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标题 基于Matlab/Simulink的通信原理虚拟仿真实验教学方法研究
范文 田莹+卢金玉+刘宴涛


摘 要： 根据通信原理实验课程的特点，分析现存硬件实验方法的不足，提出借助Matlab/Simulink虚拟仿真实验环境对传统实验方法进行补充和改革的方案；以最终构建典型通信系统为目的，结合理论授课重点，通过多个小实验的设计仿真和综合设计仿真，巩固学生理论知识，培养分析解决实际问题的能力。通过典型实例的设计和分析说明基于Matlab/Simulink的通信原理虚拟仿真实验方法有效可行，是实验教学改革进程中的有益尝试。
关键词： 通信原理； 实验教学； 虚拟仿真； Matlab
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）14?0028?04
通信原理是电子信息和通信工程类专业重要的专业基础课，也是此类专业研究生入学考试的必要科目之一。通信原理课程理论性和实践性都很强，学习中公式推导多、新概念多，学生不易理解。学生不仅应该掌握通信系统的基本原理和基本方法，还应熟记重要结论并灵活运用。实验教学作为理论教学的重要组成部分，对夯实理论基础和培养学生的动手能力、分析解决问题的能力、正确的思维方法及严谨的工作作风等方面起着不可替代的作用[1]。
1 通信原理实验教学改革的必要性
传统的通信原理实验为单一的硬件验证性实验，通过多年的教学观察，这种实验方式存在以下几个方面的问题[2?5]：
（1） 实验方式机械，实验台上的模块已经固化，绝大多数参数已设定好，学生按照讲义上的步骤一步一步接线，用示波器观察实验台上已预留好的指定测试点的波形，记录数据波形，即可完成实验；整个实验过程学生不用动脑分析实验原理，也不用弄明白实验电路的工作原理，只要实验箱完好，并接线正确，就可以在示波器上得到实验结果。
（2） 实验内容不丰富，受实验台设备局限，实验内容均为验证性实验，学生对实验的感受不深，对设备的运行原理、运行情况了解不深，不利于培养学生的综合思维能力和创新能力。
（3） 硬件实验室建设、维护成本高，通信工程实验室的建设中需要投入较大的人力和物力，由于硬件设备容易受损，加上个别学生的误操作，致使每学期实验课过后，完好的实验台逐渐减少，每年学校都要投入大量资金进行设备维护。
（4） 实验缺乏系统性，以往通信原理的实验内容主要是AM调制与解调、数字基带信号、数字调制与解调、PCM 脉冲编译码等几个典型的验证性实验，各个实验相对独立，不利于学生基于所学理论知识去系统化地了解整个通信的过程。
虚拟仿真实验系统是借助于图形图像、仿真和虚拟现实等技术在计算机上所营造的可辅助、甚至替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境。它是现代实验教学的发展模式，有效地补充和完善了传统实验，缓解实验方式机械、内容不丰富、实验设备不足和滞后等问题，其优势在于允许出现误操作，获得“零”维护保障，便于开展设备易损性、综合性、设计性实验[6?7]。
Matlab作为当前国际最流行的面向工程、数值和科学计算的高级语言，是通信系统虚拟仿真中最常用的语言之一，Matlab环境下的Simulink拥有丰富的系统建模、仿真和分析的动态仿真集成环境工具箱，而Matlab中的GUI提供了可视化的快速开发环境，使用者通过鼠标就能迅速产生各种GUI控件，从而帮助用户方便地设计出各种符合要求的图形用户界面。利用Matlab的上述功能完全可以实现在物理设备上所要完成的通信理论实验，不仅可将抽象理论知识运用图形、文字、数据等多种形式展现，更为实验教学提供一个界面友好、操作简便的虚拟环境[8?10]。
2 通信原理虚拟仿真实验教学方法
通信原理理论课在本科教学中，需要学生重点掌握的内容主要涵盖了模拟通信系统、数字通信系统和模拟信号数字化3大部分。传统的实验内容各自独立，缺乏系统性。在通信原理课程实验教学改革中，以典型通信系统为应用背景，按照理论授课的重点内容，将系统分解为多个部分，随着各部分实验内容的完成，典型的通信系统也就应运而生，使学生不但深刻理解了各实验部分的原理，而且激发了学生对枯燥专业理论的兴趣。
虚拟仿真实验系统在Matlab环境下，利用Simulink功能模块、调用M函数或编写S函数等，根据实验大纲要求开发通信原理仿真实验虚拟仪器库，然后将开放完成的虚拟仪器按照实验设计要求连接构建成通信系统。具体实施方法步骤为：
（1） 按照理论内容系统化设计实验系统，根据教学大纲的要求，通信原理实验应该包括模拟通信系统、数字通信系统以及模拟信号数字化多路复用通信系统3大系统。
（2） 根据所需实验，做整体系统设计，确定仿真选用的虚拟仪器及连接框图，汇总虚拟仪器功能，比如信号发生器应包含余弦信号、直流信号和单矩形脉冲信号等、滤波器应包含低通滤波器和带通滤波器等。
（3） 利用Simulink功能模块或Matlab语言实现虚拟仪器功能，封装相应模块，按照通信系统的一般模型可包括：信源模块、滤波器模块、调制器模块、噪声模块、解调器模块、PCM编/解码模块和信号分析模块等。
（4） 由虚拟仪器连接构成虚拟实验通信系统，设置仿真参数，如仿真时间、步长等。
（5） 运行仿真模型并合理选择测量点，设计信号分析模块，分析仿真结果并与理想结果比较。
其中信号分析模块是对测量信号成分的分析，包括输出信噪比的计算、输出信号频谱分析；与物理硬件实验相比，利用物理硬件系统得到的观测值，计算系统指标中参杂了硬件噪声和读数误差的影响，并且有些参数无法读出，如噪声功率和信号频率，导致系统性能分析的不准确或无法计算，而利用Matlab实现的软件系统可直接精确提取系统运行参数，在Matlab软件平台中附加指标计算公式，用于方便比较和评价通信系统的性能。
通信原理虚拟仿真实验系统开发只要一台PC机，安装Matlab软件即可。由于Matlab在通信仿真领域的应用广泛，开发技术相关资料也很容易搜集；虚拟仿真实验系统开发完成后，投入实验课程中所需硬件条件为一台PC机，要求安装Matlab软件和虚拟仪器库，理论条件为学生掌握Matlab软件。在我校通信工程专业的培养方案中，第三学期开设了“Matlab程序设计”课程，第四学期开设“通信原理”理论课，第五学期开设“通信原理实验”课程；因此本课程实验的教学改革从开发到使用都具有较强可行性。我校通信原理课程配8个验证性实验，以最终构建典型通信系统为目的，结合理论授课重点，通过多个小实验的设计仿真和综合设计仿真，使学生不但巩固了理论知识，培养了分析解决实际问题的能力，同时也使学生能够从系统化的角度进一步理解通信系统的概念。
3 典型实验举例
AM调制解调通信系统是通信原理中最基本的一种模拟通信系统，文中该实验涉及到载波调制、相干解调、包络检波等基本通信理论。
3.1 AM调制原理简介
假设调制信号为[m（t）]，直流偏量为[A0]，载波为[cosωct]，则可得AM调制信号表达式为：
[sAM（t）=[A0+m（t）]cosωct] （1）
调制系数μ为：
[μ=m（t）maxA0] （2）
由理论分析可知，当[μ≤1]时，可采用包络检波和相干解调两种解调法恢复出原始信号；而[μ>1]时将出现过调幅现象，只能采用想干解调法恢复原始信号。
3.2 基于Matlab/Simulink的AM调制解调实验设计
如图1所示，AM调制解调系统包括AM调制模块、AM解调模块和信噪比计算模块。通过该实验的设计，要求学生掌握乘法器的基本工作原理，由乘法器构成的振幅调制和载波调制电路的工作原理和特点，掌握包络检波和想干解调的工作原理和特点，了解不同调制系数[μ]对系统的影响。

