Simulink在數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

朱家龍　陸超　陸曉東

摘? 要：振幅調(diào)制、頻率調(diào)制和相位調(diào)制是數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)的核心，也是學(xué)生容易混淆的難點。針對這個教學(xué)問題，提出運用MATLAB中的一種可視化仿真工具Simulink進(jìn)行輔助教學(xué)，并構(gòu)建三種Simulink仿真模型。通過對比三種仿真結(jié)果，提高學(xué)生對三種數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)的認(rèn)知和區(qū)分。實踐結(jié)果表明，Simulink的應(yīng)用有助于改善教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：數(shù)字通信；Simulink；調(diào)制技術(shù)；改善教學(xué)

中圖分類號：TP39；G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）13-0177-05

Application of Simulink in Digital Communication Modulation System Teaching

ZHU Jialong， LU Chao， LU Xiaodong

（School of Information Engineering， Suqian University， Suqian? 223800， China）

Abstract： Amplitude modulation， frequency modulation and phase modulation are the core of digital communication modulation system， and they are also a difficult point for students to easily confuse. In response to this teaching problem， a visual simulation tool Simulink in MATLAB is proposed to assist in teaching and construct three Simulink simulation models. By comparing the results of three kinds of simulation， students can improve their cognition and discrimination of three kinds of digital communication modulation systems. Practice result shows that the application of Simulink is helpful to improve the quality of teaching.

Keywords： digital communication; Simulink; modulation technique; improving teaching

0? 引? 言

數(shù)字通信系統(tǒng)領(lǐng)域正在不斷發(fā)展，新技術(shù)和方法正在開發(fā)，以提高這些系統(tǒng)的性能[1]。為了跟上這些變化，學(xué)生對數(shù)字通信系統(tǒng)中使用的基本原理和技術(shù)有一個透徹的理解是至關(guān)重要的。數(shù)字通信系統(tǒng)最重要的方面之一是調(diào)制，它是將信息編碼到載波信號上進(jìn)行傳輸?shù)倪^程[2]。

Simulink是Math Works開發(fā)的基于方框圖的仿真和基于模型的設(shè)計工具，它作為仿真工具為數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)的教學(xué)提供了一個強大而靈活的平臺。這些工具允許學(xué)生在虛擬環(huán)境中快速、輕松地設(shè)計、模擬和分析通信系統(tǒng)，而不需要昂貴的硬件[3-6]。這使學(xué)生可以獲得各種調(diào)制方案的實踐經(jīng)驗，并觀察它們在不同通道條件下的性能。本文通過討論Simulink在振幅調(diào)制（Amplitude Modulation， AM）、頻率調(diào)制（Frequency Modulation， FM）和相位調(diào)制（PhaseModulation， PM）的應(yīng)用，證明Simulink在數(shù)字通信系統(tǒng)教學(xué)應(yīng)用的有效性。

1? 基于Simulink的數(shù)字通信教學(xué)應(yīng)用

1.1? Simulink教學(xué)使用過程分析

Simulink是集成在Matlab軟件下的基于方框圖的仿真工具，由于大部分的學(xué)生的計算機中均安裝了Matlab，無需安裝額外的軟件。啟動Matlab后，點擊圖1中的方框標(biāo)注的圖標(biāo)“Simulink”即可進(jìn)入。點擊圖1中的方框標(biāo)注的圖標(biāo)“Blank Model”即可創(chuàng)建數(shù)字通信仿真模型。

啟動后的Simulink界面如圖2所示，稱其為M-file編輯器，Simulink是基于方框圖的仿真，所有實現(xiàn)的功能都是模塊，例如：示波器在Simulink中如圖2中的Scope圖標(biāo)。調(diào)用示波器的過程有兩種方式：第一種方式：首先點擊“Library Browser”模塊庫，然后在搜索框內(nèi)輸入需要調(diào)用的模塊，最后將搜索到的模塊拖入到M-file編輯器中，完成一次模塊的調(diào)用。第二種方式：首先點擊“Library Browser”模塊庫，在左下色框內(nèi)已經(jīng)按照研究方向分類，打開對應(yīng)的研究類別，例如：Simulink內(nèi)是常用的模塊；Communication Tools內(nèi)是通信相關(guān)的模塊。最后，同樣拖入到M-file編輯器中，完成一次模塊的調(diào)用。

