MATLAB在通信系統(tǒng)仿真教學(xué)中的應(yīng)用研究

任秋潔　呂治國(guó)

【摘 要】本文針對(duì)通信系統(tǒng)仿真課程的實(shí)際特點(diǎn)，研究了MATLAB仿真軟件在該課程中的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)例介紹了MATLAB和Simulink仿真在通信系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用方法，并給出了仿真結(jié)果。實(shí)踐證明，將MATLAB和Simulink用于通信系統(tǒng)的仿真，可以將通信系統(tǒng)中的理論知識(shí)，用直觀的、可視化的形式反映出來(lái)，鍛煉了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力以及計(jì)算機(jī)編程應(yīng)用的能力，改進(jìn)了授課的效果，加深了學(xué)生對(duì)理論的理解程度。

【關(guān)鍵詞】通信系統(tǒng)仿真；MATLAB；Simulink

中圖分類號(hào)： TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）20-0079-002

Research on Application of MATLAB in Teaching Communication System Simulation

REN Qiu-jie LV Zhi-guo

（Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang Henan 471000，China）

【Abstract】According to the actual characteristics of the communication system simulation course，the application of MATLAB simulation software has been studied.The application method of MATLAB and Simulink simulation in communication system simulation is introduced through examples，and the simulation results are given.Practice has proved that MATLAB and Simulink for the simulation of communication system can reflect the theoretical knowledge of communication system in the intuitive and visual form，train students' ability to analyze and solve problems， increase the students' practical ability and computer programming application ability，improve the teaching effect and deepen students understanding of the theory.

【Key words】Communication System Simulation；MATLAB；Simulink

0 引言

通信系統(tǒng)仿真課程是基于通信原理的理論知識(shí)，結(jié)合MATLAB仿真軟件開(kāi)設(shè)的一門(mén)課程，是培養(yǎng)通信工程學(xué)科學(xué)生利用MATLAB對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，增強(qiáng)對(duì)通信原理分析能力和實(shí)踐技能的專業(yè)課程。本文主要介紹了MATLAB軟件、列舉了采樣模型實(shí)例在通信系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用并給出MATLAB和Simulink的仿真結(jié)果，分析了MATLAB在教學(xué)中的應(yīng)用。實(shí)踐證明，將MATLAB和Simulink用于通信系統(tǒng)的仿真，可以將通信系統(tǒng)中的理論知識(shí)，用直觀的、可視化的形式反映出來(lái)，鍛煉了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力以及計(jì)算機(jī)編程應(yīng)用的能力，改進(jìn)了授課的效果，加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，從而可以獲得比較好的教學(xué)效果[1]。

1 MATLAB簡(jiǎn)介

MATLAB是由MathWorks公司推出的用于科學(xué)計(jì)算和工程仿真的軟件[2]。MATLAB是matrix和laboratory的組合，即矩陣實(shí)驗(yàn)室，用于處理矩陣形式的數(shù)據(jù)。

MATLAB主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB將科學(xué)計(jì)算、結(jié)果可視化以及編程集中起來(lái)，提供大量?jī)?nèi)置函數(shù)，具有數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、圖形處理、仿真建模、系統(tǒng)控制和優(yōu)化等功能[3]。Simulink通過(guò)內(nèi)置的模塊，利用鼠標(biāo)拖放的方法建立系統(tǒng)模型的圖形界面，大大減少了編程的時(shí)間。Simulink使得系統(tǒng)的建模過(guò)程變得相對(duì)簡(jiǎn)單直觀，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)充，用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果[4]。

