MATLAB/Simulink軟件在通信原理實驗中的應用

黃曉俊+惠衛華

摘 要 在通信原理實驗教學探索與實踐中，將MATLAB/Simu-link軟件仿真平臺引入傳統的硬件實驗中，優勢互補，實驗內容靈活，調試方便快捷。實踐結果表明，教學效果良好，能激發學生學習的熱情，開闊思路，有助于培養學生的創新能力。

關鍵詞 通信原理實驗；MATLAB/Simulink；軟件仿真

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）16-0045-04

Abstract In the exploration and practice of experimental teaching ofcommunication principles， the MATLAB/Simulink software is intro-duced into the hardware experiment， the advantages are complemen-tary， the experiment contents are flexible， the debugging is conve-nient. The practice results indicated that， the teaching effect is good， can stimulate students learning enthusiasm， wide open train of thought， and help to cultivate students innovation ability.

Key words communication principle experiment； MATLAB/Simu-link； software simulation

1 引言

通信原理實驗課程是通信、電子類專業在大三開設的一門重要的專業實驗課，是通信原理理論教學工作的重要組成部分[1]。目前，喀什大學通信原理實驗課的開展方式主要是利用實驗箱教學，通過簡單的導線連接和可變電阻阻值的調節，借助示波器觀察分析實驗波形，完成簡單原理的驗證。雖然學生可以接觸到硬件電路，親手測量和操作，提高動手能力，但是硬件實驗箱能做的實驗項目固定且簡單，如AM包絡解調實驗等不能做[2]，學生能夠發揮的主觀能動性受到限制，對原理的思考、自主設計完成實驗的機會很少，因此也很難收到理想的教學效果[3-5]。

由于計算機仿真技術的不斷進步和完善，在傳統的基于實驗箱的通信原理實驗教學中引入軟件仿真技術，彌補實驗箱教學的不足，不僅可以做一些基本原理的驗證，而且可以讓學生自由發揮，自主設計綜合性的實驗項目，使他們對通信的原理、系統的概念有更深刻的認識，有利于理論和實踐教學的互相融合，有利于學生綜合素質提高和創新能力培養[6]。

Simulink是一種基于MATLAB軟件的框圖設計環境，可以完成動態系統的建模、仿真和分析，它提供的圖形用戶接口GUI，只需單擊和拖動鼠標就能創建出模型方框圖，如同用筆在草紙上繪制模型一樣。利用Simulink搭建通信原理仿真實驗平臺，不同于解微分方程和煩瑣的編程，它提供的是一種更快捷、更靈活、更直接明了的方式，能極大地激發學生的主觀能動性，在實驗中能及時發現問題、試驗問題、解決問題，提高學生的綜合、設計、創新能力[2]。

結合喀什大學電子信息類專業通信原理實驗教學現狀，為滿足學生實驗教學與創新實踐能力培養的需要，豐富教學模式，將MATLAB/Simulink軟件仿真引入實踐教學中，對通信原理實驗的內容和軟、硬平臺的結合進行研究和調整，盡力做到優勢互補。

2 基于MATLAB/Simulink的通信原理實驗設計

AM調制解調 調幅（AM）就是標準雙邊帶調制，其時域表達式為[7]：

SAM（t）=[A0+m（t）]cosωct=A0cosωct+m（t）cosωct

式中，A0為外加的直流信號分量；m（t）為調制信號；cosωct為載波。

AM的解調方法分為兩類：包絡檢波和相干解調。包絡檢波是指AM波的包絡與調制信號的形狀完全一樣，因此用該方法可以很容易恢復出原始調制信號。但條件是∣m（t）∣max

≤A0，否則就會出現“過調幅”現象，包絡檢波將會發生失真。相干解調是指接收端將已調信號與本地提供的同頻同相載波相乘后，過低通濾波器，濾除高頻分量，即可得到原始的低頻基帶信號。

喀什大學通信原理實驗箱的硬件實驗中，針對AM的解調采用的是相干解調，為了彌補硬件實驗的不足，讓學生自己完成系統建模、仿真性能，觀察時域波形的變化和過調，分析頻譜特點等。基于MATLAB/Simulink軟件平臺，搭建的AM調制及包絡、相干解調仿真模型mdl文件如圖1所示，調制和解調波形分別如圖2和圖3所示。

參數設置：

直流分量A0（Constant模塊）：1

調制信號m（t）（Sine Wave模塊）：振幅為0.3，初相90°，頻率為1 Hz的正弦波

載波cosωct（Sine Wave1模塊）：振幅為1，初相90°，頻率為10 Hz的正弦波

隨機噪聲（Random Number模塊）：均值0、方差0.01的高斯噪聲

包絡檢波器（Saturation模塊）：上線門限分別設置為inf和0

濾波器（Analog Filter Design模塊）：截止頻率2 Hz

的二階巴特沃斯低通濾波器

注意：Simulink每個模塊頻率仿真參數用的是角頻率rad/s，相位是rad。

由圖3可知，相干解調輸出信號比包絡檢波輸出信號要大，波形中噪聲成分要小，通過調整參數，也可以仿真包絡檢波的門限效應。在圖1所示系統基礎上，通過改變輸入、增添相應的濾波器和參數設置，即可完成DSB、SSB、VSB的調制和相干解調，幫助學生更透徹地理解和掌握線性幅度調制的原理，同時體現軟件仿真的靈活性、快捷性。endprint