模塊之間的連接是將鼠標(biāo)指針移到模塊連接點附近，在每個模塊的輸出和輸入端口，鼠標(biāo)指針會變成“+”，按鼠標(biāo)左鍵，拖動鼠標(biāo)到另一連接點，松開左鍵即可完成模塊的連接。在每個模塊的輸出和輸入端口對連接線雙擊鼠標(biāo)。按住Shift鍵，再用鼠標(biāo)在要求彎折的地方單擊一下就會出現(xiàn)圓圈，表示折點，可用來進(jìn)行連線的彎折。此外，按住Ctrl鍵，在要求建立分支的地方用鼠標(biāo)單擊一下拉出即可。

值得注意的是，每個模塊拖入到M-file編輯器時是默認(rèn)參數(shù)，教學(xué)過程中，要根據(jù)實驗要求更改每個模塊的參數(shù)。例如：雙擊M-file編輯器中的Sine Wave，打開界面如圖3所示，可以正弦波的幅度（Amplitude）、頻率（Frequency）、初始相位（Phase offset）、采樣時間（Sample time）和采樣率（Sample per time）等基礎(chǔ)參數(shù)。仿真運行時，點擊圖2中，仿真運行區(qū)域內(nèi)的“Run”即可完成運行，通過調(diào)整Stop time內(nèi)的數(shù)值，可以調(diào)整運行時間。運行完成后，雙擊M-file編輯器中的示波器（Scope），可以顯示仿真結(jié)果。

1.2? 數(shù)字調(diào)制技術(shù)的Simulink仿真模型構(gòu)建

下面結(jié)合數(shù)字調(diào)制技術(shù)來介紹Simulink在教學(xué)中的應(yīng)用。具體的基于Simulink的三種調(diào)制技術(shù)仿真模型如圖4所示，圖中是振幅調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM）的Simulink模塊化構(gòu)建。第一步，使用Bernoulli Binary Generator模塊用于產(chǎn)生輸入信號，它的主要功能是根據(jù)設(shè)置的頻率產(chǎn)生隨機二進(jìn)制序列，本文設(shè)置它的頻率為4 Hz。第二步，構(gòu)建振幅調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM）三個數(shù)字通信模塊。第三步，為了便于對比，將三種調(diào)制技術(shù)的調(diào)制結(jié)果顯示在同一個示波器（Scope）中。

1.2.1? AM模塊構(gòu)建過程

使用Sine Wave作為載波信號，其頻率為4 Hz。載波與二進(jìn)制“1”相乘則保留信號，與此同時，載波與二進(jìn)制“0”相乘則幅度發(fā)生明顯變化，其中，Product模塊表示相乘功能。AM調(diào)制是一種數(shù)字通信的基礎(chǔ)調(diào)制技術(shù)，它通過改變信號的振幅（即大小）來表示數(shù)字信息。具體來說，AM調(diào)制通過將一個數(shù)字信號調(diào)制到一個持續(xù)的載波上，以達(dá)到傳輸數(shù)字信息的目的。在接收端，通過解調(diào)技術(shù)，可以恢復(fù)原始的數(shù)字信號。

