MATLAB在通信系统仿真教学中的应用研究

任秋洁　吕治国

【摘 要】本文针对通信系统仿真课程的实际特点，研究了MATLAB仿真软件在该课程中的应用。通过实例介绍了MATLAB和Simulink仿真在通信系统仿真中的应用方法，并给出了仿真结果。实践证明，将MATLAB和Simulink用于通信系统的仿真，可以将通信系统中的理论知识，用直观的、可视化的形式反映出来，锻炼了学生分析问题、解决问题的能力，提高了学生的动手能力以及计算机编程应用的能力，改进了授课的效果，加深了学生对理论的理解程度。

【关键词】通信系统仿真；MATLAB；Simulink

中图分类号： TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）20-0079-002

Research on Application of MATLAB in Teaching Communication System Simulation

REN Qiu-jie LV Zhi-guo

（Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang Henan 471000，China）

【Abstract】According to the actual characteristics of the communication system simulation course，the application of MATLAB simulation software has been studied.The application method of MATLAB and Simulink simulation in communication system simulation is introduced through examples，and the simulation results are given.Practice has proved that MATLAB and Simulink for the simulation of communication system can reflect the theoretical knowledge of communication system in the intuitive and visual form，train students' ability to analyze and solve problems， increase the students' practical ability and computer programming application ability，improve the teaching effect and deepen students understanding of the theory.

【Key words】Communication System Simulation；MATLAB；Simulink

0 引言

通信系统仿真课程是基于通信原理的理论知识，结合MATLAB仿真软件开设的一门课程，是培养通信工程学科学生利用MATLAB对通信系统进行仿真模拟，增强对通信原理分析能力和实践技能的专业课程。本文主要介绍了MATLAB软件、列举了采样模型实例在通信系统仿真中的应用并给出MATLAB和Simulink的仿真结果，分析了MATLAB在教学中的应用。实践证明，将MATLAB和Simulink用于通信系统的仿真，可以将通信系统中的理论知识，用直观的、可视化的形式反映出来，锻炼了学生分析问题、解决问题的能力，提高了学生的动手能力以及计算机编程应用的能力，改进了授课的效果，加深了学生对知识的理解，从而可以获得比较好的教学效果[1]。

1 MATLAB简介

MATLAB是由MathWorks公司推出的用于科学计算和工程仿真的软件[2]。MATLAB是matrix和laboratory的组合，即矩阵实验室，用于处理矩阵形式的数据。

MATLAB主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB将科学计算、结果可视化以及编程集中起来，提供大量内置函数，具有数值分析、矩阵运算、图形处理、仿真建模、系统控制和优化等功能[3]。Simulink通过内置的模块，利用鼠标拖放的方法建立系統模型的图形界面，大大减少了编程的时间。Simulink使得系统的建模过程变得相对简单直观，有利于系统的扩充，用户可以立即看到系统的仿真结果[4]。

2 通信系统仿真应用

2.1 采样模型

实际通信中的信号源大多都是模拟信号，即信号在时间和幅度上均连续，比如常见的话音信号、图像信号等。要实现数字化传输，就需要将模拟信号转化成数字信号，也就是我们通常说的模数转换。模数转换包括三个部分：采样、量化和编码。采样将时间连续、幅度连续的模拟信号转化为时间离散、幅度连续的信号；量化将采样信号转化为幅度离散的信号；编码将量化后的信号转化为二进制或多进制的码元进行传输。因此，模数转换的第一步采样是非常关键的。采样需要保证原始信息不丢失，即采样速率达到某一个值时就能无失真地恢复出原始信号，由此引出采样定理。

采样的过程是将模拟信号x（t）与一个周期性的脉冲信号？啄（t-nT）相乘，采样后得到的信号称为采样信号xs（t），则有采样信号

其中周期脉冲信号的周期为Ts，对采样信号做傅里叶变换，则有

由（1）和（2）可以看出，如果连续信号的最高频率为fc，当采样频率fs？叟2fc时，离散频谱不会产生重叠。这就是采样定理，也称为奈奎斯特采样定理。其中fs？叟2fc称为奈奎斯特采样频率，最大允许采样间隔Ts=1/fs称为奈奎斯特采样间隔。endprint

2.2 MATLAB仿真

在MATLAB中可以对采样信号进行模拟。在MATLAB的Command Window中输入下列语句，可以得到正弦函数的采样信号。

t=linspace（0，2*pi，100）；

x=sin（t）；

stem（t，x）

仿真结果如图1所示，仿真中利用尽可能多的点来模拟连续信号。

MATLAB中的一个重要功能是help功能，调用形式为help函数名。通过help功能，可以看到所要查询函数的调用方法。上述程序中，我们用到了linspace这个函数，可以调用help linspace，看到该函数的调用方法，结果如下所示。此外，通过help功能可以方便学生进行自学。

help linspace

linspace Linearly spaced vector.

linspace（X1，X2） generates a row vector of 100 linearly equally spaced points between X1 and X2.

linspace（X1，X2，N） generates N points between X1 and X2.For N=1，linspace returns X2.

