Matlab/Simulink在高職“通信原理”仿真教學中的應用

周彩霞

(長沙航空職業技術學院，湖南 長沙 410124)

通信原理是通信技術專業的核心專業課程，具有理論性強、直觀性差、公式推導多、概念抽象等特點，學生不易理解與掌握。而高職教育強調淡化理論推導，注重基本概念，原理方法的介紹，加強理論與實踐的聯系，注重學生實踐應用能力的培養。因此如何上好“通信原理”這門課，一直以來是困擾高職通信技術專業老師的問題。

一、高職“通信原理”課程教學存在的主要問題

隨著高職教育教學改革的不斷推進，“通信原理”課程教學中存在的問題與不足愈加凸顯。

1）課程教學內容中理論推導多，而學生基礎弱。高職學生理論基礎普遍較差，數學功底薄弱，繁多的理論分析與公式推導嚴重打擊學生的學習積極性。

2）學生樂于動手操作，卻不善聯想思考。多數學生在實驗實訓時只愿搞清楚怎么動手操作，怎么搭建與測試通信電路，卻很少會認真分析與思考理實之間的聯系。

3）實踐課大多以驗證性試驗為主，缺乏綜合性與創新性。由于實訓條件受限，課內實驗以驗證為主，學生處于被動學習狀態，影響學生動手操作、設計能力的提升。

二、教學中引入 Matlab/Simulink仿真的必要性

Matlab 環境下的 Simulink[1，2]，擁有豐富的系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的仿真系統。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點[3]，它提供了交互式圖形化環境和可定制模塊庫，是學習、分析與設計通信系統強有力的工具。

根據高職學生樂于動手操作而不愿意理論分析與數學推導的特點，將Simulink 引入到“通信原理”課程教學中，使課堂講授與模擬演示相結合，實際操作與仿真實驗相補充，對于難于理解與領會的內容、抽象的概念、不易觀察的某些現象及發展過程，教師課堂現場演示或指導學生上機操作，利用Simulink進行系統建模和圖形處理，可使其準確、形象、直觀、可靠地表現出來，從而加深學生對所學知識的理解，起到事半功倍的教學效果[4]。

三、實際應用案例

下面以“AM調制與解調通信系統仿真”為例，來說明使用Simulink進行系統仿真的過程。

（一）實現原理

AM調制原理[5，6]：是用調制信號m(t)去控制高頻正弦載波信號cosωc(t)的幅度，使其按調制信號的規律變化的過程SAM(t)是已調信號，即AM信號。A0為常數。實現框圖如1所示。

圖1 AM調制原理框圖

AM信號解調原理：是把接收到的已調信號SAm(t)還原為調制信號m0(t)。AM信號的解調方法有兩種：相干解調和包絡檢波。AM相干解調的原理框圖如圖2，是在接收端利用同步載波（頻率、相位與發端載波相同）進行解調，然后低通濾波提取出傳送的信息。包絡檢波器一般是由二極管、電容與電阻構成的半波或全波整流器和低通濾波器組成，整流是只保留信號中幅度大于0的部分，濾波是過濾出調制信號。

圖2 AM相干解調原理框圖

從上述調制解調框圖來看，框圖顯示不夠直觀,不容易理解整個信號的調制解調過程,學生理解難度比較大。

（二）仿真思路

首先，依據實現框圖來創建仿真電路模型，根據要分析的對象來接入測試儀器。以AM調制的相干解調系統為例，信號在系統中傳輸時，考慮到噪聲影響加入了高斯白噪聲，并通過帶通濾波器來限定信道的上下限頻率，如圖3所示。

其次，對各電路模塊依據需求進行參數設置。信源Sine Wave參數：幅度1，角頻率10rad/s；載波Sine Wave1、2參數：幅度1，角頻率100rad/s；Analog Filter Design BPF參數：下限角頻率90rad/s，上限角頻率110rad/s；Analog Filter Design1 LPF參數：截止角頻率 10rad/s；高斯白噪聲Gaussian Noise Generator參數：均值0，標準方差1。

圖3 AM調制相干解調系統電路模型

然后，仿真測試并分析測試結果。測試結果如圖4所示，當mA=0.5時，圖4(a)是調制信號與已調AM信號的對比波形，圖中非常直觀的反應了AM信號包絡變化與m(t)的關系；圖4(b)是調制信號與解調信號的對比波形，顯然，解調信號相對調制信號有一系統延時，且由波形對比可分析解調信號是否有失真。

圖4 mA =0.5時的測試波形

（三）測試分析

仿真模型創建好后，不僅可以觀察仿真結果，還可以通過隨心改變參數設置、靈活添加測試儀器來引導學生討論電路中可能會出現的各種想象與問題。

比如，通過改變調制信號幅度值來改變mA，分三種情況：0＜mA＜1，mA=1，mA＞1 仿真測試，來分析調幅系數mA對AM包絡的影響。測試結果如圖5，顯而易見當0＜mA＜1時，正常調制，AM包絡變化反映調制信號的變化規律當mA=1時，滿幅調制當mA＞1時，過調制，此時AM信號的包絡變化已失真。

圖 5 0＜mA＜1，mA=1，mA＞1 三種取值下 AM 信號的波形

為測試噪聲大小對系統性能的影響，可通過改變Gaussian Noise Generator的均值與方差來觀察解調后信號失真度大小與噪聲功率之間的關系。如圖6所示，取高斯白噪聲的均值μ=0，方差σ2=0，σ2=10，σ2=50三種情況（在通信信道中，一般噪聲均值為零時，噪聲的平均功率等于其方差）來引導學生進行仿真，由測試結果可見，方差越大，噪聲功率越大，解調信號的失真就越嚴重。

圖6 噪聲方差σ2=0，σ2=10，σ2=50三種情況下解調信號的波形

圖7 添加頻譜儀后的AM系統電路模型

圖8 AM調制前后頻譜分布圖

還可從頻域出發對信號的頻譜進行分析，在原電路模型的基礎上添加頻譜儀。如圖7所示。為能清楚地看到調制前后信號頻譜搬移的情況，電路中添加了兩個Spectrum Scope頻率儀分別來測信源頻譜與AM信號頻譜，載波參數Sine Wave1、2的角頻率設置為10000rad/s。測試結果如圖8所示，兩頻譜分布圖證明：調制前后頻譜形狀沒變，調制后信源頻譜被線性搬移到了載波的兩邊。

四、結束語

由于電路搭建簡單方便，參數設置輕松易控，結果顯示直觀形象，不需要繁雜的數學推導，因此高職學生在理論知識欠缺的情況下，通過Simulink仿真不僅可以很快掌握與強化所學的基本原理與技術，而且Simulink仿真不受實驗設備、條件、時間等限制，學生還可以利用課余時間自主操作與練習，極大地調動了學生的學習興趣和積極性，取得了良好的教學效果。