PCM編碼 脈沖編碼調制（PCM）是將模擬信號變換成二進制數字信號的常用方法，它在數字微波、光纖通信中均獲得廣泛應用。PCM信號的形成要經過抽樣、量化和編碼三個步驟。編碼的任務是根據輸入的樣值轉換成相應的8位二進制代碼，主要采用的是A率13折線逐次比較法。基于MATLAB/Simulink的軟件平臺，搭建的PCM編碼仿真模型mdl文件如圖4所示[8]。圖中采樣數據經限幅器歸一化到-1～+1范圍，上路經Relay模塊判斷正負，大于0判為1，否則為0，并輸出第一位極性碼；下路取絕對值并經十三折線壓縮后，樣值范圍再放大到0～127，然后經四舍五入后進入十/二進制轉換器，完成PCM低7位碼的輸出[9]。這里的仿真將十三折線壓縮和編碼分兩步完成，原理上是壓縮和編碼同時進行，幫助學生分步理解，拓寬思路。

圖4實現的是以定步長0.2，對正弦波一個周期采得的六個點進行PCM編碼，并將結果輸出到Workspace，可以在Workspace中雙擊變量名simout，查看其值。對于單個的數值編碼，可以將正弦輸入改為Constant模塊，結果會在Display模塊的八個窗口中依次從上往下顯示。

參數設置：

輸入信號（Sine Wave模塊）：振幅為1，初相90°，頻率為1 Hz的正弦波

限幅器（Saturation模塊）：上限值為1，下限值為-1

Relay模塊：上門限值和下門限值都設置為eps，大于上門限值時輸出值設置為1，小于下限值時的輸出值設置為0

13折線近似壓縮（Look-Up Table模塊）：輸入數組設置為[1，1/128，1/64，1/32，1/16，1/8，1/4，1/2，1]，輸出數組設置為[0：1/8：1]。

PCM譯碼是編碼的逆過程，這里不再詳細說明。針對PCM編碼的復雜性和抽象性，通過MATLAB/Simulink軟件仿真，串接起編碼所需各個模塊，使得原理脈絡更清晰、明了，克服硬件電路被封裝不夠直觀、容易受干擾等缺點。同時可以輔助學生完成課后作業。

二進制數字調制 二進制數字調制是指調制信號為二進制數字基帶信號，對應載波的幅度、頻率和相位只有兩種變化，包含二進制振幅鍵控（2ASK）、二進制頻移鍵控（2FSK）和二進制相位鍵控（2PSK）[7]。振幅鍵控是載波的頻率和初始相位保持不變，僅利用載波幅度變化傳遞數字信息的一種調制方式。2ASK的一般表達式為[7]：

e2ASK（t）=s（t）cosωct

其中，s（t）=∑nang（t-nTs），Ts為碼元持續時間；g（t）為持續時間Ts的基帶脈沖波形。2ASK信號的產生方法通常有兩種：模擬調制法和鍵控法。根據2ASK調制的原理，基于MATLAB/Simulink軟件平臺，搭建的2ASK信號模擬相乘法和鍵控法仿真模型mdl文件如圖5所示。

根據2FSK調制的原理，基于MATLAB/Simulink軟件平臺，搭建的2FSK信號鍵控法仿真模型mdl文件如圖6所示。

根據2PSK調制的原理，基于MATLAB/Simulink軟件平臺，

搭建的2PSK模擬調制法仿真模型mdl文件如圖7所示。

二進制數字調制是多進制調制、現代新型的調制技術MSK、QAM和OQPSK等的基礎，掌握其原理至關重要。通過搭建二進制數字調制系統圖，學生既對調制原理有了更透徹的理解，又可以拋磚引玉，搭建各種解調系統圖，添加Power Spectral Density模塊，還可以分析各種調制方式的頻譜特點。學生可以自由安排仿真練習，不受實驗室環境限制，拓展思路、開闊視野。

3 結束語

通信原理實驗中MATLAB/Simulink軟件平臺的引入，極大克服和彌補了通信原理實驗箱的缺點和不足，增強了實驗的多樣性和生動性，打破了固定時間地點做實驗的局限。這樣一來，學生可以靈活安排、自由仿真，既可以輔助完成作業，又可以對知識的理解更透徹，激發學習的熱情和興趣，同時開闊了思路和視野，并對計算機輔助分析和設計有一定的了解和認知。

參考文獻

[1]許正榮，賈賢龍，李陽，等.通信原理實驗教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2013，30（4）：171-174.

[2]徐彥凱，雙凱，姜珊.通信原理實驗教學的探索[J].實驗室研究與探索，2011（6）：316-318，335.

[3]王玲.非計算機專業《軟件技術基礎》教學實踐[J].實驗科學與技術，2012，10（2）：97-99.

[4]陳麗娜.基于System View的通信原理系統軟件實驗設計[J].實驗室研究與探索，2009，28（9）：62-64.

[5]田克純，覃遠年.《通信原理實驗》的教學內容和方法的改革與實踐[J].實驗技術與管理，2005（8）：99-102.

[6]凌霖，蘇胤杰，晉春.軟件仿真在通信原理實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2011，28（4）：83-85.

[7]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].6版.北京：國防工業出版社，2008.

[8]張水英，徐偉強.通信原理及MATLAB/Simulink仿真[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[9]陳少平，朱翠濤，陳亞光.通信系統的System View仿真[J].計算機工程與應用，2002（13）：159-161.endprint