虚拟仿真在通信原理实验教学中的应用

王娅茹 王岩 梁兰菊 王旭娟

摘要：传统的通信原理实验多借助于硬件实验设备，实验项目大多是验证性的，而且项目有限。为解决这些不足，该文引入了基于MATLAB/Simulink虚拟仿真实验教学，通过AM超外差收音机虚拟仿真实例，说明基于MATLAB/Simulink的虚拟仿真实验能够自由构建通信系统和灵活修改实验参数，有助于提升通信原理实验课程的教学效果。

关键词：通信原理；实验教学；虚拟仿真；MATLAB/Simulink

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）24-0136-02

Abstract： As the traditional communication principle experiment are mostly based on hardware experiments which are mostly verifiable and involves in only limited number of projects， this paper introduces the virtual simulation experiment teaching based on MATLAB in an effort to resolve these limitations. Through the simulation example of AM superheterodyne radio， the author proves that the MATLAB based experiments can flexibly construct the communication system and modify the parameters， which can greatly improve the teaching effects of the communication principle.

Key words： Communication principle； Experimental teaching； Virtual Simulation； MATLAB/Simulink

通信原理课程是信息工程专业的核心主干课，是构建信息专业知识结构体系的基础，在信息通信类及相关专业的教学中有着极其重要的地位通信原理课程一直是信息通信类研究生入学考试的必考课程之一，其重要性是其他课程不可替代的。

1 通信原理实验教学目前存在的问题

通信原理课程的理论性很强，学生普遍反映该课程理论深奥，不易理解。因此必须从实践环节来加深对理论知识的学习尤为重要。目前各个学校基本上是借助于通信原理实验箱等硬件设备，实验项目大多是验证性的，每次实验都是学生按照实验指导书进行简单的操作，然后通过示波器观察测量波形，再提交实验报告。实验内容仅仅是课程讲述的基本原理的物理性验证，且实验项目有限，学生难以系统化的了解整个通信过程。在这种试验模式下教学，忽略了对学生综合思维能力和创新能力的培养。我们教学的目标是培养具有创造性的应用型人才，应该更注重创造力的培养，教学也应该紧跟时代的步伐增设新的教学内容[1]。

2 MATLAB虚拟仿真教学的特点

虚拟仿真实验软件MATLAB具有强大的功能，在该环境可供学生自己利用Simulink功能模块、编写和调用M函数或者S函数等，搭建系统通信系统和连接、调节和使用虚拟实验仪器设备。教师利用虚拟器材库中的虚拟仪器和模块自由搭建任意合理的典型实验，或实验案例，这一点是虚拟实验有别于传统实验教学的重要特征。在虚拟实验环境中，学生既可以大胆动手操作，又可自主设计实验，有利于培养的操作能力、分析诊断能力、设计能力和创新意识[2]。

3 基于MATLAB/Simulink的AM超外差收音机仿真实例

传统的通信原理实验箱中没有这样综合的实验。学生要完成这个，必须清楚的了解AM超外差收音机的基本原理，否则无法完成整个系统的仿真。首先学生就会带着问题查阅其相关资料，在查阅资料的过程中，既提高了学生查阅资料的能力，又锻炼了学生的独立思考能力。

通过查阅资料，学生获知什么是AM超外差收音机及其工作原理。超外差式收音机利用混频电路使本机振荡信号与接收到的电台信号进行非线性混频，使二者的差值始终为465KHZ，这样就降低了放大电路的信号频率，可以有效克服直接放大式收音机接收不同频率的时候灵敏度不均匀的缺点[3]。由于混频的作用使得本机振荡信号的频率始终比接收到的广播电台信号频率超出465KHZ，因此把这种收音机叫作超外差式收音机。

接下來，学生就要思考，超外差式收音机工作过程。在从天线接收到的微弱的高频调幅信号被送到混频管，同时收音机中的本机振荡电路产生高频振荡信号，也被送到混频管，这两种信号经混频后，变换成统一频率的中频信号。其中差频为465kHz，由选频回路的滤波器选出465kHz的中频信号，将其中频信号进行放大和处理，经放大后的中频信号再送到解调器检波器检波，还原成音频基带信号；音频信号再经功率放大送到扬声器，由扬声器还原成声音。

