基于Matlab的通信原理仿真實驗研究

袁敏

摘要：通信原理是目前理工類高校中較為重要的基礎課程，通信原理的實驗平臺往往以實驗箱為主，但在實驗教學中發現該設備存在不足。因此，設計基于Matlab的通信原理仿真實驗方法。根據文獻研究結果，設計信號計算軟件，使用Matlab軟件中的DSB模塊作為仿真實驗中的幅度調制部分，可以將數據傳輸至信息載體，便于后期傳輸與調制。通過AM、DSB設計，完成本文研究。構建實驗方法應用測試平臺，通過對比可知此方法使用效果為多種實驗方法中的最優測試結果。由此可知，此方法的使用效果較佳。

關鍵詞：Matlab軟件;通信原理;數字信號

中圖分類號：TN911-4? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）06-0238-02

以往的通信原理課程實驗多以實驗箱為主，實驗箱由廠家提供，為通信原理課程實驗提供驗證性設備，雖然在一定程度上幫助了學生領會課程知識，但隨著課程的改革與發展，實驗箱的弊端也逐漸顯露出來，實驗箱動手操作范圍受限，實驗設計性不夠理想，實驗精度較低，因此Matlab技術被提出，并應用于通信原理課程仿真實驗中。在科學計算語言使用范圍最為廣泛的就是Matlab，其具有可進行數值模擬、圖形繪制與處理、系統可視化處理以及編程的能力。對于通信原理教學，可使用常用模型與組件功能在Matlab尋找到對應的函數并編寫新的函數，高校學生可根據自己的需求與學習狀態去實現需要的實驗組件和流程，也可以利用Matlab自帶的程序與模型，通過圖像處理的形式將數據可視化，將理論通過圖像的方式直觀地表示出來，加深學生對通信概念的理解[1-3]。基于上述Matlab的使用特性，在此次研究中探索基于Matlab的通信原理仿真實驗教學技術思路，形成合理可行的技術方案[4-6]。隨著信息技術的不斷發展與高校多媒體環境的不斷完善，學生們對于計算機的研究不斷深入，為Matlab的推廣使用提供了基礎條件，在此次研究中將主要對其使用效果展開研究，提升學生對于通信原理的學習效果。

1 基于Matlab的通信原理仿真實驗方法設計

在此次仿真實驗方法設計前，首先對傳統的通信原理仿真實驗方法使用情況進行了研究，發現傳統方法對于通信信號的模擬效果較差，直接影響了通信原理仿真實驗的教學效果，因此，在此次研究中主要對此部分展開優化，具體優化過程如下。

1.1 AM標準調幅設計

在此次研究中使用Matlab軟件作為仿真實驗方法的設計基礎，在此軟件中具有AM模塊，AM模塊可對信號進行處理，將信號經過疊加電流，再經過載波處理，使輸出的信號變為常規雙邊帶調幅信號，即AM信號，AM信號調制模型如圖1所示。

AM信號波形與輸入基帶信號的波形是成正比關系的，因此使用包絡檢波方法可有效恢復原始調制信號。AM信號的上邊帶和下邊帶都攜帶了原始調制信號的全部信息，因此可以將AM信號看作帶有載波的雙邊帶信號，AM信號帶寬是原始信號帶寬的兩倍[7-9]。

1.2 DSB雙邊帶抑制載波調制

DSB信號是指在信號幅度調制中，將濾波器設置為全通網絡，調制信號則設置為無直流分量，如此調制后輸出的信號即為無載波分量的雙邊帶抑制調制信號，即DSB信號。在此處與AM調制有所不同，不能使用包絡檢波方法，是因為DSB信號的包絡與調制信號的波動不是成正比關系，應選取相干解調的方法使DSB信號與AM信號相一致，調制后的DSB信號與AM信號相同，均為雙邊帶信號[10]。DSB信號抑制了載波分量，使得功率利用率有顯著提高。

