MATLAB通信原理教改研討

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《通信原理》是許多高校研究生入學(xué)考試的課程之一，同時(shí)是電子信息工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生從事通信相關(guān)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)課程。由于我校（西南林業(yè)大學(xué)）電子信息工程專(zhuān)業(yè)該課程開(kāi)設(shè)在大四上學(xué)期，此時(shí)的學(xué)生正在為考研和就業(yè)做準(zhǔn)備，掌握《通信原理》對(duì)他們整體都有重要的意義。該課程選用的教材為樊昌信和曹麗娜編著的《通信原理》（第6版），其內(nèi)容豐富，要求學(xué)習(xí)者有堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)難度大；而且概念抽象，理論性強(qiáng)，學(xué)習(xí)極容易感到枯燥無(wú)味。為了讓學(xué)生盡可能掌握通信的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)思想，實(shí)驗(yàn)課程必須與理論課程緊密結(jié)合起來(lái)。

1傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中存在的一些問(wèn)題

通信原理的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以往為實(shí)驗(yàn)箱，使用方便，但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)該設(shè)備存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1）實(shí)驗(yàn)箱中模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)固化，參數(shù)等已基本設(shè)定好，實(shí)驗(yàn)方式機(jī)械；

2）實(shí)驗(yàn)的步驟在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上已有明確的說(shuō)明，學(xué)生只需一步一步接線(xiàn)即可得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不用動(dòng)腦分析實(shí)驗(yàn)原理，也不用弄明白實(shí)驗(yàn)電路的工作原理，只要實(shí)驗(yàn)箱完好，并接線(xiàn)正確，就可以在示波器得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容受實(shí)驗(yàn)箱設(shè)備的局限，內(nèi)容不夠豐富，不能開(kāi)拓學(xué)生的思路，不能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)無(wú)法培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力；

4）設(shè)備極容易受到損壞，每學(xué)期實(shí)驗(yàn)過(guò)后，完好的實(shí)驗(yàn)箱都逐漸減少。

2matlab搭建通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

MATLAB是一套功能強(qiáng)大的工程技術(shù)數(shù)值運(yùn)算和系統(tǒng)仿真軟件，它具有數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、仿真建模、系統(tǒng)控制和優(yōu)化等功能，Simulink是MATLAB提供的一種可視化仿真模型庫(kù)，它使用戶(hù)能夠以模塊化設(shè)計(jì)的方式完成系統(tǒng)的建模和仿真。基于MALTAB的功能特點(diǎn)，采用MATLAB搭建通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，同時(shí)還具有以下5大優(yōu)勢(shì)：

1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容跟理論課匹配，手動(dòng)編程可以深入理解課堂所學(xué)的理論；

2）實(shí)驗(yàn)采用我院機(jī)房即可，學(xué)生也可在自己的電腦安裝MATLAB軟件，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地自由；

3）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，自學(xué)能力，查閱資料的能力和捕獲有用知識(shí)的能力。學(xué)生可以自由發(fā)揮想象力，更改參數(shù)，不必?fù)?dān)心對(duì)設(shè)備的損壞，無(wú)形中開(kāi)闊了學(xué)生的思路，深化理論知識(shí)，把理論轉(zhuǎn)為實(shí)踐；

4）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中僅僅使用的是PC機(jī)，沒(méi)有像實(shí)驗(yàn)箱一樣對(duì)元器件的損耗，可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室器材缺乏和器材的更新，減少了資金的投入，實(shí)驗(yàn)室維護(hù)更加方便。

5）完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)后，還可以根據(jù)學(xué)時(shí)等實(shí)際具體情況，增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)指導(dǎo)教師給予的設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)題目，學(xué)生自行獨(dú)立完成方案的設(shè)計(jì)，參數(shù)的計(jì)算和調(diào)試等，非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)能力、整合知識(shí)的能力和研究能力。我校電信專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在大四前已開(kāi)設(shè)了《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》和《MATLAB程序設(shè)計(jì)》這兩門(mén)程序設(shè)計(jì)課程，有堅(jiān)實(shí)的編程基礎(chǔ)和對(duì)MATLAB語(yǔ)言的應(yīng)用能力。為了幫助學(xué)生掌握理論知識(shí)和實(shí)踐理論知識(shí)、提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、培養(yǎng)編程動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，綜合考慮課程開(kāi)設(shè)的時(shí)間、實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)（僅有16學(xué)時(shí)），我們的實(shí)驗(yàn)課僅僅只能局限在驗(yàn)證性方面，但已完全可以為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，工作和進(jìn)一步深造奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3仿真實(shí)例

實(shí)驗(yàn)課時(shí)為16學(xué)時(shí)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)為2個(gè)學(xué)時(shí)，總共有8個(gè)。文中以第3個(gè)實(shí)驗(yàn)———幅度調(diào)制和解調(diào)為例介紹實(shí)驗(yàn)課程的改革。

3.1幅度調(diào)制原理簡(jiǎn)介

幅度調(diào)制由一個(gè)相乘器和一個(gè)沖激響應(yīng)為h（t）的帶通濾波器組成。模型的時(shí)域表達(dá)式為sm（t）=∞-∞乙h（τ）m（t-τ）cos（ωct-ωcτ）dτ=cosωct∞-∞乙h（τ）m（t-τ）cos（ωct）dτ+sinωct∞-∞乙h（τ）m（t-τ）sin（ωct）dτ（1）頻域表達(dá)式為：Sm（ω）=12[M（ω-ωc）+M（ω+ωC）]H（ω）（2）選擇適當(dāng)?shù)臑V波器h（t），便可得到各種調(diào)幅信號(hào)：1）常規(guī)調(diào)幅AM：H（ω）為全通網(wǎng)絡(luò)，m（t）有直流成分；2）抑制載波雙邊帶調(diào)制DSB：H（ω）為全通網(wǎng)絡(luò)，m（t）無(wú)直流成分；3）單邊帶調(diào)制SSB：H（ω）是截止頻率為ωc的高通或低通濾波器；4）殘留邊帶調(diào)制VSB：H（ω）是特定的互補(bǔ)特性濾波器

