基于MATLAB的《現(xiàn)代通信原理》課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐

李晨

（西安工商學(xué)院，陜西西安，710032）

0 前言

《現(xiàn)代通信原理》是通信類專業(yè)及電子信息工程專業(yè)的重要理論基礎(chǔ)必修課。與前期基礎(chǔ)課程聯(lián)系緊密，同時(shí)對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)影響也很大。該課程理論性較強(qiáng)，教學(xué)內(nèi)容中數(shù)學(xué)推導(dǎo)運(yùn)算較多，要求學(xué)生的數(shù)學(xué)功底扎實(shí)，信號(hào)和信息論等學(xué)科基礎(chǔ)穩(wěn)定。

《現(xiàn)代通信原理》是通信技術(shù)專業(yè)所有實(shí)踐的第一層理論基礎(chǔ)。在大多數(shù)高校的傳統(tǒng)學(xué)習(xí)中，對(duì)于該課程中出現(xiàn)的相關(guān)原理和技術(shù)主要是通過理論推導(dǎo)方式進(jìn)行講授的。但傳統(tǒng)教學(xué)模式枯燥難接受，不易引起學(xué)生的共鳴和學(xué)習(xí)積極性，還容易造成學(xué)生的動(dòng)手能力較差，難達(dá)到用人單位要求的現(xiàn)象。

因此，作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，《現(xiàn)代通信原理》課程教學(xué)改革勢(shì)在必行。本次教學(xué)改革項(xiàng)目針對(duì)課程理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象等問題，將MATLAB引入課堂理論教學(xué)，通過直觀的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，幫助學(xué)生理解和掌握課程中的重要概念和知識(shí)點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 MATLAB在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

1.1 課堂實(shí)踐教學(xué)舉例

“數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)”是《現(xiàn)代通信原理》中的一個(gè)重要章節(jié)，而2ASK信號(hào)又是本章中研究數(shù)字調(diào)制的基礎(chǔ)，了解了2ASK就比較容易理解FSK、PSK的原理及性能。為使學(xué)生充分理解2ASK調(diào)制方式及通信過程的基本原理，在本小節(jié)的課堂教學(xué)中，引入并靈活運(yùn)用了MATLAB及Simulink建模環(huán)境進(jìn)行輔助教學(xué)。具體實(shí)踐教學(xué)過程說明如下：

(1)設(shè)計(jì)出2ASK數(shù)字通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中采用模塊化表示；(2)根據(jù)通信原理，設(shè)計(jì)出各個(gè)模塊的參數(shù)（如傳碼率，濾波器的截止頻率等）；(3)基于MATLAB平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真；(4)針對(duì)仿真出該數(shù)字傳輸系統(tǒng)的誤碼率性能，畫出判決電平和誤碼率的關(guān)系曲線。

首先選定貝努力二進(jìn)制序列作為系統(tǒng)輸入模塊，用來產(chǎn)生隨機(jī)二進(jìn)制比特流。

圖1 二進(jìn)制比特流波形

Sine wave 模塊用來生成高頻載波信號(hào)，在此設(shè)，其與基帶信號(hào)相乘之后生成已調(diào)信號(hào)，經(jīng)過帶通濾波器，使所有有效信號(hào)順利通過。

AWGN Channel模塊用來產(chǎn)生含有加性高斯白噪聲信道，已調(diào)信號(hào)輸入加性高斯白噪聲信道模擬通信系統(tǒng)中的實(shí)際通信信道。此處設(shè)置該高斯白噪聲方差為0.2。

信道傳輸之后，為使已調(diào)信號(hào)全部通過，同時(shí)盡可能多地濾除高斯白噪聲，需設(shè)置帶通濾波器，此處該帶通濾波器下限、上限頻率分別為和。

圖2 經(jīng)帶通濾波器后的已調(diào)波形

圖3 已調(diào)信號(hào)經(jīng)AWGN Channel 后的波形

圖4 接收端信號(hào)通過帶通濾波器后波形

本次教學(xué)設(shè)計(jì)中采用相干解調(diào)，經(jīng)示波器顯示的輸出波形與本地載波相乘之后輸出波形如下圖所示（此處ωc=8000H）。

