基于MATLAB的通信原理課程的教學研究

摘 要 在通信工程、電子信息技術等專業中，“通信原理”是其中的主干專業課課程。目前各個高等院校對該課程的實驗教學缺乏新意，實驗手段落后，學生不會主動思考通信理論的真正物理含義，教學實驗的效果不理想。本文以MATLAB為平臺，對模型通信系統中的超外差接收機進行建模和仿真，使學生更加深刻地理解通信原理的數學和實際模型，效果非常好。

關鍵詞 通信原理 MATLAB 超外差接收機 建模仿真

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

1 通信原理的課程特點

在通信工程、電子信息技術等專業中，“通信原理”是其中一門非常重要的專業課課程，各個高等院校對該課程都安排了相應的配套實驗箱，開展了二進制PSK、PCM等簡單的課程實驗，驗證課程的理論結果。這些通信原理的實驗教學內容缺乏新意，實驗手段陳舊落后，學生只是為了完成實驗而做實驗，不會主動思考通信理論的真正物理含義，教學實驗的效果不理想。

“通信原理”①主要分為兩大部分：模擬通信和數字通信。而模擬幅度調制是最基礎的無線電遠距離傳輸技術。本文結合頻分復用和超外差接收機系統的建模和仿真，研究MATLAB在通信原理課程教學實驗中的應用。

2 MATLAB基本功能及其在通信中的應用

MATLAB是由美國的MathWorks公司推出的一種科學計算和工程仿真軟件，專門以矩陣的形式處理數據。MATLAB將高性能的科學計算、結果可視化和編程集中在一個易于操作的環境中，并提供大量的內置函數，具有強大的矩形計算和繪圖功能，適用于科學計算、控制系統、信息處理等領域的分析、仿真和設計工作。目前，在世界范圍內被科研工作者、工程技術人員和院校師生廣泛應用。

MATLAB工具軟件可以幫助學生掌握通信的基本原理及分析方法，提高相應的運算能力和動手能力。通過調整教學實驗的內容，使得學生在建立概念的同時，能夠給出定量和定性的分析，最終將理論和實踐聯系起來。

另外，MATLAB為用戶提供了專業的通信工具箱，②用于設計和分析通信系統物理層的算法。工具箱包括100多個MATLAB函數可用于通信算法的開發、系統分析及設計。通信工具箱能完成以下任務：信源編碼及量化；高斯白噪聲信道模型；差錯控制編碼；調制和解調；發送和接收濾波器；基帶和調制信道模型；多址接入，CDMA、FDMA和TDMA；比較系統誤碼率的圖形用戶界面；用于通信信號可視化的圖形分析和繪制，包括眼圖、星座表和格型；信道的可視化工具。

3 基于MATLAB的通信原理實驗教學舉例

本小節通過實驗教學舉例來展示用MATLAB進行通信系統建模的仿真方法。③

3.1模擬通信系統的建模

對一臺超外差式中波收音機進行建模，仿真其信號處理過程，其中以不同載波頻率同時傳輸兩路不同的調幅信號，以對頻分復用方式進行模擬。接收機可通過設置不同的本機振蕩頻率來選擇接收其中某一路信號。調幅中波接收機的接收頻率段為550～1605kHz，中頻為465kHz，其通信系統模型建模如圖1所示。

本模型將兩個調幅發射機封裝為子系統模型，載波分別為1000kHz和1200kHz，被調基帶信號分別為1000kHz的正弦波和500kHz的方波，幅度為0.3V。

3.2 模擬通信系統的仿真

為了模擬接收機距離不同引起的傳輸衰減，分別以Gain1、Gain2模塊對傳輸信號進行衰減，最后在信道中加入白噪聲并送入接收機。本仿真的接收機模型中沒有設計輸入選頻濾波器和高頻放大器，天線接收信號直接送入混頻器進行混頻。混頻所使用的本機振蕩信號由壓控振蕩器產生，其振蕩頻率始終比接收信號頻率高一個中頻頻率，這樣，接收信號與本機振蕩在混頻器Product模塊中進行相乘運算后，其差頻信號成分的頻率就是中頻頻率，通過中頻帶通濾波器Analog Filter Design1選出，然后由中頻放大器Gain進行中頻放大。放大后的中頻信號再次經過Analog Filter Design2進行中頻濾波后送入包絡檢波器解調，并通過低通濾波器濾除中頻分量。Gain3模塊用來模擬接收機中的基帶信號放大功能，示波器用來對比觀察解調前后的信號。中頻濾波器設置為2階帶通濾波器，中心頻率為設計中頻465kHz，帶寬為12kHz。檢波后的低通濾波器可設置為1階的，截止頻率為6kHz。壓控振蕩器的中心頻率設置為中頻465kHz，壓控靈敏度設置為1kHz/V，這樣壓控振蕩器輸出頻率將等于中頻頻率值與壓控端輸入值之和（單位是kHz）。例如，當壓控輸入值為1000時，壓控振蕩器將輸出1465kHz頻率的正弦波，這樣剛好接收載波頻率為1000Hz的調幅信號。所以，壓控輸入端的值就是接收機所要接收的信號頻率。模型中用Slider Gain作為滑塊增益調整，在仿真中雙擊該模塊可“實時”地調整設置的接收頻率，以觀察接收機輸出變化。

圖2給出了示波器顯示的對兩發射信號的接收仿真波形，其中信道噪聲方差設置為0.01，仿真步進為6.23e-8s。接收機對任何信號的傳輸增益都保持不變，而信道對1200kHz電臺的衰減較少，所以其解調幅度相應也較高。

注意，調幅解調輸出信號的平均值（即直流分量）大小與接收信號的強弱成比例，即可以用調幅解調輸出信號的直流分量來衡量接收信號的強弱。

4 結束語

本文利用MATLAB對通信系統進行分析和設計，通過仿真實驗闡明基本概念，強調理論聯系實際。通過計算機作為輔助教學實驗工具，改進了教學方法，讓學生不局限于試驗箱的硬件條件，擁有了更多的自主學習的空間，對通信原理的認知和理解有很好的促進和幫助。

注釋

① 樊昌信，曹麗娜.通信原理（第6版）.國防工業出版社（第6版），2008.

② 陳杰.MATLAB寶典（第3版）.電子工業出版社，2011.

③ 王俊峰，孫江峰.通信原理MATLAB仿真教程.人民郵電出版社，2010.