黃 琳，曹杉杉，熊旭輝

(1.湖北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃石 435002；2.湖北師范大學(xué) 文理學(xué)院，湖北 黃石 匠35000)

基于matlab的通信原理實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

黃 琳1，2，曹杉杉1，2，熊旭輝1，2

(1.湖北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃石 435002；2.湖北師范大學(xué) 文理學(xué)院，湖北 黃石 匠35000)

根據(jù)通信原理的課程特點(diǎn)及硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，提出了利用matlab/simulink進(jìn)行軟件仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。介紹了模擬/數(shù)字調(diào)制技術(shù)、數(shù)字脈沖編碼調(diào)制技術(shù)、數(shù)字基帶編碼技術(shù)的仿真模型，并對其進(jìn)行了分析。分析表明，基于matlab/simulink的通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法有助于學(xué)生對通信原理理論知識的理解，可以提高學(xué)生的動手能力，提升課程的教學(xué)效果。

通信原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；matlab；Simulink

0 引言

《通信原理》是高校電子信息、通信類學(xué)生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，它與高等數(shù)學(xué)、信號與系統(tǒng)、概率論等先修課程聯(lián)系緊密，又影響著移動通信、光纖通信、交換技術(shù)等課程的學(xué)習(xí)。因此，學(xué)習(xí)好這門課程對學(xué)生今后的學(xué)習(xí)非常重要?！锻ㄐ旁怼氛n程具有理論性強(qiáng)、概念抽象，需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)功底等特點(diǎn)。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對理論知識的理解，提高通信原理實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，將抽象的通信理論與信號波形聯(lián)系起來，使其生動化、具體化，是提高整個(gè)課程教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。同時(shí)，通過實(shí)踐教學(xué)的加強(qiáng)，可以訓(xùn)練學(xué)生分析問題，解決問題的能力，提高學(xué)生的動手能力[1]。

1 目前的實(shí)驗(yàn)課程

目前，通信原理實(shí)驗(yàn)課程主要利用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生只需要按照說明書連接導(dǎo)線、跳線等，然后通過示波器觀察波形。這種驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)真正需要學(xué)生思考和動手的機(jī)會不多[2]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果受硬件局限性大，當(dāng)實(shí)驗(yàn)波形效果不理想時(shí)，能調(diào)節(jié)和修改的地方很少，實(shí)驗(yàn)?zāi)康碾y以達(dá)到[3，4]。利用matlab或者simulink進(jìn)行軟件仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對課本的理論知識，進(jìn)行軟件仿真實(shí)現(xiàn)。仿真的過程，需要學(xué)生對所學(xué)知識有著透徹的理解，仿真建模的過程培養(yǎng)了學(xué)生編程能力和思考能力。另外，軟件仿真對實(shí)驗(yàn)條件要求簡單，只需要一臺電腦就可以，實(shí)驗(yàn)場地靈活；實(shí)驗(yàn)過程中可以方便的調(diào)整模塊參數(shù)，修改程序，以達(dá)到最佳的波形效果，實(shí)驗(yàn)過程靈活。

為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，筆者對通信原理課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了軟件仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。形成以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，軟件仿真設(shè)計(jì)為補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。在軟件仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，利用matlab和simulink建立動態(tài)的仿真模型。學(xué)生通過自己動手對各種通信技術(shù)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，理解技術(shù)原理，調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)，觀察技術(shù)性能，不僅加深了學(xué)生對理論知識的理解，同時(shí)掌握了利用軟件進(jìn)行通信仿真的方法，還提高了軟件編程能力。

2 軟件仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

《通信原理》課程的主要內(nèi)容是信道、模擬調(diào)制解調(diào)技術(shù)、數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)、數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)、脈沖編碼調(diào)制技術(shù)(PCM)等。軟件仿真實(shí)驗(yàn)主要針對這幾部分的內(nèi)容做仿真模擬[5]。其中模擬/數(shù)字調(diào)制解調(diào)技術(shù)、脈沖編碼技術(shù)利用simulink模塊進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)利用matlab進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。

