MATLAB仿真在通信原理課程教學中的應用

陳書文 王玉璽 周近 江蘇第二師范學院數學與信息技術學院

在通信工程、電子信息工程等工科專業中，通信原理是非常重要的專業基礎課，也通常設置為研究生招生考試的專業課，其內容主要分為模擬通信和數字通信兩大部分。在長期的教學實踐中，本科生普遍反映學習該課程的困難是：對數學基礎要求較高，內容缺乏直觀表現，公式推導復雜且難以理解等。這些問題嚴重影響了該課程的教學效果，即便在多媒體教學普及后，教師也只是把課本內容硬搬到屏幕上，并沒有在本質上解決學習內容抽象、理解困難等問題。所以，為了讓學生扎實地掌握通信的基礎理論與系統設計方法，有必要提高該課程的實驗教學效果。

1 MATLAB虛擬實驗環境

MATLAB是美國的數學與系統仿真軟件，它具有數值分析、矩陣運算、數字信號處理、系統控制與優化等基本功能。基于MATLAB的通信虛擬實驗平臺具有三大優勢：

（1）學生能夠自主編程，通過通信仿真實驗加深對課堂所學的理論的理解；

（2）實驗硬件只需要普通機房的PC機，學生也可在自己的電腦上安裝MATLAB軟件，實驗場地選擇自由，實驗教學成本相對較低；

（3）培養學生的自主學習和理論研究的能力，在完成大綱規定的基礎上，學生可以做感興趣的拓展研究。

虛擬仿真平臺可以彌補實驗學時和器件偏少的不足，有利于提高課程教學質量。本文選取模擬通信和數字通信各一例來說明MATLAB仿真的具體應用。

2 MATLAB通信仿真實例

2.1 雙邊帶幅度調制（DSB）

（1）DSB調制的數學原理

再用低通濾波器（LPF）濾去高頻分量，就恢復出了原始信號。

（2）DSB調制的MATLAB仿真

圖1 DSB調信號的波形

圖2 輸出的解調信號與輸入信號波形對比

圖3 DSB調制信號的功率譜

圖1仿真結果顯示，DSB信號的包絡不再與基帶信號 的變化一致，因而不能采用包絡檢波的解調方式，需采用相干解調；圖2顯示了相干解調的效果，即濾除高頻分量后，解調結果與原始信號曲線吻合；圖3表示了DSB信號的頻譜由上、下兩個邊帶組成，且并無載頻分量。所以相比AM，DSB的調制效率提高到了100%，即發送功率全部用于信息的傳輸。從圖3也能看出，DSB調制占用的頻帶寬度與AM一樣，是原始信號的兩倍，成為DSB調制方式最大的缺點。如果學生有興趣觀察(3)式的中間結果 ，可以修改程序增加對 的輸出，如圖4所示。

圖4 相干解調的中間結果r(t)

2.2 二進制振幅鍵控（2ASK）

（1）2ASK調制的數學原理

2ASK可看作由二進制數字基帶信號經過DSB調制的結果，也稱為通斷鍵控（OOK）。其表達式仍可使用(1)式，只是 變成了數字基帶信號

（2）2ASK調制的MATLAB仿真

圖5 NRZ基帶信號的波形（前20個碼元）

圖6 NRZ基帶信號的功率譜

仿真結果圖5顯示，NRZ單極性基帶信號的幅度取值為0V或1V，功率密度由交變波的連續譜與直流分量疊加組成，參見圖6。注意，圖6上的零頻點出現的一個沖擊即代表了基帶信號功率譜中的直流分量。

圖7 2

圖8 2ASK調制信號的功率譜

仿真結果圖7表示，NRZ數字信號經調制后得到的2ASK信號。與圖5對比，只有出現碼元為“1”的時候，才能看見高頻載波。而2ASK信號本質是數字基帶信號的DSB調制，所以其功率譜是把原基帶數字信號的功率譜左右搬移到中心頻率為 與 處，參見圖8。

DSB和2ASK兩種調制方式具有一定的相似性，不同處僅在于基帶信號。選取這兩例，旨在說明本課程的模擬調制與數字調制部分的前后聯系非常緊密。

3 結論

綜上所述，MATLAB仿真可以為通信原理課程的教學與實驗提供有力的支持，有效地解決了該課程教學內容抽象、結論公式不易理解等問題。學生在掌握了MATLAB的基本語言后，可以自行決定實驗內容，設計實驗方案進行實驗，加深對知識的理解與把握，提高自主學習與創新能力。