基于MATLAB的通信原理教学的探索与实践

摘要：通信原理课程是一门理论性与实践性都很强的专业基础课，在通信及网络工程专业的课程体系结构中起着非常重要的作用。该文针对传统硬件实验教学所带来的缺陷，提出了在通信原理课程教学中多方位引进MATLAB软件的教学方法。通过二进制振幅键控实验的实例，说明不管是利用Matlab中的Simulink框图实验，还是使用Matlab编程实验，都能让学生更好地融会贯通所学理论知识，更好地激发学生对抽象理论知识的学习兴趣，提高他们分析和解决问题的能力。

关键词：通信原理；课程教学；Matlab

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）18-0137-02

1 引言

“通信原理”是高等院校网络工程、电子通信等信息专业重要的一门专业基础课程，涉及“高频电子电路”、“概率论与数理统计”和“随机信号分析”等相关前序课程。该课程具有内容抽象复杂、知识面广、抽象概念多，知识更新快，学生对概念往往不易理解，在学习过程中出现畏难情绪等特点，因此，本文对课程的实践教学方法进行探索，有机的结合实验箱、Matlab仿真软件等相关技术，开展仿真性、验证型和设计性等多层次实验内容的实践教学活动。使得学生能够有效地消化所学的抽象理论知识，更加深刻的理解通信系统工作原理。本着“因材施教，以生为本”的教学理念，我们对通信原理教学进行了积极的探索与研究，通过引入多方位的实验内容，激发学生的学习兴趣，锻炼学生的动手能力，极大地提高学生分析、解决问题的能力，有效的改善通信原理教学效果。

2 以硬件实验箱实验为基础，加深学生对抽象理论知识的理解

验证性实验主要是以实验箱为平台，实验箱以模块设计的形式描述通信系统各主要部件原理和信息传输过程，模块间连线由学生自主设计，灵活的构建多种信息传输系统和多种复用、复接形式，学生通过连线实验箱上的测试点与数字示波器，可以记录实验数据和波形，从而验证抽象理论。在教学中，以现代通信理论的发展为主线，围绕数字通信的基本原理，按照由浅入深、由简到繁的原则，通过验证性实验来加深学生对基本概念和原理的掌握。实验内容主要包含有CPLD可编程数字信号发生器实训、模拟信号源实验、抽样定理与PAM调制解调实验、PCM编译码等多个实验项目。学生能够通过验证型实验更好地掌握数字通信的基本原理，通信原理的物理实现方式能直观的通过试验箱来展现。如在抽样定理试验中，学生可通过数字示波器观测了解输入模拟信号、抽样时钟信号以及抽样信号等信号波形，并通过不断调整抽样时钟信号频率并观测输出波形来比较抽样的结果，实验过程直观，学生对抽样定理等相关概念的理解因此而变得更加具体，大大激发学生的学习兴趣。

3 引入实验工具Matlab，通过仿真性实验提高学生对通信系统的宏观认识

验证性实验意在使学生通过实验来掌握通信原理与实际电路的结合，达到巩固基础知识理解的目的，但在实际使用过程当中，还是存在很大的使用局限性。例如，实验内容大部分由生产厂家指定，实验缺乏灵活性；硬件实验箱容易老化和损坏，学生的实验数据测量会因此受影响，实验现象观察不佳；实验箱的不可更改，导致很多需要通过多次修改参数来观测不同实验结果的实验无法开设，实验不能有效巩固原理的理解，等等。因此，在教学过程中，我们引入基于Matlab仿真软件的仿真性实验，有效地弥补硬件实验箱的不足，让学生通过软件仿真的方式建立通信系统模型，巩固抽象难懂的理论知识，培养分析解决实际问题的动手能力。

Matlab在系统仿真、数字信号处理、通信系统研究等领域均得到了广泛的应用。

3.1利用Matlab中的Simulink框图开展仿真设计实验

以通信原理实验中的二进制数字调制2ASK（二进制幅度键控）为例。

设二元离散信源发出消息符号0、1的概率分别为P、（1-P），且0和1的出现彼此独立，根据2ASK的调制原理，一个2ASK可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦载波的乘积，即：

[S2ASK=[nang（t-nTs）]coswct] （1）

在2ASK调制方式中，第[n]个信号码元的初始相位设为0，[an]为单极性不归零码。

图1为用相乘器法实现2ASK信号的电路方框圖。

接下来，如图2所示，根据2ASK信号调制原理，选用Simulink仿真平台中的信源和二进制模块，分别送到乘法器的两个输入端，最终将结果都送入示波器，进行正确连线，结合仿真波形，就可以直观的理解课堂中所学的2ASK信号调制原理的理论知识。

