Matlab在现代通信原理课程中的应用

夏江涛，孙冬娇

（1.南京信息工程大学物理与光电工程学院，江苏南京 210044；2.南京信息工程大学电子与信息工程学院，，江苏南京 210044）

Matlab在现代通信原理课程中的应用

夏江涛1，孙冬娇2

（1.南京信息工程大学物理与光电工程学院，江苏南京 210044；2.南京信息工程大学电子与信息工程学院，，江苏南京 210044）

介绍了Matlab软件的仿真功能在现代通信原理课程教学及实验中的应用。结合教学中的具体实例，再现通信系统的某些关键环节信号的波形和频谱，论证了在现代通信原理课程教学中引入Matlab仿真软件的必要性和可行性。实践表明：基于Matlab的虚拟实验教学平台的建立和应用，改革了现代通信原理课程实验教学的形式和内容，培养了学生的兴趣和实践能力，提高了课堂教学的效率。

Matlab；仿真软件；通信原理；教学改革

现代通信原理是通信与电子信息类专业的一门重要课程，它综合了电路、数字电路、信号与系统、高频电子线路等基础课以及高等数学、概率论等数学课程，具有一定的难度和深度，是基础课向专业课的过渡课程，在通信类、电子信息类专业中占有非常重要的地位。这门课程的理论性较强，实践操作要求较高，可以说它是一门既有理论知识又有实践技能的综合性课程。

目前，多数高校的电信类专业都将“现代通信原理”作为硕士研究生入学考试、复试考试的科目，该课程的重要性不言而喻。因此，在该课程的教学过程中除了课堂上的理论讲授、多媒体课件的演示外，实验教学以及利用Matlab软件完成仿真实验也是十分重要的。教学方式的多样性会激发学生对通信学科的学习兴趣，使他们有足够的自信和能力来适应这一飞速发展的领域。仿真分析实验辅助手段使学生能够更快速、准确地完成相关实验内容，得到实验结果，提高了学习效率；仿真实验取代物理实验可以克服现有实验条件的局限，充分发挥想象力和创造力，有利于提高学生对实际问题的认识深度和水平［1－2］。

1 教学中引入Matlab软件的必要性

在现代通信原理课程的教学中，将Matlab［3－4］仿真软件引入课堂，教师可以利用该软件进行辅助教学，使课堂讲授与仿真软件相结合，达到更好的教学效果。对于一些较难讲解的内容、一些抽象的概念、难以观察的某些现象及发展过程，利用Matlab的计算功能和图形处理功能，可使其准确、形象、直观地表现出来，从而加深了学生对所学知识的理解，起到了事半功倍的教学效果［5－7］。

通过该仿真软件还可以使学生在传统实验的基础上完成仿真实验，使传统实验与仿真实验相结合。我们相继用Matlab软件设计出了十几个仿真实验，由于该实验不受实验设备、条件、时间和学时等限制，学生可以利用课余时间自主完成。同时，学生还可以进行各种实验方案的比较和优化，极大地调动了学生的学习兴趣和积极性，提高了学生对通信原理知识的掌握和计算机应用能力。

在实验平台构建中，采用了Matlab的GUI（图形用户界面设计技术）设计技术。Matlab中的图形用户界面对象基本分成2类：用户界面控件对象和用户界面选单（菜单）对象。应用上述对象进行周密的组织设计，就可以得到一个界面友好、人机交互方便、操作简便、功能强大的图形用户界面。用户用鼠标在控件对象上进行操作，使应用程序做出响应，并执行某些预定的功能子程序。在控件对象属性中，功能子程序属性是图形用户界面设计中最重要的属性，它是连接程序界面整个程序系统的功能［8－13］。

2 Matlab软件在教学中的应用举例

2.1 SSB模拟调制系统的仿真实验

以正弦波为载波的模拟调制系统是应用最广泛的调制方式，其中包括AM调制、DSB调制、VSB调制、SSB调制等。这些内容都是现代通信原理课程中重要的内容，但是由于该部分内容比较抽象，理解具有一定的难度，对于学生来说不易掌握，如果全部采用物理实验来提高教学内容的直观性，由于时间和实验资源的有限不太现实。因此，在教学过程中，考虑采用Matlab软件的仿真技术实现此部分教学内容的过程模拟，容易实现且实验结果直观、可靠。

例如，SSB模拟调制系统的仿真实验的设计：假设要传送的信号波形f（t）为sine wave，幅度为1V，角频率为10rad/s；载波cos（ω0t＋θ0）为sine wave1，幅度为1V，角频率为100rad/s，只要在Simulink环境中进行可视化设计，建立单边带幅度调制解调系统，即可实现对它的动态仿真。本例采用上边带单边带信号，仿真原理框图如图1所示，具体由信号源模块、调制和解调模块、模拟示波器、滤波器等构成。

图1 SSB滤波法USB仿真原理框图

经Matlab程序运行后得到SSB信号仿真结果， 如图2所示。

图2 SSB滤波法USB仿真波形图

其中图2（b）由接收端的输入滤波器的输出得到。从波形图可以看出，由于系统模型经历多个模块，会造成一定的时延和信号衰减，因此解调后的信号波形不仅有相位的延迟，而且在幅度上也低于信源波形。该仿真结果符合实际系统的特征和现象，很方便地提供了SSB模拟调制系统的工作原理和工作现象，有利于学生理解和掌握。

