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考試的課程之一，同時是電子信息工程專業學生從事通信相關產業的基礎課程。由于我校（西南林業大學）電子信息工程專業該課程開設在大四上學期，此時的學生正在為考研和就業做準備，掌握《通信原理》對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），其內容豐富，要求學習者有堅實的數學應用基礎，學習難度大；而且概念抽象，理論性強，學習極容易感到枯燥無味。為了讓學生盡可能掌握通信的基礎理論和設計思想，實驗課程必須與理論課程緊密結合起來。

1傳統的實驗課教學中存在的一些問題

通信原理的實驗平臺以往為實驗箱，使用方便，但在實驗教學中發現該設備存在以下幾個方面的問題：

1）實驗箱中模塊系統結構已經固化，參數等已基本設定好，實驗方式機械；

2）實驗的步驟在實驗指導書上已有明確的說明，學生只需一步一步接線即可得到實驗結果，不用動腦分析實驗原理，也不用弄明白實驗電路的工作原理，只要實驗箱完好，并接線正確，就可以在示波器得到實驗結果；

3）實驗內容受實驗箱設備的局限，內容不夠豐富，不能開拓學生的思路，不能提高學生學習的積極性，同時無法培養學生創新能力；

4）設備極容易受到損壞，每學期實驗過后，完好的實驗箱都逐漸減少。

2matlab搭建通信原理虛擬實驗平臺

MATLAB是一套功能強大的工程技術數值運算和系統仿真軟件，它具有數值分析、矩陣運算、數字信號處理、仿真建模、系統控制和優化等功能，Simulink是MATLAB提供的一種可視化仿真模型庫，它使用戶能夠以模塊化設計的方式完成系統的建模和仿真。基于MALTAB的功能特點，采用MATLAB搭建通信原理虛擬實驗平臺可以克服傳統實驗箱實驗的缺點，同時還具有以下5大優勢：

1）實驗內容跟理論課匹配，手動編程可以深入理解課堂所學的理論；

2）實驗采用我院機房即可，學生也可在自己的電腦安裝MATLAB軟件，實驗場地自由；

3）培養學生的創新能力，自學能力，查閱資料的能力和捕獲有用知識的能力。學生可以自由發揮想象力，更改參數，不必擔心對設備的損壞，無形中開闊了學生的思路，深化理論知識，把理論轉為實踐；

4）實驗過程中僅僅使用的是PC機，沒有像實驗箱一樣對元器件的損耗，可以彌補實驗室器材缺乏和器材的更新，減少了資金的投入，實驗室維護更加方便。

5）完成驗證性實驗后，還可以根據學時等實際具體情況，增加綜合設計性實驗，通過指導教師給予的設計過程和設計題目，學生自行獨立完成方案的設計，參數的計算和調試等，非常有利于培養學生的綜合應用設計能力、整合知識的能力和研究能力。我校電信專業的學生在大四前已開設了《C語言程序設計》和《MATLAB程序設計》這兩門程序設計課程，有堅實的編程基礎和對MATLAB語言的應用能力。為了幫助學生掌握理論知識和實踐理論知識、提高學生學習的興趣、培養編程動手能力和創新能力，綜合考慮課程開設的時間、實驗課學時（僅有16學時），我們的實驗課僅僅只能局限在驗證性方面，但已完全可以為后續的畢業設計，工作和進一步深造奠定堅實的基礎。

3仿真實例

實驗課時為16學時，每個實驗為2個學時，總共有8個。文中以第3個實驗———幅度調制和解調為例介紹實驗課程的改革。

3.1幅度調制原理簡介

幅度調制由一個相乘器和一個沖激響應為h（t）的帶通濾波器組成。模型的時域表達式為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）頻域表達式為：Sm（ω）=12[M（ω-ωc）+M（ω+ωC）]H（ω）（2）選擇適當的濾波器h（t），便可得到各種調幅信號：1）常規調幅AM：H（ω）為全通網絡，m（t）有直流成分；2）抑制載波雙邊帶調制DSB：H（ω）為全通網絡，m（t）無直流成分；3）單邊帶調制SSB：H（ω）是截止頻率為ωc的高通或低通濾波器；4）殘留邊帶調制VSB：H（ω）是特定的互補特性濾波器

3.2幅度調制實驗設計

傳統的實驗箱上的實驗僅僅能做普通雙邊帶調制實驗，實驗按實驗指導書的步驟接好線后，可以直接觀察普通雙邊帶的調幅波形、調幅波形的頻譜和解調波形。部分學生把示波器的波形跟實驗冊的波形進行比較，一致則證明實驗正確，一般都不分析電路原理和調制解調原理。采用MATLAB編程可以在相同的時間內仿真幅度調制的普通調幅（AM）、抑制雙邊帶調制（DSB）、單邊帶調制（SSB）和殘留邊帶調制（VSB）這四種的調制波形，頻譜及解調的波形。仿真過程的程序要求學生自己編寫，所以學生實驗前必須掌握調制及解調的原理。所以采用MATLAB仿真，學生可以將靜態的理論內化，并且讓學生學會驗證所習得的經驗和構建新經驗的方法[1]。由于SSB涉及希爾伯特變換，VSB的濾波器要求有互補特性，這些比較復雜，所以本實驗要求學生編寫AM和DSB的程序，SSB和VSB的程序上實驗課前由指導老師給出，這樣可以減少編程的難度，把握好實驗的重心是深化通信原理，而不是程序設計課程。本實驗的重心是讓學生掌握正弦波作為載波的幅度調制的四種典型實例，通過時頻域分析掌握四種幅度調制的特性和優缺點。

3.3幅度調制仿真結果

普通調幅（AM）、抑制雙邊帶調制（DSB）、單邊帶調制（SSB）和殘留邊帶調制（VSB）的仿真結果如圖1~圖4所示。由圖1（a）出來的結果可以觀察采用什么方法解調，若包絡與調制信號波形相同，可采用包絡檢波法和相干解調恢復出原始調制信號。反之，出現“過調幅”現象，這時用包絡檢波將發生失真，可以采用其他的解調方法，如相干解調。由于后續的實驗用相干解調，所以本實驗的解調方法采用相干解調；（b）和（c）可以看出解調的效果；（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制信號有關，載波分量并不攜帶信息，所以功率利用率比較低。帶寬是基帶信號帶寬fH的兩倍。由圖2（a）觀察得到DSB信號的包絡不再與調制信號的變化規律一致，因而不能采用簡單的包絡檢波來恢復調制信號，需采用相干解調（同步檢波）；（b）和（c）可以看出解調的效果；（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，是基帶信號帶寬fH的兩倍，同時DSB信號無載頻分量，調制效率提高，調制效率為100%，即全部功率用于信息的傳輸。由于DSB含有兩個完全相同的邊帶，占用的頻帶寬。

4結論

利用MATLAB仿真軟件實現通信原理的虛擬實驗，既能保證學生通過動手深化理論知識，又能夠提高學生的學習興趣和培養創新能力。古人云：“授人以魚，不如授人以漁。”實驗課時，教師變成了學生學習的指導者。讓學生知道如何學習，如何處理大量的信息等。實驗課將使學生由被動學習的客體轉為主體。學生可以在實驗室及其宿舍進行通信原理的實驗，時間安排比較自由，同時學生可以自行擴充學習的內容，大大節省實驗設備的成本。后續將考慮增加通信原理的課程設計這類綜合實驗，將學生分組，給定兩周時間專門的完成通信模塊的仿真。這樣可以彌補目前實驗學時少，實驗內容不夠豐富的情況，同時也培養了學生的綜合設計能力、創新能力和研究能力。