2 通信系統(tǒng)仿真應(yīng)用

2.1 采樣模型

實(shí)際通信中的信號(hào)源大多都是模擬信號(hào)，即信號(hào)在時(shí)間和幅度上均連續(xù)，比如常見(jiàn)的話音信號(hào)、圖像信號(hào)等。要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化傳輸，就需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，也就是我們通常說(shuō)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換包括三個(gè)部分：采樣、量化和編碼。采樣將時(shí)間連續(xù)、幅度連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)間離散、幅度連續(xù)的信號(hào)；量化將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)化為幅度離散的信號(hào)；編碼將量化后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制或多進(jìn)制的碼元進(jìn)行傳輸。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換的第一步采樣是非常關(guān)鍵的。采樣需要保證原始信息不丟失，即采樣速率達(dá)到某一個(gè)值時(shí)就能無(wú)失真地恢復(fù)出原始信號(hào)，由此引出采樣定理。

采樣的過(guò)程是將模擬信號(hào)x（t）與一個(gè)周期性的脈沖信號(hào)？啄（t-nT）相乘，采樣后得到的信號(hào)稱為采樣信號(hào)xs（t），則有采樣信號(hào)

其中周期脈沖信號(hào)的周期為T(mén)s，對(duì)采樣信號(hào)做傅里葉變換，則有

由（1）和（2）可以看出，如果連續(xù)信號(hào)的最高頻率為fc，當(dāng)采樣頻率fs？叟2fc時(shí)，離散頻譜不會(huì)產(chǎn)生重疊。這就是采樣定理，也稱為奈奎斯特采樣定理。其中fs？叟2fc稱為奈奎斯特采樣頻率，最大允許采樣間隔Ts=1/fs稱為奈奎斯特采樣間隔。endprint

2.2 MATLAB仿真

在MATLAB中可以對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行模擬。在MATLAB的Command Window中輸入下列語(yǔ)句，可以得到正弦函數(shù)的采樣信號(hào)。

t=linspace（0，2*pi，100）；

x=sin（t）；

stem（t，x）

仿真結(jié)果如圖1所示，仿真中利用盡可能多的點(diǎn)來(lái)模擬連續(xù)信號(hào)。

MATLAB中的一個(gè)重要功能是help功能，調(diào)用形式為help函數(shù)名。通過(guò)help功能，可以看到所要查詢函數(shù)的調(diào)用方法。上述程序中，我們用到了linspace這個(gè)函數(shù)，可以調(diào)用help linspace，看到該函數(shù)的調(diào)用方法，結(jié)果如下所示。此外，通過(guò)help功能可以方便學(xué)生進(jìn)行自學(xué)。

help linspace

linspace Linearly spaced vector.

linspace（X1，X2） generates a row vector of 100 linearly equally spaced points between X1 and X2.

linspace（X1，X2，N） generates N points between X1 and X2.For N=1，linspace returns X2.

2.3 Simulink仿真

Simulink是MATLAB中通過(guò)模塊之間連接，搭建系統(tǒng)模型，從而進(jìn)行仿真的工具。

采用Simulink進(jìn)行通信建模仿真的基本步驟如下[5]：

1）新建一個(gè)空白的Simulink編輯窗口；

2）在Blockset中挑選所要使用的模塊，拖放到Simulink編輯窗口中，并對(duì)各個(gè)模塊中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；

3）將模塊與模塊進(jìn)行連線，具體的連線方法是：從上一模塊的連接點(diǎn)按住鼠標(biāo)左鍵不放，拖到下一模塊的連接點(diǎn)進(jìn)行釋放，連接的箭頭會(huì)自動(dòng)生成。

4）設(shè)置仿真參數(shù)；

5）進(jìn)行仿真，并觀測(cè)仿真結(jié)果。

圖3為Simulink中采樣過(guò)程的仿真結(jié)果。從上到下依次為原始正弦信號(hào)波形，采樣后信號(hào)波形、恢復(fù)的信號(hào)波形以及采樣信號(hào)。可以直觀的看出采樣的過(guò)程。

仿真中所用正弦波信號(hào)的頻率為10rad/sec，幅度為1，脈沖發(fā)生器的周期為1/30秒，幅度為1，脈沖寬度為脈沖周期的10%，濾波器為8階的butterworth濾波器，通帶頻率為24？仔 rad/sec。

