黃曉俊+惠衛(wèi)華

摘 要 在通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐中，將MATLAB/Simu-link軟件仿真平臺(tái)引入傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)中，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容靈活，調(diào)試方便快捷。實(shí)踐結(jié)果表明，教學(xué)效果良好，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，開(kāi)闊思路，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 通信原理實(shí)驗(yàn)；MATLAB/Simulink；軟件仿真

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）16-0045-04

Abstract In the exploration and practice of experimental teaching ofcommunication principles， the MATLAB/Simulink software is intro-duced into the hardware experiment， the advantages are complemen-tary， the experiment contents are flexible， the debugging is conve-nient. The practice results indicated that， the teaching effect is good， can stimulate students learning enthusiasm， wide open train of thought， and help to cultivate students innovation ability.

Key words communication principle experiment； MATLAB/Simu-link； software simulation

1 引言

通信原理實(shí)驗(yàn)課程是通信、電子類專業(yè)在大三開(kāi)設(shè)的一門重要的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課，是通信原理理論教學(xué)工作的重要組成部分[1]。目前，喀什大學(xué)通信原理實(shí)驗(yàn)課的開(kāi)展方式主要是利用實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)，通過(guò)簡(jiǎn)單的導(dǎo)線連接和可變電阻阻值的調(diào)節(jié)，借助示波器觀察分析實(shí)驗(yàn)波形，完成簡(jiǎn)單原理的驗(yàn)證。雖然學(xué)生可以接觸到硬件電路，親手測(cè)量和操作，提高動(dòng)手能力，但是硬件實(shí)驗(yàn)箱能做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固定且簡(jiǎn)單，如AM包絡(luò)解調(diào)實(shí)驗(yàn)等不能做[2]，學(xué)生能夠發(fā)揮的主觀能動(dòng)性受到限制，對(duì)原理的思考、自主設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)很少，因此也很難收到理想的教學(xué)效果[3-5]。

由于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，在傳統(tǒng)的基于實(shí)驗(yàn)箱的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入軟件仿真技術(shù)，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)的不足，不僅可以做一些基本原理的驗(yàn)證，而且可以讓學(xué)生自由發(fā)揮，自主設(shè)計(jì)綜合性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使他們對(duì)通信的原理、系統(tǒng)的概念有更深刻的認(rèn)識(shí)，有利于理論和實(shí)踐教學(xué)的互相融合，有利于學(xué)生綜合素質(zhì)提高和創(chuàng)新能力培養(yǎng)[6]。

Simulink是一種基于MATLAB軟件的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，可以完成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真和分析，它提供的圖形用戶接口GUI，只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)就能創(chuàng)建出模型方框圖，如同用筆在草紙上繪制模型一樣。利用Simulink搭建通信原理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不同于解微分方程和煩瑣的編程，它提供的是一種更快捷、更靈活、更直接明了的方式，能極大地激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，在實(shí)驗(yàn)中能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、試驗(yàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，提高學(xué)生的綜合、設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力[2]。

結(jié)合喀什大學(xué)電子信息類專業(yè)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，為滿足學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)與創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的需要，豐富教學(xué)模式，將MATLAB/Simulink軟件仿真引入實(shí)踐教學(xué)中，對(duì)通信原理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和軟、硬平臺(tái)的結(jié)合進(jìn)行研究和調(diào)整，盡力做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

2 基于MATLAB/Simulink的通信原理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

AM調(diào)制解調(diào) 調(diào)幅（AM）就是標(biāo)準(zhǔn)雙邊帶調(diào)制，其時(shí)域表達(dá)式為[7]：

SAM（t）=[A0+m（t）]cosωct=A0cosωct+m（t）cosωct

式中，A0為外加的直流信號(hào)分量；m（t）為調(diào)制信號(hào)；cosωct為載波。

AM的解調(diào)方法分為兩類：包絡(luò)檢波和相干解調(diào)。包絡(luò)檢波是指AM波的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)的形狀完全一樣，因此用該方法可以很容易恢復(fù)出原始調(diào)制信號(hào)。但條件是∣m（t）∣max

