通信原理教学中虚拟仿真的应用

王海荣

摘要：针对非通信专业学生学习通信原理的特点，提出利用MATLAB仿真来帮助学习教材中一些重点难点知识，可以增加学生的感性认识，达到事半功倍的效果，教学过程中的实践表明，获得了较好的教学效果。

关键词：通信原理；MATLAB仿真；非通信专业学生；调制和解调

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）03-0268-02

一、引言

《通信原理》是高等工科院校通信、信息类专业的一门重要专业基础课。在信息特色类高校本课程是被作为一门通识课的，即除了通信信息类相关专业外，其他专业也要求选修此课程。尽管针对非通信专业学生，课程内容及要求会做适当的削减和简化，但这些学生的前导课程学习常常会有缺失，因此在通信原理一些概念的数学推导、理解、分析与计算方面有很大的困难。

通常为了让学生能更好地理解通信信号调制和解调的基本原理，教学中会辅以静态的图例来解释说明，虽然有一定的帮助，但对非通信专业学生而言，掌握调制和解调过程中信号波形和频谱的变换还是困难的。因此在这里引入MATLAB仿真来辅助通信原理的教学，我们将本着“源码面前，了无秘密”的原则，采用MATLAB中直接编程的M文件来揭示调制和解调的基本原理。

二、仿真实例

在本节中，将以教材中介绍的第一种调制方式，即常规双边带调制AM为例，分别通过直接编程的M文件给出基带信号是如何实现AM调制和解调的。即通过AM信号调制解调过程的一个完整MATLAB仿真呈现，使学生能掌握调制解调的基本要领。

1.AM信号的基本原理。如果基帶时域信号为m（t），载波信号为cosω t，叠加的直流偏量为A ，那么依据教材中的AM调制模型，可以得到调幅信号

若m（t）时是确知信号，它的频谱为M（ω），那么AM信号的频谱可以表示为

2.仿真演示实例。下面，就采用一个具体的编程实例来说明是如何实现AM信号的调制和解调的。

A.调制。给定一个基带信号m（t）为

并且有cosω t中的ω =2πf =500πrad，t =0.15s，暂不考虑直流偏量的影响，那么可以得到图1左侧所示的基带信号m（t）、载波信号cosω t和已调信号u（t）=m（t）·cosω t的时域波形和右侧所示的m（t）和u（t）的频谱。由图1右侧可以很直观地看到已调信号的带宽是基带信号带宽的两倍。并且由于是采用直接编程M文件的方式，所以可以让学生自由选择基带信号来做各种尝试，形象地看到已调信号的波形和频谱所对应发生的变化，加深他们对于调制这一过程的理解。

B.解调。当m（t）完成调制并被传输到接收端后，需要有对应的解调方案来解出基带信号。对于AM信号常用的解调方式有两种，第一种是包络检波方式，即经过包络检波器来检测已调信号的包络。图2左侧就是已调信号经过包络检波器后得到的包络。图2右侧则就是依据获得的包络，将信号的直流分量去掉后，对信号幅度加权就可以得到解调输出信号。

第二种使用更广泛的解调方式是相干解调。即已接收到的u（t）首先要与本地提供的一个与cosω 同频同相的载波相乘，再经低通滤波后得到低频分量，就可恢复出原来的基带信号。具体过程如图3左侧最下图所示，与本地载波相乘后，可以得到一个低频分量M（f）和在±2f 附近的高频分量，当通过图3右侧中间的带宽为2倍m（t）带宽的理想低通滤波器时，高频信号被滤除，而正比于m（t）的低频分量被滤出。之后通过傅里叶反变化，可以得到如图4所示的恢复的原始基带信号。从图3、图4中看到当采用低通滤波后获得的解调输出信号的频谱是被限定在2倍基带信号带宽内的，而原始基带信号的频谱是在整个频域上的，所以最终的解调输出信号的波形与原始基带信号相比会有一些失真。

三、后续工作

由上述的仿真过程可以看到，整个AM信号的调制解调过程不再仅仅依靠固定的图例做解释，而是采用了可以灵活修改的代码语言来描述和演示，从而可以加深学生的参与感，能比较形象地把AM的过程解释清楚。后续在此基础上还可以做一些深入的工作，比如可以修改原始的基带信号，甚至可以让学生准备一段语音信号，来尝试采用AM后的语音质量的变化，从而激发学生的学习热情和动手能力，使其能更好地理解教材上的各个重要知识点。

四、结束语

对于非通信专业学生而言，学习通信原理普遍存在着一定困难，但通过引入MATLAB编程，把教学内容用仿真的形式展现出来，并且可以灵活配置各种参数，得到各种不同的仿真结果，极大地增强了教学的可视化和交互性。通过在通信原理的教学中引入虚拟仿真，增加了学生的主动性与参与感，从而能更好地掌握相关的知识点，最终达到比较好的教学效果。