3.2幅度調(diào)制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱上的實(shí)驗(yàn)僅僅能做普通雙邊帶調(diào)制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的步驟接好線(xiàn)后，可以直接觀察普通雙邊帶的調(diào)幅波形、調(diào)幅波形的頻譜和解調(diào)波形。部分學(xué)生把示波器的波形跟實(shí)驗(yàn)冊(cè)的波形進(jìn)行比較，一致則證明實(shí)驗(yàn)正確，一般都不分析電路原理和調(diào)制解調(diào)原理。采用MATLAB編程可以在相同的時(shí)間內(nèi)仿真幅度調(diào)制的普通調(diào)幅（AM）、抑制雙邊帶調(diào)制（DSB）、單邊帶調(diào)制（SSB）和殘留邊帶調(diào)制（VSB）這四種的調(diào)制波形，頻譜及解調(diào)的波形。仿真過(guò)程的程序要求學(xué)生自己編寫(xiě)，所以學(xué)生實(shí)驗(yàn)前必須掌握調(diào)制及解調(diào)的原理。所以采用MATLAB仿真，學(xué)生可以將靜態(tài)的理論內(nèi)化，并且讓學(xué)生學(xué)會(huì)驗(yàn)證所習(xí)得的經(jīng)驗(yàn)和構(gòu)建新經(jīng)驗(yàn)的方法[1]。由于SSB涉及希爾伯特變換，VSB的濾波器要求有互補(bǔ)特性，這些比較復(fù)雜，所以本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生編寫(xiě)AM和DSB的程序，SSB和VSB的程序上實(shí)驗(yàn)課前由指導(dǎo)老師給出，這樣可以減少編程的難度，把握好實(shí)驗(yàn)的重心是深化通信原理，而不是程序設(shè)計(jì)課程。本實(shí)驗(yàn)的重心是讓學(xué)生掌握正弦波作為載波的幅度調(diào)制的四種典型實(shí)例，通過(guò)時(shí)頻域分析掌握四種幅度調(diào)制的特性和優(yōu)缺點(diǎn)。

3.3幅度調(diào)制仿真結(jié)果

普通調(diào)幅（AM）、抑制雙邊帶調(diào)制（DSB）、單邊帶調(diào)制（SSB）和殘留邊帶調(diào)制（VSB）的仿真結(jié)果如圖1~圖4所示。由圖1（a）出來(lái)的結(jié)果可以觀察采用什么方法解調(diào)，若包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)波形相同，可采用包絡(luò)檢波法和相干解調(diào)恢復(fù)出原始調(diào)制信號(hào)。反之，出現(xiàn)“過(guò)調(diào)幅”現(xiàn)象，這時(shí)用包絡(luò)檢波將發(fā)生失真，可以采用其他的解調(diào)方法，如相干解調(diào)。由于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)用相干解調(diào)，所以本實(shí)驗(yàn)的解調(diào)方法采用相干解調(diào)；（b）和（c）可以看出解調(diào)的效果；（d）可以直接觀察得到AM的頻譜由載頻分量、上邊帶和下邊帶3部分組成；由于AM信號(hào)的總功率包括載波功率和邊帶功率兩部分，只有邊帶功率才與調(diào)制信號(hào)有關(guān)，載波分量并不攜帶信息，所以功率利用率比較低。帶寬是基帶信號(hào)帶寬fH的兩倍。由圖2（a）觀察得到DSB信號(hào)的包絡(luò)不再與調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律一致，因而不能采用簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波來(lái)恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，需采用相干解調(diào)（同步檢波）；（b）和（c）可以看出解調(diào)的效果；（d）可以直接觀察得到DSB的頻譜由上邊帶和下邊帶兩部分組成，帶寬跟AM的一致，是基帶信號(hào)帶寬fH的兩倍，同時(shí)DSB信號(hào)無(wú)載頻分量，調(diào)制效率提高，調(diào)制效率為100%，即全部功率用于信息的傳輸。由于DSB含有兩個(gè)完全相同的邊帶，占用的頻帶寬。

4結(jié)論

利用MATLAB仿真軟件實(shí)現(xiàn)通信原理的虛擬實(shí)驗(yàn)，既能保證學(xué)生通過(guò)動(dòng)手深化理論知識(shí)，又能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新能力。古人云：“授人以魚(yú)，不如授人以漁。”實(shí)驗(yàn)課時(shí)，教師變成了學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者。讓學(xué)生知道如何學(xué)習(xí)，如何處理大量的信息等。實(shí)驗(yàn)課將使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)的客體轉(zhuǎn)為主體。學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室及其宿舍進(jìn)行通信原理的實(shí)驗(yàn)，時(shí)間安排比較自由，同時(shí)學(xué)生可以自行擴(kuò)充學(xué)習(xí)的內(nèi)容，大大節(jié)省實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本。后續(xù)將考慮增加通信原理的課程設(shè)計(jì)這類(lèi)綜合實(shí)驗(yàn)，將學(xué)生分組，給定兩周時(shí)間專(zhuān)門(mén)的完成通信模塊的仿真。這樣可以彌補(bǔ)目前實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不夠豐富的情況，同時(shí)也培養(yǎng)了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力和研究能力。