≤A0，否則就會(huì)出現(xiàn)“過(guò)調(diào)幅”現(xiàn)象，包絡(luò)檢波將會(huì)發(fā)生失真。相干解調(diào)是指接收端將已調(diào)信號(hào)與本地提供的同頻同相載波相乘后，過(guò)低通濾波器，濾除高頻分量，即可得到原始的低頻基帶信號(hào)。

喀什大學(xué)通信原理實(shí)驗(yàn)箱的硬件實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)AM的解調(diào)采用的是相干解調(diào)，為了彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)的不足，讓學(xué)生自己完成系統(tǒng)建模、仿真性能，觀察時(shí)域波形的變化和過(guò)調(diào)，分析頻譜特點(diǎn)等?；贛ATLAB/Simulink軟件平臺(tái)，搭建的AM調(diào)制及包絡(luò)、相干解調(diào)仿真模型mdl文件如圖1所示，調(diào)制和解調(diào)波形分別如圖2和圖3所示。

參數(shù)設(shè)置：

直流分量A0（Constant模塊）：1

調(diào)制信號(hào)m（t）（Sine Wave模塊）：振幅為0.3，初相90°，頻率為1 Hz的正弦波

載波cosωct（Sine Wave1模塊）：振幅為1，初相90°，頻率為10 Hz的正弦波

隨機(jī)噪聲（Random Number模塊）：均值0、方差0.01的高斯噪聲

包絡(luò)檢波器（Saturation模塊）：上線門限分別設(shè)置為inf和0

濾波器（Analog Filter Design模塊）：截止頻率2 Hz

的二階巴特沃斯低通濾波器

注意：Simulink每個(gè)模塊頻率仿真參數(shù)用的是角頻率rad/s，相位是rad。

由圖3可知，相干解調(diào)輸出信號(hào)比包絡(luò)檢波輸出信號(hào)要大，波形中噪聲成分要小，通過(guò)調(diào)整參數(shù)，也可以仿真包絡(luò)檢波的門限效應(yīng)。在圖1所示系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)改變輸入、增添相應(yīng)的濾波器和參數(shù)設(shè)置，即可完成DSB、SSB、VSB的調(diào)制和相干解調(diào)，幫助學(xué)生更透徹地理解和掌握線性幅度調(diào)制的原理，同時(shí)體現(xiàn)軟件仿真的靈活性、快捷性。endprint

PCM編碼 脈沖編碼調(diào)制（PCM）是將模擬信號(hào)變換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的常用方法，它在數(shù)字微波、光纖通信中均獲得廣泛應(yīng)用。PCM信號(hào)的形成要經(jīng)過(guò)抽樣、量化和編碼三個(gè)步驟。編碼的任務(wù)是根據(jù)輸入的樣值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的8位二進(jìn)制代碼，主要采用的是A率13折線逐次比較法?；贛ATLAB/Simulink的軟件平臺(tái)，搭建的PCM編碼仿真模型mdl文件如圖4所示[8]。圖中采樣數(shù)據(jù)經(jīng)限幅器歸一化到-1～+1范圍，上路經(jīng)Relay模塊判斷正負(fù)，大于0判為1，否則為0，并輸出第一位極性碼；下路取絕對(duì)值并經(jīng)十三折線壓縮后，樣值范圍再放大到0～127，然后經(jīng)四舍五入后進(jìn)入十/二進(jìn)制轉(zhuǎn)換器，完成PCM低7位碼的輸出[9]。這里的仿真將十三折線壓縮和編碼分兩步完成，原理上是壓縮和編碼同時(shí)進(jìn)行，幫助學(xué)生分步理解，拓寬思路。

圖4實(shí)現(xiàn)的是以定步長(zhǎng)0.2，對(duì)正弦波一個(gè)周期采得的六個(gè)點(diǎn)進(jìn)行PCM編碼，并將結(jié)果輸出到Workspace，可以在Workspace中雙擊變量名simout，查看其值。對(duì)于單個(gè)的數(shù)值編碼，可以將正弦輸入改為Constant模塊，結(jié)果會(huì)在Display模塊的八個(gè)窗口中依次從上往下顯示。