3 MATLAB教學(xué)應(yīng)用

3.1 教學(xué)方式

通信系統(tǒng)仿真是通信工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)課，是一門(mén)將理論與實(shí)際相結(jié)合的課程，理論內(nèi)容涉及到通信原理的許多知識(shí)，通信原理所涉及的內(nèi)容相對(duì)來(lái)說(shuō)比較抽象，不利于學(xué)生進(jìn)行深入理解。如果在課堂上使用MATLAB仿真軟件，將直觀的圖形展示給學(xué)生，就會(huì)使學(xué)習(xí)效果大大提升，從而加深了學(xué)生對(duì)于通信系統(tǒng)理論的理解。

以采樣定理為例，在課堂上傳授理論知識(shí)的同時(shí)，用MATLAB將采樣定理用圖形進(jìn)行展示，學(xué)生通過(guò)圖形，可以直觀的看到原始信號(hào)的波形、所使用的脈沖信號(hào)的波形以及采樣信號(hào)的波形，并可以通過(guò)參數(shù)的設(shè)置，來(lái)改變仿真的結(jié)果，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

根據(jù)“通信系統(tǒng)仿真”課程的特點(diǎn)，可以從以下幾個(gè)方面將MATLAB仿真應(yīng)用于教學(xué)過(guò)程中：

1）可以將Simulink仿真與通信系統(tǒng)中的框圖結(jié)合。在教學(xué)過(guò)程中，選擇典型的框圖，通過(guò)演示的方法，在Simulink中搭建框圖模型，并且通過(guò)模塊中各個(gè)參數(shù)的設(shè)置，讓學(xué)生觀察參數(shù)的改變對(duì)仿真性能的影響，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。

2）通信系統(tǒng)仿真的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中，在MATLAB仿真中通過(guò)系統(tǒng)搭建，參數(shù)設(shè)置，讓學(xué)生對(duì)所要做的實(shí)驗(yàn)有一個(gè)更為深刻的印象，從而獲得較好的實(shí)驗(yàn)效果。

3.2 教學(xué)效果

將MATLAB和Simulink仿真用于通信系統(tǒng)仿真的教學(xué)中，可以將抽象的通信原理知識(shí)，用直觀的、可視化的形式進(jìn)行展示，有助于學(xué)生進(jìn)行理解，鍛煉了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

將MATLAB仿真應(yīng)用于通信系統(tǒng)的理論教學(xué)中，與通信系統(tǒng)中的框圖相結(jié)合，可以加深學(xué)生對(duì)原理的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

將MATLAB和Simulink仿真應(yīng)用于通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，使實(shí)驗(yàn)課的內(nèi)容更加豐富，同時(shí)節(jié)約了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)[6]。

4 結(jié)論

將MATLAB和Simulink用于通信系統(tǒng)的仿真，可以將抽象的通信原理知識(shí)，用直觀的、可視化的形式進(jìn)行展示，有助于學(xué)生進(jìn)行理解，鍛煉了學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，同時(shí)，通過(guò)熟悉掌握MATLAB的過(guò)程，也提高了學(xué)生的動(dòng)手能力以及計(jì)算機(jī)編程應(yīng)用的能力，從而提高教學(xué)質(zhì)量和效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳萍，董興華.將開(kāi)源軟件引入通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探討，2009，28（4）：250-252.

[2]趙靜.基于MATLAB的通信系統(tǒng)仿真[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：1-2.

[3]關(guān)學(xué)梅，陳純鎧.基于Matlab的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25（5），99-101.

[4]王海華.Matlab/Simulink仿真在“通信原理”教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，31（3）：67-70.

[5]李向莉.基于SIMULINK的通信原理可視化動(dòng)態(tài)仿真[J]. 大眾科技，2008，104（4）：31-32.

[6]黨小宇，劉兆彤.Simulink在“通信原理”研究型教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（6）：118-120.endprint