MATLAB/Simulink软件在通信原理实验中的应用

黄晓俊+惠卫华

摘 要 在通信原理实验教学探索与实践中，将MATLAB/Simu-link软件仿真平台引入传统的硬件实验中，优势互补，实验内容灵活，调试方便快捷。实践结果表明，教学效果良好，能激发学生学习的热情，开阔思路，有助于培养学生的创新能力。

关键词 通信原理实验；MATLAB/Simulink；软件仿真

中图分类号：TP391.9 文献标识碼：B

文章编号：1671-489X（2017）16-0045-04

Abstract In the exploration and practice of experimental teaching ofcommunication principles， the MATLAB/Simulink software is intro-duced into the hardware experiment， the advantages are complemen-tary， the experiment contents are flexible， the debugging is conve-nient. The practice results indicated that， the teaching effect is good， can stimulate students learning enthusiasm， wide open train of thought， and help to cultivate students innovation ability.

Key words communication principle experiment； MATLAB/Simu-link； software simulation

1 引言

通信原理实验课程是通信、电子类专业在大三开设的一门重要的专业实验课，是通信原理理论教学工作的重要组成部分[1]。目前，喀什大学通信原理实验课的开展方式主要是利用实验箱教学，通过简单的导线连接和可变电阻阻值的调节，借助示波器观察分析实验波形，完成简单原理的验证。虽然学生可以接触到硬件电路，亲手测量和操作，提高动手能力，但是硬件实验箱能做的实验项目固定且简单，如AM包络解调实验等不能做[2]，学生能够发挥的主观能动性受到限制，对原理的思考、自主设计完成实验的机会很少，因此也很难收到理想的教学效果[3-5]。

由于计算机仿真技术的不断进步和完善，在传统的基于实验箱的通信原理实验教学中引入软件仿真技术，弥补实验箱教学的不足，不仅可以做一些基本原理的验证，而且可以让学生自由发挥，自主设计综合性的实验项目，使他们对通信的原理、系统的概念有更深刻的认识，有利于理论和实践教学的互相融合，有利于学生综合素质提高和创新能力培养[6]。

Simulink是一种基于MATLAB软件的框图设计环境，可以完成动态系统的建模、仿真和分析，它提供的图形用户接口GUI，只需单击和拖动鼠标就能创建出模型方框图，如同用笔在草纸上绘制模型一样。利用Simulink搭建通信原理仿真实验平台，不同于解微分方程和烦琐的编程，它提供的是一种更快捷、更灵活、更直接明了的方式，能极大地激发学生的主观能动性，在实验中能及时发现问题、试验问题、解决问题，提高学生的综合、设计、创新能力[2]。

结合喀什大学电子信息类专业通信原理实验教学现状，为满足学生实验教学与创新实践能力培养的需要，丰富教学模式，将MATLAB/Simulink软件仿真引入实践教学中，对通信原理实验的内容和软、硬平台的结合进行研究和调整，尽力做到优势互补。

2 基于MATLAB/Simulink的通信原理实验设计

AM调制解调 调幅（AM）就是标准双边带调制，其时域表达式为[7]：

SAM（t）=[A0+m（t）]cosωct=A0cosωct+m（t）cosωct

式中，A0为外加的直流信号分量；m（t）为调制信号；cosωct为载波。

AM的解调方法分为两类：包络检波和相干解调。包络检波是指AM波的包络与调制信号的形状完全一样，因此用该方法可以很容易恢复出原始调制信号。但条件是∣m（t）∣max

≤A0，否则就会出现“过调幅”现象，包络检波将会发生失真。相干解调是指接收端将已调信号与本地提供的同频同相载波相乘后，过低通滤波器，滤除高频分量，即可得到原始的低频基带信号。

喀什大学通信原理实验箱的硬件实验中，针对AM的解调采用的是相干解调，为了弥补硬件实验的不足，让学生自己完成系统建模、仿真性能，观察时域波形的变化和过调，分析频谱特点等。基于MATLAB/Simulink软件平台，搭建的AM调制及包络、相干解调仿真模型mdl文件如图1所示，调制和解调波形分别如图2和图3所示。

参数设置：

直流分量A0（Constant模块）：1

调制信号m（t）（Sine Wave模块）：振幅为0.3，初相90°，频率为1 Hz的正弦波

载波cosωct（Sine Wave1模块）：振幅为1，初相90°，频率为10 Hz的正弦波

随机噪声（Random Number模块）：均值0、方差0.01的高斯噪声

包络检波器（Saturation模块）：上线门限分别设置为inf和0

滤波器（Analog Filter Design模块）：截止频率2 Hz

的二阶巴特沃斯低通滤波器

注意：Simulink每个模块频率仿真参数用的是角频率rad/s，相位是rad。

由图3可知，相干解调输出信号比包络检波输出信号要大，波形中噪声成分要小，通过调整参数，也可以仿真包络检波的门限效应。在图1所示系统基础上，通过改变输入、增添相应的滤波器和参数设置，即可完成DSB、SSB、VSB的调制和相干解调，帮助学生更透彻地理解和掌握线性幅度调制的原理，同时体现软件仿真的灵活性、快捷性。endprint