采用Simulink动态仿真结果如图3所示，一方面可以在课堂教学中边讲解理论知识边仿真演示，学生可以更加直观的观测到各种仿真结果，理解其原理；另一方面，通过对参数的灵活设置，学生可以在研究实验的过程中发现问题和解决问题，培养其学习积极性。

3.2利用Matlab编程开展仿真设计实验

二进制幅度键控（2ASK）利用载波的幅度变化来传递二进制数字信息，而其频率和初始相位则保持不变。在2ASK中，载波的幅度的两种变化状态，分别对应二进制数字信息“0”和“1”。2ASK信号的一般表达式如式（1）所示。

设计程序产生一组长度为500的二进制单极性不归零信号，定义载波参量，将之相乘即可。

clear all；

close all；

A=1；

fc=2；

N_sample=8；

N=500；

Ts=1；

dt=Ts/fc/N_sample；

t=0：dt：N*Ts-dt；

>> Lt=length（t）；

>> %产生、

>> %产生二进制信源

>> d=sign（randn（1，N））；

>> N1=length（（d+1）/2）；

>>dd=zeros（fc*N_sample，N1）；

>>dd（1，：）=（d+1）/2；

>>dd=reshape（dd，1，fc*N_sample*N1）；

>>gt=ones（1，fc*N_sample）；

>>figure（1）

>>subplot（221）；

>>d_NRZ=conv（dd，gt）；

>>plot（t，d_NRZ（1：length（t）））；

>>axis（[0 10 0 1.2]）；

>>ylabel（"输入信号"）；

>>subplot（222）；

>>dt=t（2）-t（1）；

>> T=t（end）；

>>df=1/T；

>> N=length（d_NRZ（1：length（t）））；

>> f=-N/2*df：df：N/2*df-df；

>>d_NRZf=fft（d_NRZ（1：length（t）））；

>>d_NRZf=T/N*fftshift（d_NRZf）；

>>plot（f，10*log10（abs（d_NRZf）.^2/T））；

>>axis（[-2 2 -50 10]）；

>>ylabel（"输入信号功率谱密度（dB/Hz）"）

>>ht=A*cos（2*pi*fc*t）；

>> s_2ask=d_NRZ（1：Lt）.*ht；

>>subplot（223）

>>plot（t，s_2ask）；

>>axis（[0 10 -1.2 1.2]）；

>>ylabel（"2ASK"）；

>>dt=t（2）-t（1）；

>> T=t（end）；

>>df+1/T；

>>df=1/T；

>> N=length（s_2ask）；

>> f=-N/2*df：df：N/2*df-df；

>> s_2askf=fft（s_2ask）；

>> s_2askf=T/N*fftshift（s_2askf）；

>>subplot（224）

>>plot（f，10*log10（abs（s_2askf）.^2/T））；

>> axis（[-fc-4 fc+4 -50 10]）；

>>ylabel（"2ask功率谱密度（dB/Hz）"）；

上述代码给出了2ASK的调制，显示输入信号和已调信号的波形，并对对二者进行了频域分析。图4给出了输入信号和已调信号的时域以及频谱波形，可知，载波在输入信号控制下通断变化，更直观的描述2ASK调制理论。

4结语

通信原理课程理论抽象，开展硬件实验则太过于依附硬件实验箱，单一的实验箱实验也满足不了课程理论及实践教学的需要，因此，本文多方位引入Matlab仿真软件到课程教学过程中，大大提高学生学习的主动性和积极性。Simulink 仿真可以在理论教学过程中，通过演示来加深枯燥知识点的灵活理解，Matlab编程则可以作为理论教学之余的实践任务，一方面锻炼学生的编程能力，另一方面通过实践任务的实施可以提高学生分析和解决问题的能力。如果不打算增加硬件实验设备的更新和增投，那么，将Matlab仿真软件多方位引入到课程教学及实践，将是一个很好的选择。

参考文献：

[1] 樊昌信，曹丽娜. 通信原理（第6版）精编本[M]. 北京： 国防工业出版社，2011（7）.

[2] 刘学勇.详解 MATLAB/Simulink 通信系统建模与仿真[M]. 北京： 电子工业出版社，2011.

[3] 张水英，徐伟强. 通信原理及 MATLAB/Simulink 仿真[M]. 北京： 人民邮电出版社，2012.

[4] 劉涛，丁昕，周德新，王凯. 基于仿真案例的通信原理课程教学方法改革研究[J]. 时代教育，2015（11）.

[4] 赵新颖，张卫民. 基于MATLAB的通信原理实验教学的探索与实践[J]. 河北软件职业技术学院学报，2017（3）.