2.1模擬調(diào)制技術(shù)仿真

最常見和最重要的模擬調(diào)制方式是用正弦波作為載波的幅度調(diào)制和角度調(diào)制[5]，仿真模型圖如圖1所示：

圖1 模擬調(diào)制技術(shù)仿真模型

在圖1中，隨機(jī)整數(shù)產(chǎn)生器模塊 (Random Integer Generator)用來產(chǎn)生消息信號，它與Constant模塊和Subtract模塊一起產(chǎn)生均勻分布的隨機(jī)整數(shù)。學(xué)生可以利用其它的消息產(chǎn)生模塊產(chǎn)生需要的信號源消息。調(diào)幅模塊(DSB AM Modulator Passband)對消息信號進(jìn)行幅度調(diào)制。該模塊需要學(xué)生設(shè)置的參數(shù)有：調(diào)幅信號的直流信號A0的大小、調(diào)幅信號的載波頻率、調(diào)幅信號載波的初始相位。學(xué)生可以通過這三個(gè)參數(shù)的設(shè)置，產(chǎn)生不同調(diào)制效率的調(diào)幅信號。調(diào)幅信號解調(diào)模塊(DSB AM Demodulator Passband1)解調(diào)接收到的信號。上支路是解調(diào)沒有噪聲的調(diào)制模塊，下支路解調(diào)通過AWGN信道后的調(diào)制信號。解調(diào)模塊的直流信號大小、載波頻率和初始相位3個(gè)參數(shù)的值與調(diào)制模塊一致，低通濾波器的分子和分母系數(shù)參數(shù)用來設(shè)置濾波器，學(xué)生可以通過調(diào)整濾波器以達(dá)到最佳的解調(diào)效果。Quantuzer1、math function、mean、constant1、divide和AWGN channel模塊共同產(chǎn)生信噪比為20dB的高斯信道。在解調(diào)出信號后，通過Bessel低通濾波器濾除信號高頻分量。

圖2 理想信道下解調(diào)信號波形

圖3 高斯信道下解調(diào)信號波形

4個(gè)示波器(Scope1～Scope4)分別用來查看原始信號波形，通過AWGN信道后的解調(diào)信號波形，通過AWGN信道后的調(diào)制信號波形以及理想信道下的解調(diào)信號波形(如圖2、圖3所示)。由圖2和圖3可以看到，在理想環(huán)境下，可以較好的解調(diào)出發(fā)送的基帶信號。AWGN信道環(huán)境下，由于信道噪聲的影響，解調(diào)后的信號信噪比下降。學(xué)生可以將模型中的AM模擬調(diào)制技術(shù)換成雙邊帶調(diào)制或者單邊帶模擬調(diào)制，對比分析各種模擬調(diào)制技術(shù)的抗噪聲性能。還可以通過增加頻譜儀模塊來觀察調(diào)制及已調(diào)信號的頻譜情況，了解調(diào)制解調(diào)對信號頻譜產(chǎn)生的影響。

2.2數(shù)字調(diào)制技術(shù)仿真

數(shù)字調(diào)制與模擬調(diào)制的基本原理相同，完成調(diào)制信號與帶通信道相匹配[5]，其仿真模型如圖4所示：

圖4 數(shù)字調(diào)制技術(shù)仿真模型圖

Integer to Bit Converter 模塊將信號源輸出的隨機(jī)整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制比特送入MPSK基帶調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制。調(diào)制輸出信號經(jīng)過高斯信道后送入接收端相應(yīng)的MPSK解調(diào)器模塊進(jìn)行解調(diào)。調(diào)制器和解調(diào)的參數(shù)設(shè)置應(yīng)該一致，調(diào)制器的輸入數(shù)據(jù)為比特類型，解調(diào)器輸出的數(shù)據(jù)類型也為比特。學(xué)生可以設(shè)置調(diào)制器的進(jìn)制數(shù)來仿真各種多進(jìn)制的相移鍵控方式，也可以將相移模塊改為其他的數(shù)字調(diào)制技術(shù)模塊，來仿真其他的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，分析各種數(shù)字調(diào)制技術(shù)的性能。數(shù)據(jù)映射方式設(shè)置為普通二進(jìn)制方式或格雷碼方式。信源發(fā)送的數(shù)據(jù)與接收端解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出仿真系統(tǒng)的誤比特率。

高斯信道的噪聲方差不同時(shí)，系統(tǒng)誤碼率也不一樣，在仿真實(shí)驗(yàn)的過程中，可以調(diào)整信道的噪聲方差，來比較不同的數(shù)字調(diào)制技術(shù)的抗噪聲性能。當(dāng)信道中加入的高斯噪聲方差為0.02，采用8PSK調(diào)制時(shí)，發(fā)送和接收信號的星座圖如圖5和圖6所示，對比星座圖可以看出信道噪聲對信號的影響。數(shù)據(jù)映射方式設(shè)置為普通二進(jìn)制方式，信道噪聲方差為0.05時(shí)，得出錯(cuò)誤比特?cái)?shù)為241個(gè)，相應(yīng)的誤碼率為0.008033；而將數(shù)據(jù)映射方式改為格雷碼方式，其他參數(shù)不變，相同的仿真時(shí)間內(nèi)錯(cuò)誤比特?cái)?shù)為141個(gè)，相應(yīng)的誤比特率為0.0047。這說明在數(shù)字調(diào)制過程中，格雷碼的映射方式優(yōu)于普通二進(jìn)制映射。