PCM编码 脉冲编码调制（PCM）是将模拟信号变换成二进制数字信号的常用方法，它在数字微波、光纤通信中均获得广泛应用。PCM信号的形成要经过抽样、量化和编码三个步骤。编码的任务是根据输入的样值转换成相应的8位二进制代码，主要采用的是A率13折线逐次比较法。基于MATLAB/Simulink的软件平台，搭建的PCM编码仿真模型mdl文件如圖4所示[8]。图中采样数据经限幅器归一化到-1～+1范围，上路经Relay模块判断正负，大于0判为1，否则为0，并输出第一位极性码；下路取绝对值并经十三折线压缩后，样值范围再放大到0～127，然后经四舍五入后进入十/二进制转换器，完成PCM低7位码的输出[9]。这里的仿真将十三折线压缩和编码分两步完成，原理上是压缩和编码同时进行，帮助学生分步理解，拓宽思路。

图4实现的是以定步长0.2，对正弦波一个周期采得的六个点进行PCM编码，并将结果输出到Workspace，可以在Workspace中双击变量名simout，查看其值。对于单个的数值编码，可以将正弦输入改为Constant模块，结果会在Display模块的八个窗口中依次从上往下显示。

参数设置：

输入信号（Sine Wave模块）：振幅为1，初相90°，频率为1 Hz的正弦波

限幅器（Saturation模块）：上限值为1，下限值为-1

Relay模块：上门限值和下门限值都设置为eps，大于上门限值时输出值设置为1，小于下限值时的输出值设置为0

13折线近似压缩（Look-Up Table模块）：输入数组设置为[1，1/128，1/64，1/32，1/16，1/8，1/4，1/2，1]，输出数组设置为[0：1/8：1]。

PCM译码是编码的逆过程，这里不再详细说明。针对PCM编码的复杂性和抽象性，通过MATLAB/Simulink软件仿真，串接起编码所需各个模块，使得原理脉络更清晰、明了，克服硬件电路被封装不够直观、容易受干扰等缺点。同时可以辅助学生完成课后作业。

二进制数字调制 二进制数字调制是指调制信号为二进制数字基带信号，对应载波的幅度、频率和相位只有两种变化，包含二进制振幅键控（2ASK）、二进制频移键控（2FSK）和二进制相位键控（2PSK）[7]。振幅键控是载波的频率和初始相位保持不变，仅利用载波幅度变化传递数字信息的一种调制方式。2ASK的一般表达式为[7]：

e2ASK（t）=s（t）cosωct

其中，s（t）=∑nang（t-nTs），Ts为码元持续时间；g（t）为持续时间Ts的基带脉冲波形。2ASK信号的产生方法通常有两种：模拟调制法和键控法。根据2ASK调制的原理，基于MATLAB/Simulink软件平台，搭建的2ASK信号模拟相乘法和键控法仿真模型mdl文件如图5所示。

根据2FSK调制的原理，基于MATLAB/Simulink软件平台，搭建的2FSK信号键控法仿真模型mdl文件如图6所示。

根据2PSK调制的原理，基于MATLAB/Simulink软件平台，

搭建的2PSK模拟调制法仿真模型mdl文件如图7所示。

二进制数字调制是多进制调制、现代新型的调制技术MSK、QAM和OQPSK等的基础，掌握其原理至关重要。通过搭建二进制数字调制系统图，学生既对调制原理有了更透彻的理解，又可以抛砖引玉，搭建各种解调系统图，添加Power Spectral Density模块，还可以分析各种调制方式的频谱特点。学生可以自由安排仿真练习，不受实验室环境限制，拓展思路、开阔视野。

3 结束语

通信原理实验中MATLAB/Simulink软件平台的引入，极大克服和弥补了通信原理实验箱的缺点和不足，增强了实验的多样性和生动性，打破了固定时间地点做实验的局限。这样一来，学生可以灵活安排、自由仿真，既可以辅助完成作业，又可以对知识的理解更透彻，激发学习的热情和兴趣，同时开阔了思路和视野，并对计算机辅助分析和设计有一定的了解和认知。

参考文献

[1]许正荣，贾贤龙，李阳，等.通信原理实验教学改革与实践[J].实验技术与管理，2013，30（4）：171-174.

[2]徐彦凯，双凯，姜珊.通信原理实验教学的探索[J].实验室研究与探索，2011（6）：316-318，335.

[3]王玲.非计算机专业《软件技术基础》教学实践[J].实验科学与技术，2012，10（2）：97-99.

[4]陈丽娜.基于System View的通信原理系统软件实验设计[J].实验室研究与探索，2009，28（9）：62-64.

[5]田克纯，覃远年.《通信原理实验》的教学内容和方法的改革与实践[J].实验技术与管理，2005（8）：99-102.

[6]凌霖，苏胤杰，晋春.软件仿真在通信原理实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2011，28（4）：83-85.

[7]樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].6版.北京：国防工业出版社，2008.

[8]张水英，徐伟强.通信原理及MATLAB/Simulink仿真[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[9]陈少平，朱翠涛，陈亚光.通信系统的System View仿真[J].计算机工程与应用，2002（13）：159-161.endprint