將上述設定部分有序融合，并將其應用到原有的通信原理仿真實驗方法中，實現對原有方法使用不足的優化過程。至此，基于Matlab的通信原理仿真實驗方法設計完成。

2 方法應用測試

2.1 測試環境設定

在上文中完成了基于Matlab的通信原理仿真實驗的設計部分，為對其使用效果進行全面的分析，構建應用測試環境對其展開研究。在此次測試中，需要將多種仿真實驗方法應用于同一實驗環境中，搭建成完整的通信原理仿真實驗方法測試平臺，實驗測試平臺中多個組件的性能，并檢測每一個單個組件和平臺運行狀態，確定組件之間的參數是否可以正常的傳輸與調用，設定測試參數后測試平臺是否可以做出及時的響應。在測試結束后確定測試結果的正確性，測試流程符合測試操作標準以及用戶的需求。因此，在此次測試中，首先對測試平臺中的單個模塊性能進行測試;當測試平臺集成完畢后，對測試平臺進行集成測試;最后進行測試平臺的運行測試，確保測試平臺可滿足預期的使用效果。

2.2 測試方案設計

根據此次測試目的，在測試的過程中使用Microsoft Office Access數據庫Microsoft SQL Server數據庫構建系統測試平臺數據庫，由于此次測試過程中涉及的數據量較大，因此，將單次測試數據以數據文件的方式存儲到測試數據庫中，并將不同的測試條件設定為單獨的數據表，將測試文件的路徑自動保存在數據庫中，易于訪問與分析。

在此次測試中，將文中設計的仿真實驗方法與LabVIEW方法及SystemView方法進行對比。選定某一通信原理作為測試對象，采用文中設計方法與其他方法對其展開仿真實驗，并對比多種方法的仿真實驗處理時長以及通信信號波動模擬誤差性。在測試過程中，需要控制測試結果的有效性，為此設定實驗共進行14次，將獲取的測試數據存儲到數據庫中，并完成對比分析。

2.3 測試結果分析

根據上述設定的測試環境與測試方案，完成仿真實驗方法測試過程得到下述測試結果，通過數據表示如下。

通過對上述測試結果進行分析，文中設計方法的通信模擬時長相較于傳統方法1與傳統方法2較短。同時通過測試結果縱向對比可知，文中設計方法在多次測試的過程中處理時長較為一致，波動較小。傳統方法1與傳統方法2的通信信號模擬時間較長，且傳統方法2的模擬時間波動較大。在對大量的通信信號處理時，模擬時間較長會對仿真實驗結果造成影響。因此，通過上述對比可知，文中設計方法的仿真處理能力較佳。

通過上述測試結果可知，文中設計方法對于信號的模擬精度較高。傳統方法1與傳統方法2對于信號的模擬精度較低。在多次測試的過程中，文中設計方法的模擬精度長期處于高精準度的狀態。傳統方法1的模擬精度為三種測試方法中最低模擬精度，其在多次實驗中出現模擬精度大幅度波動的問題，嚴重地影響著仿真實驗的效果與通信原理課堂教學的質量。傳統方法2的模擬精度較高，但此方法的使用過程中出現多次模擬精度與傳統方法1相同的情況，可見此方法的使用效果也較為不穩定。綜合上述測試結果可知，文中設計方法對于通信信號的模擬效果更佳。

將上述兩部分實驗結果相結合，對文中設計方法與傳統方法進行全面系統的測定評估可知，文中設計方法的使用效果為多種測試方法中的最優使用效果，在日后的研究中應使用文中設計方法作為通信原理課堂中的主要教學方法。

3 結束語

為克服以往通信原理實驗中實驗箱設備的弊端，提出基于Matlab的通信原理仿真實驗研究，因此，展開對Matlab軟件使用效果的設定。由于此次研究的限制，目前所開發出現的方法僅能進行兩類實驗，為了支持更多的實驗，在接下來的研究中，將開發出更多的實驗組件，為通信原理仿真實驗的實現提供基礎。希望通過此次研究可為通信原理仿真實驗提供更加豐富的實驗方法，并有效提升通信原理課程的教學質量。

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【通聯編輯：張薇】