2.2 PCM编码与解码仿真实验

基于Simulink构建了PCM编码与解码仿真实验模型，并进行了动态仿真。假定传输的是语音信号，采用Chrip函数所表示的线性调频信号来替代语音信号，用矩形脉冲序列替代实际中不可实现的单位冲激函数，由Pulse Generator模块产生。A率压缩由A－law compressor模块实现，用十三折曲线近似地表示A律曲线，以实现信号的非均匀量化过程。系统中的几处关键信号由滤波器模块显示对比。本实验的仿真原理如图3所示。

图3 PCM编码与解码仿真原理框图

经Matlab程序运行后得到PCM编码与解码仿真结果如图4所示。图4中的5个波形由上到下分别表示抽样输出、量化输出、编码输出、解码输出以及原输入信号。从图4中可以看出：如果解码器的输出信号再经过一级低通滤波器即可恢复原始的模拟信号，与原输入信号基本一致。但是仍然可以看出波形中会存在一定的误差，误差产生原因与实际取样脉冲的非理想化、插入噪声、定时抖动失真等有关，这些问题客观存在，但是从仿真实验中仍然可以看出PCM编码解码技术对于模拟信号的传输是有效的。PCM编码解码的过程比较复杂，在课堂教学中引入Matlab的仿真过程，可以清楚地展示每一个模块的功能及信号变化，有利于学生迅速理解相关的知识。

2.3 2PSK调制与解调仿真实验

数字载波传输系统在实际中具有广泛的应用，常用的数字调制方式包括2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK等很多种。该部分内容在现代通信原理课程中占有重要的地位，但是由于涉及的内容较多且难以理解，学生普遍在学习中感到吃力，尤其在课堂学习中容易脱离实际而无法真正的理解掌握相关知识。基于这些原因，在本课程的教学过程中，引入了Matlab的仿真技术，因此可以随时随地对各类调制解调方式进行仿真模拟。通过仿真结果的直观展示，有效地提高了学生的学习效率。下面通过2PSK在Matlab Simulink环境中的仿真实验来对2PSK的调制解调过程进行模拟，以便更直观地了解2PSK的工作原理。

图4 PCM编码与解码仿真波形图

在中高速数字通信系统中广泛使用移相键控系统（PSK），这是由于PSK的抗噪声性能优于ASK和FSK，而且频带利用率较高。2PSK是移相键控的最简单的一种形式，用2个初相相隔为180°的载波来传递二进制信息，也称为BPSK。2PSK信号调制和解调的Simulink模型如图5所示，其中Sine Wave和Sine Wave1是反相载波，脉冲Pulse作为信号源。

经Matlab程序运行后，2PSK信号调制与解调过程中各模块输出的仿真波形如图6所示。

图5 2PSK信号调制解调仿真原理框图

图6 2PSK信号调制解调仿真波形图

图6中的8个波形从上到下分别表示为反相载波Sine Wave、Sine Wave1、脉冲源信号、2PSK调制信号、相干解调乘法器输出、低通滤波器输出、符号函数sign模块输出和双极单极变换器输出。在本实验的基础上，还可以进行误码率的统计检测等深入实验。通过利用Matlab进行辅助教学，在课堂中可以很方便、直观地展示系统工作的流程及各工作点的实时状态，有利于学生更高效地理解教学内容，掌握相关专业知识。

3 结论

在课堂教学中，由于理论讲授和多媒体课件的演示只能从一个方面来引导学生学习和掌握该课程的基本知识，而实验教学又要受到课时、地点和设备的限制。因此，利用计算机实现虚拟实验室的设想就从另一个方面为教学提供了一个很好的平台。它可以形象和直观地显示实验过程中的各类图形，不仅可以帮助学生理解和掌握已学的知识，而且还可以帮助学生加深和巩固所做的实验，不断提高学生的动手能力，为学生进行毕业设计奠定一个良好的基础。有的学生通过该课程的学习，利用Matlab软件，并结合实际问题，开发和仿真了通信原理相关的题目，在毕业设计中取得较好的成绩。由此可见，Matlab在通信原理教学中起到了十分重要的作用，产生了较好的教学效果。Matlab等工程类仿真分析软件在专业课程分析与设计中所显现出的优越性日益显著，在应用计算机解决工程问题方面所起的作用不可忽视。为培养学生的创新能力、实践能力，使学生在学习理论的过程中掌握现代化分析工具的应用方法，有效地提高学生分析、解决问题的能力，有效结合计算机仿真技术进行专业教学是教学改革的必然发展趋势之一。

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Application of Matlab in course of Modern Communication Theory

Xia Jiangtao1，Sun Dongjiao2
（1.School of Physics ＆Optoelectronic Engineering，Nanjing University of Information Science ＆Technology，Nanjing 210044，China；2.School of Electrocnic ＆Information Engineering，Nanjing University of Information Science ＆Technology，Nanjing 210044，China）

This paper introduces function of Matlab software and important simulation role in application of Modern Communication Theory course teaching.Combining the specific examples in teaching and reproducing some key links of communication systems in the signal waveform and frequency spectrum，this paper discusses the necessity and feasibility of application of Matlab in teaching of Modern Communication Theory course.The result shows that the establishment and application of virtual experiment platform based on Matlab software reform the Modern Communication Theory experimental teaching in the form and content and cultivate the students’interest and practical ability and improve the class teaching efficiency.

Matlab；simulation software；communication theory；teachingreform

G434

B

1002－4956（2014）1－0110－04

2013－05－12

2010年南京信息工程大学教改项目（10JY014）；南京信息工程大学实验室开放项目（N1081005019）

夏江涛（1979—），男，河南南阳，博士，讲师，主要从事光电系统及信号处理技术研究.

E－mail：jtxia＠163.com