1.2.2? FM模塊構(gòu)建過程

使用2個Sine Wave模塊作為載波信號，其頻率分別是：4 Hz和12 Hz。載波Sine Wave 1與輸入信號相乘則保留二進(jìn)制為“1”信號，因此頻率為4 Hz的波形表示二進(jìn)制“1”。與此同時，將輸入的二進(jìn)制信號取反，使得原先二進(jìn)制為“0”的信號轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制“1”，將取反的輸入信號與載波Sine Wave 2相乘，因此頻率為12 Hz的波形表示二進(jìn)制“0”。最終，將兩個波形通過Sum模塊疊加成一個波形。調(diào)制通過改變載波頻率來攜帶信息。在FM調(diào)制中，調(diào)制信號（例如語音或數(shù)字信號）的變化導(dǎo)致載波頻率的變化，從而將信息編碼到載波上。由于FM調(diào)制不需要頻帶調(diào)整，因此可以抵抗干擾，使得通信更加可靠。此外，F(xiàn)M調(diào)制可以提供更高的頻寬利用率和更好的音頻質(zhì)量，這是因為它可以涵蓋更大的頻帶。

1.2.3? PM模塊構(gòu)建過程

使用DBPSK（Differential Binary Phase Shift Keying）作為例子，主要原因是相位調(diào)制中DBPSK最常用，因此使用DBPSK Modulator Baseband模塊，其中的信號在相位上做差分編碼。在DBPSK中，每一個二進(jìn)制信息位都被編碼為相位的變化，而不是相位的絕對值。具體地，在每個采樣周期內(nèi)，相位的變化量與前一個采樣周期內(nèi)的相位變化量成對地調(diào)整，從而產(chǎn)生相位的差分變化。這種方法可以確保在接收端不受噪聲的影響，并且簡化了信號解調(diào)過程。PM調(diào)制是一種數(shù)字通信的調(diào)制技術(shù)，其原理是通過改變載波的相位來攜帶信息。在PM調(diào)制中，載波相位隨著輸入數(shù)字信號的變化而變化，從而形成了帶有數(shù)字信號信息的調(diào)制信號。解調(diào)時，通過恢復(fù)載波相位的變化，就可以得到原始的數(shù)字信號。因此，PM調(diào)制是一種有效的數(shù)字通信技術(shù)，可以抗干擾，保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

1.3? Simulink仿真結(jié)果分析

示波器中的調(diào)制結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，同樣的輸入二進(jìn)制數(shù)字信號，用三種不同的調(diào)制技術(shù)會產(chǎn)生不同的輸出結(jié)果。這樣的展示結(jié)果可以讓學(xué)生直觀的理解三種調(diào)制技術(shù)的區(qū)別。此外，Simulink中的模塊可以靈活設(shè)置參數(shù)，學(xué)生容易操作和仿真。因此，這種基于Simulink的三種調(diào)制技術(shù)仿真模型是一個非常有效的教學(xué)工具，可以幫助學(xué)生理解調(diào)制的原理，了解調(diào)制的過程。同時，該模型也可以方便地演示不同的調(diào)制參數(shù)對調(diào)制結(jié)果的影響，幫助學(xué)生了解調(diào)制的設(shè)計方法。通過該模型的仿真實驗，學(xué)生可以加深對調(diào)制的理解，提高對調(diào)制的應(yīng)用能力。

此外，基于Simulink的三種調(diào)制技術(shù)仿真模型還可以為學(xué)生的科研工作提供幫助。例如，學(xué)生可以使用該模型來研究不同調(diào)制技術(shù)的性能對比，以及不同調(diào)制技術(shù)在特定場景下的適用性。這些研究結(jié)果可以為學(xué)生提供有力的技術(shù)支持，幫助他們在科研工作中有更好的表現(xiàn)。總的來說，基于Simulink的三種調(diào)制技術(shù)仿真模型是一個非常實用的工具，既可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，也可以幫助學(xué)生科研。它的模塊化設(shè)計和可視化的結(jié)果展示，使得該模型易于操作和理解，對于學(xué)生來說是一個很好的學(xué)習(xí)和研究工具。

