Matlab/Simulink在高职“通信原理”仿真教学中的应用

周彩霞

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

通信原理是通信技术专业的核心专业课程，具有理论性强、直观性差、公式推导多、概念抽象等特点，学生不易理解与掌握。而高职教育强调淡化理论推导，注重基本概念，原理方法的介绍，加强理论与实践的联系，注重学生实践应用能力的培养。因此如何上好“通信原理”这门课，一直以来是困扰高职通信技术专业老师的问题。

一、高职“通信原理”课程教学存在的主要问题

随着高职教育教学改革的不断推进，“通信原理”课程教学中存在的问题与不足愈加凸显。

1）课程教学内容中理论推导多，而学生基础弱。高职学生理论基础普遍较差，数学功底薄弱，繁多的理论分析与公式推导严重打击学生的学习积极性。

2）学生乐于动手操作，却不善联想思考。多数学生在实验实训时只愿搞清楚怎么动手操作，怎么搭建与测试通信电路，却很少会认真分析与思考理实之间的联系。

3）实践课大多以验证性试验为主，缺乏综合性与创新性。由于实训条件受限，课内实验以验证为主，学生处于被动学习状态，影响学生动手操作、设计能力的提升。

二、教学中引入 Matlab/Simulink仿真的必要性

Matlab 环境下的 Simulink[1，2]，拥有丰富的系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的仿真系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点[3]，它提供了交互式图形化环境和可定制模块库，是学习、分析与设计通信系统强有力的工具。

根据高职学生乐于动手操作而不愿意理论分析与数学推导的特点，将Simulink 引入到“通信原理”课程教学中，使课堂讲授与模拟演示相结合，实际操作与仿真实验相补充，对于难于理解与领会的内容、抽象的概念、不易观察的某些现象及发展过程，教师课堂现场演示或指导学生上机操作，利用Simulink进行系统建模和图形处理，可使其准确、形象、直观、可靠地表现出来，从而加深学生对所学知识的理解，起到事半功倍的教学效果[4]。

三、实际应用案例

下面以“AM调制与解调通信系统仿真”为例，来说明使用Simulink进行系统仿真的过程。

（一）实现原理

AM调制原理[5，6]：是用调制信号m(t)去控制高频正弦载波信号cosωc(t)的幅度，使其按调制信号的规律变化的过程SAM(t)是已调信号，即AM信号。A0为常数。实现框图如1所示。

图1 AM调制原理框图

AM信号解调原理：是把接收到的已调信号SAm(t)还原为调制信号m0(t)。AM信号的解调方法有两种：相干解调和包络检波。AM相干解调的原理框图如图2，是在接收端利用同步载波（频率、相位与发端载波相同）进行解调，然后低通滤波提取出传送的信息。包络检波器一般是由二极管、电容与电阻构成的半波或全波整流器和低通滤波器组成，整流是只保留信号中幅度大于0的部分，滤波是过滤出调制信号。

图2 AM相干解调原理框图

从上述调制解调框图来看，框图显示不够直观,不容易理解整个信号的调制解调过程,学生理解难度比较大。

（二）仿真思路

首先，依据实现框图来创建仿真电路模型，根据要分析的对象来接入测试仪器。以AM调制的相干解调系统为例，信号在系统中传输时，考虑到噪声影响加入了高斯白噪声，并通过带通滤波器来限定信道的上下限频率，如图3所示。

其次，对各电路模块依据需求进行参数设置。信源Sine Wave参数：幅度1，角频率10rad/s；载波Sine Wave1、2参数：幅度1，角频率100rad/s；Analog Filter Design BPF参数：下限角频率90rad/s，上限角频率110rad/s；Analog Filter Design1 LPF参数：截止角频率 10rad/s；高斯白噪声Gaussian Noise Generator参数：均值0，标准方差1。

图3 AM调制相干解调系统电路模型

然后，仿真测试并分析测试结果。测试结果如图4所示，当mA=0.5时，图4(a)是调制信号与已调AM信号的对比波形，图中非常直观的反应了AM信号包络变化与m(t)的关系；图4(b)是调制信号与解调信号的对比波形，显然，解调信号相对调制信号有一系统延时，且由波形对比可分析解调信号是否有失真。

图4 mA =0.5时的测试波形

（三）测试分析

仿真模型创建好后，不仅可以观察仿真结果，还可以通过随心改变参数设置、灵活添加测试仪器来引导学生讨论电路中可能会出现的各种想象与问题。

比如，通过改变调制信号幅度值来改变mA，分三种情况：0＜mA＜1，mA=1，mA＞1 仿真测试，来分析调幅系数mA对AM包络的影响。测试结果如图5，显而易见当0＜mA＜1时，正常调制，AM包络变化反映调制信号的变化规律当mA=1时，满幅调制当mA＞1时，过调制，此时AM信号的包络变化已失真。

图 5 0＜mA＜1，mA=1，mA＞1 三种取值下 AM 信号的波形

为测试噪声大小对系统性能的影响，可通过改变Gaussian Noise Generator的均值与方差来观察解调后信号失真度大小与噪声功率之间的关系。如图6所示，取高斯白噪声的均值μ=0，方差σ2=0，σ2=10，σ2=50三种情况（在通信信道中，一般噪声均值为零时，噪声的平均功率等于其方差）来引导学生进行仿真，由测试结果可见，方差越大，噪声功率越大，解调信号的失真就越严重。

图6 噪声方差σ2=0，σ2=10，σ2=50三种情况下解调信号的波形

图7 添加频谱仪后的AM系统电路模型

图8 AM调制前后频谱分布图

还可从频域出发对信号的频谱进行分析，在原电路模型的基础上添加频谱仪。如图7所示。为能清楚地看到调制前后信号频谱搬移的情况，电路中添加了两个Spectrum Scope频率仪分别来测信源频谱与AM信号频谱，载波参数Sine Wave1、2的角频率设置为10000rad/s。测试结果如图8所示，两频谱分布图证明：调制前后频谱形状没变，调制后信源频谱被线性搬移到了载波的两边。

四、结束语

由于电路搭建简单方便，参数设置轻松易控，结果显示直观形象，不需要繁杂的数学推导，因此高职学生在理论知识欠缺的情况下，通过Simulink仿真不仅可以很快掌握与强化所学的基本原理与技术，而且Simulink仿真不受实验设备、条件、时间等限制，学生还可以利用课余时间自主操作与练习，极大地调动了学生的学习兴趣和积极性，取得了良好的教学效果。