿真實(shí)驗(yàn)中的幅度調(diào)制部分，可以將數(shù)據(jù)傳輸至信息載體，便于后期傳輸與調(diào)制。通過AM、DSB設(shè)計(jì)，完成本文研究。構(gòu)建實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用測(cè)試平臺(tái)，通過對(duì)比可知此方法使用效果為多種實(shí)驗(yàn)方法中的最優(yōu)測(cè)試結(jié)果。由此可知，此方法的使用效果較佳。

關(guān)鍵詞：Matlab軟件;通信原理;數(shù)字信號(hào)

中圖分類號(hào)：TN911-4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）06-0238-02

以往的通信原理課程實(shí)驗(yàn)多以實(shí)驗(yàn)箱為主，實(shí)驗(yàn)箱由廠家提供，為通信原理課程實(shí)驗(yàn)提供驗(yàn)證性設(shè)備，雖然在一定程度上幫助了學(xué)生領(lǐng)會(huì)課程知識(shí)，但隨著課程的改革與發(fā)展，實(shí)驗(yàn)箱的弊端也逐漸顯露出來，實(shí)驗(yàn)箱動(dòng)手操作范圍受限，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性不夠理想，實(shí)驗(yàn)精度較低，因此Matlab技術(shù)被提出，并應(yīng)用于通信原理課程仿真實(shí)驗(yàn)中。在科學(xué)計(jì)算語言使用范圍最為廣泛的就是Matlab，其具有可進(jìn)行數(shù)值模擬、圖形繪制與處理、系統(tǒng)可視化處理以及編程的能力。對(duì)于通信原理教學(xué)，可使用常用模型與組件功能在Matlab尋找到對(duì)應(yīng)的函數(shù)并編寫新的函數(shù)，高校學(xué)生可根據(jù)自己的需求與學(xué)習(xí)狀態(tài)去實(shí)現(xiàn)需要的實(shí)驗(yàn)組件和流程，也可以利用Matlab自帶的程序與模型，通過圖像處理的形式將數(shù)據(jù)可視化，將理論通過圖像的方式直觀地表示出來，加深學(xué)生對(duì)通信概念的理解[1-3]?；谏鲜鯩atlab的使用特性，在此次研究中探索基于Matlab的通信原理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)思路，形成合理可行的技術(shù)方案[4-6]。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展與高校多媒體環(huán)境的不斷完善，學(xué)生們對(duì)于計(jì)算機(jī)的研究不斷深入，為Matlab的推廣使用提供了基礎(chǔ)條件，在此次研究中將主要對(duì)其使用效果展開研究，提升學(xué)生對(duì)于通信原理的學(xué)習(xí)效果。

1 基于Matlab的通信原理仿真實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

在此次仿真實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)前，首先對(duì)傳統(tǒng)的通信原理仿真實(shí)驗(yàn)方法使用情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法對(duì)于通信信號(hào)的模擬效果較差，直接影響了通信原理仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，因此，在此次研究中主要對(duì)此部分展開優(yōu)化，具體優(yōu)化過程如下。

1.1 AM標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅設(shè)計(jì)

在此次研究中使用Matlab軟件作為仿真實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，在此軟件中具有AM模塊，AM模塊可對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，將信號(hào)經(jīng)過疊加電流，再經(jīng)過載波處理，使輸出的信號(hào)變?yōu)槌Ｒ?guī)雙邊帶調(diào)幅信號(hào)，即AM信號(hào)，AM信號(hào)調(diào)制模型如圖1所示。

AM信號(hào)波形與輸入基帶信號(hào)的波形是成正比關(guān)系的，因此使用包絡(luò)檢波方法可有效恢復(fù)原始調(diào)制信號(hào)。AM信號(hào)的上邊帶和下邊帶都攜帶了原始調(diào)制信號(hào)的全部信息，因此可以將AM信號(hào)看作帶有載波的雙邊帶信號(hào)，AM信號(hào)帶寬是原始信號(hào)帶寬的兩倍[7-9]。

1.2 DSB雙邊帶抑制載波調(diào)制

DSB信號(hào)是指在信號(hào)幅度調(diào)制中，將濾波器設(shè)置為全通網(wǎng)絡(luò)，調(diào)制信號(hào)則設(shè)置為無直流分量，如此調(diào)制后輸出的信號(hào)即為無載波分量的雙邊帶抑制調(diào)制信號(hào)，即DSB信號(hào)。在此處與AM調(diào)制有所不同，不能使用包絡(luò)檢波方法，是因?yàn)镈SB信號(hào)的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)的波動(dòng)不是成正比關(guān)系，應(yīng)選取相干解調(diào)的方法使DSB信號(hào)與AM信號(hào)相一致，調(diào)制后的DSB信號(hào)與AM信號(hào)相同，均為雙邊帶信號(hào)[10]。DSB信號(hào)抑制了載波分量，使得功率利用率有顯著提高。

將上述設(shè)定部分有序融合，并將其應(yīng)用到原有的通信原理仿真實(shí)驗(yàn)方法中，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有方法使用不足的優(yōu)化過程。至此，基于Matlab的通信原理仿真實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)完成。