图1 AM调制解调通信系统模型
AM调制器的结构如图2所示，其中通过加法器实现了调制信号[m（t）]与直流偏量[A0]的加和，输入端In3为载波信号，最终，通过乘法器形成了AM调制信号[sAM（t）]，从端口Out1输出。在Matlab/Simulink环境下将模块封装，则构成了图1中的AM调制器。

图2 AM调制器模型
包络检波器的结构如图3所示，本实例中的包络检波器可直接采用Saturation模块来模拟具有单向导通性能的检波二极管，Saturation模块的上、下门限分别设置inf和0，检波后通过低通滤波器。该模块封装后，构成了图1中的包络检波器。

图3 AM包络检波器模型
相干解调器的结构如图4所示，相干解调采用的载波由端口In2输入，与调制载波同频同相，可以直接从发送端载波引入，解调后通过低通滤波。该模块封装后，构成了图1中的相干解调器。

图4 AM相干解调器模型
实验过程中，首先要求学生实现AM调制器、包络检波器和相干解调器3个模块，掌握系统的核心原理，然后将这3个关键模块连接，接入信号源、噪声、示波器和信噪比计算模块构成整体的AM调制解调通信系统。由于信噪比计算模块比较复杂，可直接由教师构造模块，讲解功能后由学生选用，方便进一步分析系统。
3.3 AM调制解调实验结果
本实例中，假设载波为[cos（106×t）]，直流偏量为[A0=1]，调制信号为[m（t）=0.3cos（103×t）]。调制信号[m（t）]与 [m（t）+A0]分别如图5上、下两波形所示。

图5 基带信号[m（t）]与[m（t）+A0]波形图
由式（2）计算可得，本例中调制系数[μ=0.3]，则该系统可采用包络检波和相干解调两种解调方法。理论上，在大信噪比条件下，包络检波器的性能接近相干解调器性能，但随着输入信噪比逐渐降低，包络检波器将出现门限效应。实验中，可使学生通过修改噪声参数观察门限效应现象，通过修改调制信号幅度和直流偏量值观察不同调制系数下包络检波和相干解调的性能，加深对理论知识的理解。
当噪声方差为0.3时，解调器前端信号如图6所示，其中上部信号为无噪声信号，下部信号为方差为0.3的有噪信号。
噪声方差为0.3时，解调器输出波形如图7所示，其中上部信号为包络检波器输出，下部信号为相干解调器输出信号。由图可见此时包络检波器和相干解调器均可正常解调信号。

图6 解调器前端信号波形图

图7 噪声方差为0.3时解调器输出波形图
当噪声方差为1时，解调器输出波形如图8所示，从图中可观察到，此时包络检波器已经出现门限效应，而相干解调器可以正常工作。
4 结 语
在“通信原理”实验课程中利用Matlab构建虚拟仿真实验系统，使得通信系统的仿真用计算机模拟实现，免去构建硬件实验系统的不便和开销，而且操作十分简便。通过这种实验方式不仅帮助学生深入理解课堂所学理论，而且为学生今后使用Matlab进行通信系统的分析和设计打下基础，有利于培养学生应用计算机辅助分析和设计控制系统的综合能力。

图8 噪声方差为1时解调器输出波形图
参考文献
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更新时间：2024/12/22 17:13:38