MATLAB在數(shù)字通信原理教學(xué)改革中的應(yīng)用

【摘要】本文介紹了數(shù)字通信原理課程的特點(diǎn)，探討了MATLAB在數(shù)字通信原理教學(xué)中的應(yīng)用。通過具體教學(xué)實(shí)例和實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果說明了將MATLAB應(yīng)用于數(shù)字通信原理的教學(xué)之中，對(duì)教學(xué)的改進(jìn)很有幫助。MATLAB是數(shù)字通信原理課程的強(qiáng)有力的輔助工具。研究結(jié)果對(duì)數(shù)字通信原理教學(xué)改革具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字通信原理 MATLAB 教學(xué)改革

一、引言

數(shù)字通信原理是通信工程和電子信息專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是眾多高校的研究生入學(xué)考試科目之一。數(shù)字通信原理的主要內(nèi)容包括數(shù)字信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)、模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸、多路復(fù)用與數(shù)字復(fù)接、準(zhǔn)同步與同步數(shù)字傳輸體系、數(shù)字信號(hào)的基帶傳輸、數(shù)字信號(hào)的頻帶傳輸、同步原理、差錯(cuò)控制編碼、偽隨機(jī)序列及應(yīng)用。數(shù)字通信原理課程對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求很高，概念和原理很抽象，很多抽象的理論和信號(hào)變化的過程很難用板書和多媒體課件描述清楚。學(xué)生普遍認(rèn)為比較難掌握這門課。

MATLAB是Math Works公司推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化的科學(xué)工程軟件。由于MATLAB的功能強(qiáng)大，在系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號(hào)處理、圖形圖像分析、通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。

將MATLAB應(yīng)用于數(shù)字通信原理的教學(xué)之中，可以對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)仿真，反映通信系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作情況，具有很好的可視化、演示性特點(diǎn)[2]。MATLAB是數(shù)字通信原理課程教學(xué)中很好的輔助工具。

二、數(shù)字通信原理中的m序列

偽隨機(jī)序列及應(yīng)用是數(shù)字通信原理中非常重要的內(nèi)容。偽隨機(jī)序列在誤碼率測(cè)量、時(shí)延測(cè)量、擴(kuò)頻通信等方面都有十分廣泛的應(yīng)用[3]。在擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)中，偽隨機(jī)序列起著很重要的作用。在直接序列擴(kuò)頻中，用偽隨機(jī)序列將傳輸信息展寬，在接收時(shí)又用它將信號(hào)壓縮。m序列是最長線性反饋移位寄存器序列的簡稱，是一種重要的偽隨機(jī)序列。m序列的產(chǎn)生是通過帶線性反饋的移位寄存器產(chǎn)生的。一個(gè)n級(jí)線性反饋移位寄存器可產(chǎn)生的m序列的最長周期等于（2n-1）。

由n=4級(jí)線性反饋移位寄存器構(gòu)成的m序列產(chǎn)生器如圖1所示，該產(chǎn)生器產(chǎn)生的m序列周期最長為15。若各移位寄存器的初始狀態(tài)（A3，A2，A1，A0）= (0，0，0，1)，則產(chǎn)生的m序列的一個(gè)周期為100010011010111。用板書的教學(xué)方法推到出該結(jié)果，需要很多時(shí)間，而且教學(xué)效果也不理想。

圖1 m序列的產(chǎn)生器

三、MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)

m序列的相關(guān)原理比較抽象，用板書或課件的形式講解，課堂效果都不是很好，學(xué)生普遍認(rèn)為比較難理解這部分知識(shí)。采用MATLAB軟件可將m序列的產(chǎn)生過程和結(jié)果直觀地現(xiàn)實(shí)出來。

（一） n=4級(jí)移位寄存器產(chǎn)生m序列

移位寄存器級(jí)數(shù)n=4，反饋系數(shù)c=[1，0，0，1，1]，各寄存器初始狀態(tài)z=[0，0，0，1]。產(chǎn)生的m序列的一個(gè)周期為100010011010111， m序列矩形成形信號(hào)如圖2所示。使用MATLAB，可以快速得到m序列的具體形式，而且可以直接觀察到m序列的矩形形成信號(hào)。

圖2n=4級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的m序列

clc

close all

clear all

n=4;

p=2^n-1;

c=zeros(1，n+1);

c=[1，0，0，1，1] ;

z=zeros(1，n) ;

z=[0，0，0，1];

L=1000

for j=1:p

v=0;

m(j)=z(n);

for i=2:n+1

if c(i)==1

v=v+z(i-1);

end

end

z=circshift(z，[0，1]);

z(1)=mod(v，2);

end

N_sample=8;

Tc=1;

dt=Tc/N_sample;

t=0:dt:Tc*p-dt;

gt=ones(1，N_sample);

mt=sigexpand(1-2*m，N_sample);

mt=conv(mt，gt);

figure(1)

plot(t，mt(1:length(t)));

axis （[0 15 -1.2 1.2] ）；title （'m序列矩形信號(hào)'）

（二） n=6級(jí)移位寄存器產(chǎn)生m序列

如果想得到n=6級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的m序列，只需對(duì)上述程序稍作修改，令程序中移位寄存器級(jí)數(shù)n=6，反饋系數(shù)c=[1 0 0 0 0 1 1]，各寄存器初始狀態(tài)z=[ 0 0 0 0 0 1]。m序列矩形成形信號(hào)如圖3所示，產(chǎn)生的m序列的一個(gè)周期為1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1

圖3 n=6級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的m序列

若想等到其他周期的m序列，只需要更改n、c和z三個(gè)參數(shù)即可。

四、結(jié)束語

在教學(xué)過程中，得到m序列的具體形式是很必要的，這是對(duì)m序列性質(zhì)及應(yīng)用進(jìn)一步分析和討論的基礎(chǔ)。但是如果想通過傳統(tǒng)的板書方法，通過理論推導(dǎo)得到周期比較長的m序列，是一件非常耗時(shí)的工作，而且教學(xué)的效果并不理想。使用MATLAB可以快速得到已知條件下的m序列。為了節(jié)省寶貴的課堂時(shí)間，減少不必要的時(shí)間的浪費(fèi)，在數(shù)字通信原理的教學(xué)之中，適當(dāng)?shù)氖褂肕ATLAB是非常必要的。

并且通過該實(shí)例，還可以清楚的看出，使用MATLAB可使教學(xué)過程變得具有演示性和可視性，學(xué)生更容易理解和接受抽象的原理。MATLAB是數(shù)字通信原理課程非常好的輔助工具。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉衛(wèi)國. MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京：高等教育出版社，2002.

[2]肖珂，張?jiān)虑宓? MATLAB在《通信原理》課程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009， 11（2）: 1282-1291.

[3]樊昌信，曹麗娜. 通信原理[M]. 第6版.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[4]郭文彬，桑林. 通信原理-基于Matlab的計(jì)算機(jī)仿真[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文