參數(shù)設(shè)置：

輸入信號(hào)（Sine Wave模塊）：振幅為1，初相90°，頻率為1 Hz的正弦波

限幅器（Saturation模塊）：上限值為1，下限值為-1

Relay模塊：上門限值和下門限值都設(shè)置為eps，大于上門限值時(shí)輸出值設(shè)置為1，小于下限值時(shí)的輸出值設(shè)置為0

13折線近似壓縮（Look-Up Table模塊）：輸入數(shù)組設(shè)置為[1，1/128，1/64，1/32，1/16，1/8，1/4，1/2，1]，輸出數(shù)組設(shè)置為[0：1/8：1]。

PCM譯碼是編碼的逆過(guò)程，這里不再詳細(xì)說(shuō)明。針對(duì)PCM編碼的復(fù)雜性和抽象性，通過(guò)MATLAB/Simulink軟件仿真，串接起編碼所需各個(gè)模塊，使得原理脈絡(luò)更清晰、明了，克服硬件電路被封裝不夠直觀、容易受干擾等缺點(diǎn)。同時(shí)可以輔助學(xué)生完成課后作業(yè)。

二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制是指調(diào)制信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)，對(duì)應(yīng)載波的幅度、頻率和相位只有兩種變化，包含二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）、二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）和二進(jìn)制相位鍵控（2PSK）[7]。振幅鍵控是載波的頻率和初始相位保持不變，僅利用載波幅度變化傳遞數(shù)字信息的一種調(diào)制方式。2ASK的一般表達(dá)式為[7]：

e2ASK（t）=s（t）cosωct

其中，s（t）=∑nang（t-nTs），Ts為碼元持續(xù)時(shí)間；g（t）為持續(xù)時(shí)間Ts的基帶脈沖波形。2ASK信號(hào)的產(chǎn)生方法通常有兩種：模擬調(diào)制法和鍵控法。根據(jù)2ASK調(diào)制的原理，基于MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)，搭建的2ASK信號(hào)模擬相乘法和鍵控法仿真模型mdl文件如圖5所示。

根據(jù)2FSK調(diào)制的原理，基于MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)，搭建的2FSK信號(hào)鍵控法仿真模型mdl文件如圖6所示。

根據(jù)2PSK調(diào)制的原理，基于MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)，

搭建的2PSK模擬調(diào)制法仿真模型mdl文件如圖7所示。

二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制是多進(jìn)制調(diào)制、現(xiàn)代新型的調(diào)制技術(shù)MSK、QAM和OQPSK等的基礎(chǔ)，掌握其原理至關(guān)重要。通過(guò)搭建二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)圖，學(xué)生既對(duì)調(diào)制原理有了更透徹的理解，又可以拋磚引玉，搭建各種解調(diào)系統(tǒng)圖，添加Power Spectral Density模塊，還可以分析各種調(diào)制方式的頻譜特點(diǎn)。學(xué)生可以自由安排仿真練習(xí)，不受實(shí)驗(yàn)室環(huán)境限制，拓展思路、開(kāi)闊視野。

3 結(jié)束語(yǔ)

通信原理實(shí)驗(yàn)中MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)的引入，極大克服和彌補(bǔ)了通信原理實(shí)驗(yàn)箱的缺點(diǎn)和不足，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的多樣性和生動(dòng)性，打破了固定時(shí)間地點(diǎn)做實(shí)驗(yàn)的局限。這樣一來(lái)，學(xué)生可以靈活安排、自由仿真，既可以輔助完成作業(yè)，又可以對(duì)知識(shí)的理解更透徹，激發(fā)學(xué)習(xí)的熱情和興趣，同時(shí)開(kāi)闊了思路和視野，并對(duì)計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)有一定的了解和認(rèn)知。

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