圖5 輸出波形與本地載波相乘后示波器顯示波形

相乘器相乘后接入低通濾波器，主要是將信號(hào)從高頻載波搬移至低頻，以便于接收到原信號(hào)，此處設(shè)置Lowpass通帶截止頻率為200Hz。

圖6 低通濾波器后示波器顯示波形

由于經(jīng)過低通濾波器后的波形仍然為模擬信號(hào)，所以要生成數(shù)字信號(hào)需要經(jīng)過抽樣判決，在MATLAB的SIMULINK中，對(duì)Sampled Quantizer Encode進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置可以用來實(shí)現(xiàn)抽樣判決。經(jīng)抽樣判決后的波形示波器顯示如下。

圖7 最后輸出波形

至此，調(diào)制和解調(diào)的整個(gè)過程都結(jié)束了。為了完備學(xué)生對(duì)該小節(jié)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知，可將輸出的數(shù)據(jù)送入當(dāng)前的工作空間，執(zhí)行程序，進(jìn)一步得出判決電平與誤碼率的關(guān)系曲線。

圖8 誤碼率曲線圖

由上圖學(xué)生可直觀得出結(jié)論：當(dāng)前的判決電平在0.1-0.35之間誤碼率最低。

由于MATLAB的引入，學(xué)生也可方便地在程序中更改參數(shù)，得到對(duì)應(yīng)的誤碼率曲線圖，進(jìn)行對(duì)比引發(fā)思考，進(jìn)一步加深對(duì)本小節(jié)知識(shí)點(diǎn)的理解。

通過在該章節(jié)教學(xué)中引入MATLAB仿真軟件，使課堂教學(xué)內(nèi)容更加充實(shí)豐富，課本內(nèi)容不再枯燥、單一，不但緩解了學(xué)生的厭學(xué)、畏學(xué)情緒，而且實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的自主性和能動(dòng)性，通過動(dòng)手進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，理解了理論知識(shí)，同時(shí)也提高了運(yùn)用MATLAB進(jìn)行設(shè)計(jì)的能力。

1.2 MATLAB引入理論教學(xué)的方案

在課堂中將MATLAB仿真與理論教學(xué)相結(jié)合，主要采用以下方式進(jìn)行：

(1)課程開設(shè)之前，教師首先選定適合引入MATLAB仿真過程進(jìn)行輔助教學(xué)的章節(jié)，結(jié)合課程大綱，設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)環(huán)節(jié)。

(2)提前讓學(xué)生熟悉MATLAB仿真軟件的相關(guān)編程方法。

(3)每節(jié)課理論教學(xué)之后，可結(jié)合當(dāng)堂內(nèi)容的要點(diǎn)為學(xué)生利用MATLAB仿真進(jìn)行演示，使學(xué)生對(duì)剛剛所學(xué)的理論知識(shí)點(diǎn)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，引發(fā)對(duì)相應(yīng)內(nèi)容的思考和學(xué)習(xí)積極性。

(4)為進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的自身實(shí)踐能力，及時(shí)安排課后實(shí)踐環(huán)節(jié)，組織學(xué)生在教師的指導(dǎo)下利用MATLAB仿真進(jìn)行具體的實(shí)踐操作，對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固，并且通過各模塊的設(shè)計(jì)和相關(guān)參數(shù)的更改設(shè)置，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行思考總結(jié)，得出結(jié)論。

2 結(jié)語

本次教學(xué)改革將MATLAB仿真軟件引入理論教學(xué)課堂進(jìn)行輔助教學(xué)，改善了傳統(tǒng)課堂枯燥難接受的缺陷。兩屆學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐過后，學(xué)生該門課程的成績(jī)較之前有了明顯的提高，學(xué)期結(jié)束后通過對(duì)學(xué)生的問卷調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)該種授課方式的滿意度也較高。通過以上教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，活躍了課堂氛圍，提高了學(xué)生將理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合的能力，效果顯著。