2 方法應(yīng)用測(cè)試

2.1 測(cè)試環(huán)境設(shè)定

在上文中完成了基于Matlab的通信原理仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)部分，為對(duì)其使用效果進(jìn)行全面的分析，構(gòu)建應(yīng)用測(cè)試環(huán)境對(duì)其展開研究。在此次測(cè)試中，需要將多種仿真實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用于同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，搭建成完整的通信原理仿真實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)中多個(gè)組件的性能，并檢測(cè)每一個(gè)單個(gè)組件和平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，確定組件之間的參數(shù)是否可以正常的傳輸與調(diào)用，設(shè)定測(cè)試參數(shù)后測(cè)試平臺(tái)是否可以做出及時(shí)的響應(yīng)。在測(cè)試結(jié)束后確定測(cè)試結(jié)果的正確性，測(cè)試流程符合測(cè)試操作標(biāo)準(zhǔn)以及用戶的需求。因此，在此次測(cè)試中，首先對(duì)測(cè)試平臺(tái)中的單個(gè)模塊性能進(jìn)行測(cè)試;當(dāng)測(cè)試平臺(tái)集成完畢后，對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行集成測(cè)試;最后進(jìn)行測(cè)試平臺(tái)的運(yùn)行測(cè)試，確保測(cè)試平臺(tái)可滿足預(yù)期的使用效果。

2.2 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

根據(jù)此次測(cè)試目的，在測(cè)試的過程中使用Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫(kù)Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，由于此次測(cè)試過程中涉及的數(shù)據(jù)量較大，因此，將單次測(cè)試數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)文件的方式存儲(chǔ)到測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將不同的測(cè)試條件設(shè)定為單獨(dú)的數(shù)據(jù)表，將測(cè)試文件的路徑自動(dòng)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，易于訪問與分析。

在此次測(cè)試中，將文中設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)方法與LabVIEW方法及SystemView方法進(jìn)行對(duì)比。選定某一通信原理作為測(cè)試對(duì)象，采用文中設(shè)計(jì)方法與其他方法對(duì)其展開仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比多種方法的仿真實(shí)驗(yàn)處理時(shí)長(zhǎng)以及通信信號(hào)波動(dòng)模擬誤差性。在測(cè)試過程中，需要控制測(cè)試結(jié)果的有效性，為此設(shè)定實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行14次，將獲取的測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并完成對(duì)比分析。

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)上述設(shè)定的測(cè)試環(huán)境與測(cè)試方案，完成仿真實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試過程得到下述測(cè)試結(jié)果，通過數(shù)據(jù)表示如下。

通過對(duì)上述測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，文中設(shè)計(jì)方法的通信模擬時(shí)長(zhǎng)相較于傳統(tǒng)方法1與傳統(tǒng)方法2較短。同時(shí)通過測(cè)試結(jié)果縱向?qū)Ρ瓤芍?，文中設(shè)計(jì)方法在多次測(cè)試的過程中處理時(shí)長(zhǎng)較為一致，波動(dòng)較小。傳統(tǒng)方法1與傳統(tǒng)方法2的通信信號(hào)模擬時(shí)間較長(zhǎng)，且傳統(tǒng)方法2的模擬時(shí)間波動(dòng)較大。在對(duì)大量的通信信號(hào)處理時(shí)，模擬時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。因此，通過上述對(duì)比可知，文中設(shè)計(jì)方法的仿真處理能力較佳。

通過上述測(cè)試結(jié)果可知，文中設(shè)計(jì)方法對(duì)于信號(hào)的模擬精度較高。傳統(tǒng)方法1與傳統(tǒng)方法2對(duì)于信號(hào)的模擬精度較低。在多次測(cè)試的過程中，文中設(shè)計(jì)方法的模擬精度長(zhǎng)期處于高精準(zhǔn)度的狀態(tài)。傳統(tǒng)方法1的模擬精度為三種測(cè)試方法中最低模擬精度，其在多次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)模擬精度大幅度波動(dòng)的問題，嚴(yán)重地影響著仿真實(shí)驗(yàn)的效果與通信原理課堂教學(xué)的質(zhì)量。傳統(tǒng)方法2的模擬精度較高，但此方法的使用過程中出現(xiàn)多次模擬精度與傳統(tǒng)方法1相同的情況，可見此方法的使用效果也較為不穩(wěn)定。綜合上述測(cè)試結(jié)果可知，文中設(shè)計(jì)方法對(duì)于通信信號(hào)的模擬效果更佳。

將上述兩部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，對(duì)文中設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行全面系統(tǒng)的測(cè)定評(píng)估可知，文中設(shè)計(jì)方法的使用效果為多種測(cè)試方法中的最優(yōu)使用效果，在日后的研究中應(yīng)使用文中設(shè)計(jì)方法作為通信原理課堂中的主要教學(xué)方法。

3 結(jié)束語

為克服以往通信原理實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)箱設(shè)備的弊端，提出基于Matlab的通信原理仿真實(shí)驗(yàn)研究，因此，展開對(duì)Matlab軟件使用效果的設(shè)定。由于此次研究的限制，目前所開發(fā)出現(xiàn)的方法僅能進(jìn)行兩類實(shí)驗(yàn)，為了支持更多的實(shí)驗(yàn)，在接下來的研究中，將開發(fā)出更多的實(shí)驗(yàn)組件，為通信原理仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。希望通過此次研究可為通信原理仿真實(shí)驗(yàn)提供更加豐富的實(shí)驗(yàn)方法，并有效提升通信原理課程的教學(xué)質(zhì)量。

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【通聯(lián)編輯：張薇】