学生经过以上的工作之后，就要开始着手对AM超外差收音机在的Simulink环境下进行建模。为了体现超外差收音机对不同频率信号的接收，在发送端就要建立多路信号。然后在Simulink模块库中选取相应的模块，模块库中的模块一般都有参数修改的功能，这样便于学生根据自己的设计要求设置相应的参数。例如信号源，可以选择正弦波，锯齿波，方波，其频率也可以根据需要修改。学生在使用滤波器模块时，首先要计算在本设计中滤波器的截止频率，然后在去参数设置，这个过程其实就是理论和实践相结合的过程。相比传统的连线验证理论的实验，该实验学生可以更好地巩固理论知识。

本实验仿真是一台超外差式中波收机的信号处理过程，发送端发送了两路不同载波的AM调幅信号，采用对频分复用方式进行模拟。接收端可通过设置来改变本机振荡频率达到选择接收其中某一路信号的目的，AM超外差收音机仿真模型如图1所示。为了便于分析两个调幅发射机被封装为子系统，其模型如图3所示，两路AM信号的载波频率分别为1000KHz和1200KHz，音频基带信号的分别为频率1000Hz的 正弦波和频率500Hz 的锯齿波，两者幅度均为0.3V。AM已调信号从Out1输出。

最后的环节，学生要对仿真结果进行分析，进而验证该实验建模的正确性。可以通过改变压控输入端的值来改变要收听的信号的频率。模型中用[Slider Gain]作为压控输入值的调整，当接收端压控输入值为1000KHz 時，模拟本机振荡的压控振荡器将输出1465KHz频率的正弦波，这时恰好可以接收载波频率为1000KHz 的调幅信号。如图3所示，双击该模块可实时地调整设置的接收频率，以便观察接收信号的变化。

超外差接收机对1000kHz的调幅电台信号的三种输出波形的解调结果如图4所示。

图4中a图为发射机输出信号的波形，b图为接收机中频滤波后的波形，c图为经过包络检波后再经过放大后的输出波形。

b图与a图对比，可以看出最初的原始信号比较均匀，由于噪声的存在和AM解调采用包络检波，因此经过超外差收音机后信号稍微有些失真。

4 结束语

综上，将基于MATLAB/Simulink虚拟仿真实验引入到通信原理实验教学中，能够有效地弥补传统原理通信实验箱无法自由构建通信原理实验和无法灵活进行实验参数修改的不足，同时还能激发学生的学习兴趣，提高实践能力和创新能力，有助于提高通信原理实验课程的教学效果[4]。

参考文献：

[1] 刘斐.虚拟实验室在通信原理实验教学中的应用[J].信息科技，2011，244.

[2]虚拟实验室是一种基于Web技术. 互联网文档资源（http：//wenku.baidu.c）

[3] 吴燕.AM超外差收音机的设计与仿真[J]. 2010（46）.

[4] 曾英.运用Matlab仿真改革通信原理实验教学[J]. 软件导刊（教育技术），2016，15（6）：16- 18.

[5] 任峻，张红艳.运用虚拟仿真改革通信原理实验教学[J].实验技术与管理，2014，31（3）：95- 97.

[6]田莹，卢金玉，刘宴涛.基于MATLAB/Simulink 的通信原理虚拟仿真实验教学方法研究[J] .现代电子技术，2015，38（13）：28- 31.

[7]吕庆梅.虚拟仿真在通信原理实验中的应用[J].课程教育研究，2017（1）：28-31.224.

[8] 李旭颖，李静，王小树.高职高专生物制药专业开发虚拟实验的可行性分析[J]. 科技创新导报，2011，239

[9] 邵玉斌. MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].北京：清华大学出版社，2008，230-231.

【通联编辑：王力】