2.3 Simulink仿真

Simulink是MATLAB中通过模块之间连接，搭建系统模型，从而进行仿真的工具。

采用Simulink进行通信建模仿真的基本步骤如下[5]：

1）新建一个空白的Simulink编辑窗口；

2）在Blockset中挑选所要使用的模块，拖放到Simulink编辑窗口中，并对各个模块中的参数进行设置；

3）将模块与模块进行连线，具体的连线方法是：从上一模块的连接点按住鼠标左键不放，拖到下一模块的连接点进行释放，连接的箭头会自动生成。

4）设置仿真参数；

5）进行仿真，并观测仿真结果。

图3为Simulink中采样过程的仿真结果。从上到下依次为原始正弦信号波形，采样后信号波形、恢复的信号波形以及采样信号。可以直观的看出采样的过程。

仿真中所用正弦波信号的频率为10rad/sec，幅度为1，脉冲发生器的周期为1/30秒，幅度为1，脉冲宽度为脉冲周期的10%，滤波器为8阶的butterworth滤波器，通带频率为24？仔 rad/sec。

3 MATLAB教学应用

3.1 教学方式

通信系统仿真是通信工程专业学生的专业课，是一门将理论与实际相结合的课程，理论内容涉及到通信原理的许多知识，通信原理所涉及的内容相对来说比较抽象，不利于学生进行深入理解。如果在课堂上使用MATLAB仿真软件，将直观的图形展示给学生，就会使学习效果大大提升，从而加深了学生对于通信系统理论的理解。

以采样定理为例，在课堂上传授理论知识的同时，用MATLAB将采样定理用图形进行展示，学生通过图形，可以直观的看到原始信号的波形、所使用的脉冲信号的波形以及采样信号的波形，并可以通过参数的设置，来改变仿真的结果，从而提高学生的学习兴趣。

根据“通信系统仿真”课程的特点，可以从以下几个方面将MATLAB仿真应用于教学过程中：

1）可以将Simulink仿真与通信系统中的框图结合。在教学过程中，选择典型的框图，通过演示的方法，在Simulink中搭建框图模型，并且通过模块中各个参数的设置，让学生观察参数的改变对仿真性能的影响，从而提高学生的学习积极性，提高学生对理论知识的理解。

2）通信系统仿真的实验课程教学中，在MATLAB仿真中通过系统搭建，参数设置，让学生对所要做的实验有一个更为深刻的印象，从而获得较好的实验效果。

3.2 教学效果

将MATLAB和Simulink仿真用于通信系统仿真的教学中，可以将抽象的通信原理知识，用直观的、可视化的形式进行展示，有助于学生进行理解，锻炼了学生分析问题、解决问题的能力，从而提高教学质量和效率。

将MATLAB仿真应用于通信系统的理论教学中，与通信系统中的框图相结合，可以加深学生对原理的理解，提高学生的学习积极性，有利于培养学生的工程实践能力。

将MATLAB和Simulink仿真应用于通信系统的实验课教學中，有利于提高学生学习的自主性，使实验课的内容更加丰富，同时节约了实验经费[6]。

4 结论

将MATLAB和Simulink用于通信系统的仿真，可以将抽象的通信原理知识，用直观的、可视化的形式进行展示，有助于学生进行理解，锻炼了学生分析问题、解决问题的能力，同时，通过熟悉掌握MATLAB的过程，也提高了学生的动手能力以及计算机编程应用的能力，从而提高教学质量和效率。

【参考文献】

[1]陈萍，董兴华.将开源软件引入通信原理实验教学的探讨[J].实验室研究与探讨，2009，28（4）：250-252.

[2]赵静.基于MATLAB的通信系统仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：1-2.

[3]关学梅，陈纯铠.基于Matlab的通信原理实验教学的研究[J].实验技术与管理，2008，25（5），99-101.

[4]王海华.Matlab/Simulink仿真在“通信原理”教学中的应用研究[J].湖北理工学院学报，2015，31（3）：67-70.

[5]李向莉.基于SIMULINK的通信原理可视化动态仿真[J]. 大众科技，2008，104（4）：31-32.

[6]党小宇，刘兆彤.Simulink在“通信原理”研究型教学中的应用[J].电气电子教学学报，2014，36（6）：118-120.endprint