2? 結(jié)果與討論

為了評估Simulink在數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用效果，本研究對一組本科生進(jìn)行了研究。將學(xué)生分為兩組，一組采用Simulink進(jìn)行數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)的教學(xué)，另一組采用傳統(tǒng)的講授和課本閱讀等教學(xué)方法。這項研究持續(xù)了六周，在此期間，學(xué)生們沉浸在各種調(diào)制方案中，如振幅調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制（FM）和相位調(diào)制（PM）。為了評估教學(xué)效果，在教學(xué)前和教學(xué)后對學(xué)生進(jìn)行了測試。測試由多項選擇題組成，以評估學(xué)生對數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)的原理和技術(shù)的理解。此外，學(xué)生還被要求完成一項調(diào)查，以提供對教學(xué)方法和他們的整體學(xué)習(xí)體驗的反饋。

研究結(jié)果表明，使用Simulink進(jìn)行數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)教學(xué)的學(xué)生在教學(xué)后的測試中得分顯著高于使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行教學(xué)的學(xué)生。Simulink組平均得分為85，傳統(tǒng)組平均得分為72。此外，調(diào)查結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)組相比，Simulink組的學(xué)生有更積極的學(xué)習(xí)體驗。學(xué)生反映Simulink的使用使學(xué)習(xí)過程更具互動性和參與性，并使他們更好地理解數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)的概念和原理。

從調(diào)查結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，使用Simulink進(jìn)行數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)教學(xué)能夠更好地幫助學(xué)生理解和掌握課程內(nèi)容，這是由于Simulink模擬實際的工程場景，使學(xué)生能夠更直觀地看到數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)的原理和運作方式。此外，Simulink具有靈活的參數(shù)設(shè)置和可視化的功能，使學(xué)生能夠更方便地控制仿真環(huán)境和查看仿真結(jié)果，增強了學(xué)生的參與度和互動性。

為了進(jìn)一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果，未來的教學(xué)中應(yīng)該更廣泛地采用Simulink作為教學(xué)工具，并繼續(xù)評估和改進(jìn)它的教學(xué)效果。例如，可以對使用Simulink進(jìn)行教學(xué)的過程進(jìn)行評估，以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗和學(xué)習(xí)效果，以便不斷改進(jìn)教學(xué)方法。此外，為了更好地滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，還可以通過結(jié)合其他教學(xué)工具和技術(shù)，形成更加完整和全面的教學(xué)方案。例如，可以將Simulink與課堂講解、實驗實踐、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)等工具結(jié)合起來，以形成一種多樣化和全面的教學(xué)方式。

綜上所述，使用Simulink仿真技術(shù)進(jìn)行數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)教學(xué)是一種有效的教學(xué)方法，有利于學(xué)生對數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)的理解和掌握。它通過直觀展示調(diào)制結(jié)果，并靈活設(shè)置參數(shù)，使學(xué)生有更積極的學(xué)習(xí)體驗。因此，運用Simulink仿真技術(shù)教授數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)是值得推廣的。

3? 結(jié)? 論

本研究的結(jié)果證明了Simulink在數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)教學(xué)中的有效性。Simulink的使用允許學(xué)生獲得各種調(diào)制方案的實踐經(jīng)驗，并觀察它們在不同調(diào)制技術(shù)規(guī)則下的不同輸出結(jié)果，使得這些系統(tǒng)中使用的基本原理和技術(shù)得到更好地理解。研究還表明，使用Simulink可以顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。因此，運用Simulink仿真技術(shù)進(jìn)行數(shù)字通信調(diào)制系統(tǒng)教學(xué)是值得推廣的。

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作者簡介：朱家龍（1991—），男，漢族，江蘇宿遷人，講師，博士研究生在讀，研究方向：信號處理；陸超（1978—），男，漢族，江蘇宿遷人，副教授，博士研究生在讀，研究方向：信號處理；陸曉東（1977—），男，漢族，河北承德人，教授，博士，研究方向：信號處理。

收稿日期：2023-02-04

基金項目：教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（220503879134455）；宿遷市自然科學(xué)基金項目（K202209）；2021年度江蘇省高等教育學(xué)會評估委員會課題（179）；江蘇省高等教育學(xué)會“十四五”高等教育科學(xué)研究規(guī)劃課題項目（YB169）；宿臺融合發(fā)展研究中心項目（2023st02）