圖5 8PSK發(fā)送信號星座

圖6 8PSK接收信號星座圖

2.3PCM編碼器

PCM編碼完成模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換[5]。PCM編碼技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D7所示。該圖模擬了一個(gè)13折線近似的PCM編碼器，該模型將[-1,1]內(nèi)的歸一化信號樣值編碼為8位二進(jìn)制輸出。圖中，Saturation為限幅器，限制輸入信號的幅度值。Relay的門限設(shè)置為0，其輸出可以作為PCM編碼的極性碼。Abs模塊將輸入的樣值取絕對值，由Look-UP Table模塊進(jìn)行13折線壓縮。Gain模塊將壓縮后的樣值范圍放大到0～127,然后用Quantizer量化器進(jìn)行四舍五入取整，最后將整數(shù)編碼為7位二進(jìn)制序列。學(xué)生可以輸入不同的樣值進(jìn)行PCM檢驗(yàn)測試，還可以在各功能模塊的輸出增加scope示波器模塊，查看編碼過程中信號的波形變化。

圖7 PCM編碼技術(shù)仿真模型

2.4HDB3碼編碼實(shí)驗(yàn)

HDB3碼的編碼規(guī)則是：檢查消息碼中“0”的個(gè)數(shù)，當(dāng)連“0”數(shù)目小于三時(shí)，消息碼中非“0”碼極性正負(fù)交替；當(dāng)連“0”數(shù)目超過3時(shí)，將每4個(gè)連“0”替換為B00V,V碼與前一個(gè)相鄰的非“0”碼極性相同，B的取值可選0，+1或者-1以使相鄰的V碼之間極性交替；V碼后面的非“0”碼極性也要交替。HDB3碼編碼比較復(fù)雜，解決了當(dāng)原信碼出現(xiàn)連“0”串時(shí)，信號電平長時(shí)間不跳變，無法提取定時(shí)信號的問題[5]。HDB3碼應(yīng)用廣泛，A律PCM四次群以下接口碼型均為HDB3碼。

根據(jù)學(xué)生的編程能力，將實(shí)驗(yàn)分為不同的難度等級。編程能力較強(qiáng)的學(xué)生可以根據(jù)編碼原則自己設(shè)計(jì)程序流程，然后編寫程序?qū)崿F(xiàn)；有一定程序編寫能力的學(xué)生，可以給出程序流程圖，對流程圖進(jìn)行講解，然后要求學(xué)生對著流程圖編寫程序；對編寫能力較差的學(xué)生，可以采取完型填空的實(shí)驗(yàn)方法：首先講解程序流程圖，然后給出對應(yīng)的部分程序，要求學(xué)生把程序填寫完整。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生根據(jù)自己的能力做相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)練習(xí)。

3 結(jié)束語

通信原理這門課程理論性較強(qiáng)，在課程的教學(xué)過程中，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的動手能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為理論教學(xué)有效的補(bǔ)充，不僅可以加深學(xué)生對理論知識的理解，還可以鍛煉學(xué)生的動手能力。采用實(shí)驗(yàn)箱的等硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，成本昂貴，技術(shù)更新困難。利用matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，可以方便直觀地展示信號狀態(tài)變化，反映物理概念，更有利于學(xué)生對理論知識的理解。另外，學(xué)生通過對仿真參數(shù)的設(shè)計(jì)和程序代碼的編寫，可以掌握matlab/Simulink軟件的通信仿真方法，培養(yǎng)學(xué)生的思考能力。

[1]許正榮,賈賢龍,李 陽,等.通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(4):171～174.

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Abstract: According to the characteristics of communication principle course and the problem of current hardware experiments, this paper proposes a practice teaching way which simulates the communication principle based on matlab/Simulink. The simulation models of analog modulation and demodulation, digital modulation and demodulation, pulse code modulation, Digital baseband coded technology are introduced in this paper. By the analyze，we can see that software simulation experiment in communication principle can not only help students to understand communication system, but also improve their practical ability. Moreover, it can raise the teaching effect.

Keywords: communication principle; practice teaching; matlab; Simulink

Thedesignbasedonmatlabforpractiseteachingsystemincommunicationprinciplecourse

HUANG Lin，CAO Sha-sha，XIONG Xu-hui

(1.College of Computer Science and Technology, Hubei Normal University,Huangshi 435002,China 2.College of Arts and Science and Techology, Hubei Normal University,Huangshi 435000)

TN911

A

2096-3149(2017)03- 0094-05

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.03.018

2017—03—21

湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(T201430)

黃琳(1981— )，女，湖北黃岡人，講師，碩士，研究方向?yàn)橐苿油ㄐ?