MATLAB通信原理教改研讨

《通信原理》是许多高校研究生入学考试的课程之一，同时是电子信息工程专业学生从事通信相关产业的基础课程。由于我校（西南林业大学）电子信息工程专业该课程开设在大四上学期，此时的学生正在为考研和就业做准备，掌握《通信原理》对他们整体都有重要的意义。该课程选用的教材为樊昌信和曹丽娜编著的《通信原理》（第6版），其内容丰富，要求学习者有坚实的数学应用基础，学习难度大；而且概念抽象，理论性强，学习极容易感到枯燥无味。为了让学生尽可能掌握通信的基础理论和设计思想，实验课程必须与理论课程紧密结合起来。

1传统的实验课教学中存在的一些问题

通信原理的实验平台以往为实验箱，使用方便，但在实验教学中发现该设备存在以下几个方面的问题：

1）实验箱中模块系统结构已经固化，参数等已基本设定好，实验方式机械；

2）实验的步骤在实验指导书上已有明确的说明，学生只需一步一步接线即可得到实验结果，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，就可以在示波器得到实验结果；

3）实验内容受实验箱设备的局限，内容不够丰富，不能开拓学生的思路，不能提高学生学习的积极性，同时无法培养学生创新能力；

4）设备极容易受到损坏，每学期实验过后，完好的实验箱都逐渐减少。

2MATLAB搭建通信原理虚拟实验平台

MATLAB是一套功能强大的工程技术数值运算和系统仿真软件，它具有数值分析、矩阵运算、数字信号处理、仿真建模、系统控制和优化等功能，Simulink是MATLAB提供的一种可视化仿真模型库，它使用户能够以模块化设计的方式完成系统的建模和仿真。基于MALTAB的功能特点，采用MATLAB搭建通信原理虚拟实验平台可以克服传统实验箱实验的缺点，同时还具有以下5大优势：

1）实验内容跟理论课匹配，手动编程可以深入理解课堂所学的理论；

2）实验采用我院机房即可，学生也可在自己的电脑安装MATLAB软件，实验场地自由；

3）培养学生的创新能力，自学能力，查阅资料的能力和捕获有用知识的能力。学生可以自由发挥想象力，更改参数，不必担心对设备的损坏，无形中开阔了学生的思路，深化理论知识，把理论转为实践；

4）实验过程中仅仅使用的是PC机，没有像实验箱一样对元器件的损耗，可以弥补实验室器材缺乏和器材的更新，减少了资金的投入，实验室维护更加方便。

5）完成验证性实验后，还可以根据学时等实际具体情况，增加综合设计性实验，通过指导教师给予的设计过程和设计题目，学生自行独立完成方案的设计，参数的计算和调试等，非常有利于培养学生的综合应用设计能力、整合知识的能力和研究能力。我校电信专业的学生在大四前已开设了《C语言程序设计》和《MATLAB程序设计》这两门程序设计课程，有坚实的编程基础和对MATLAB语言的应用能力。为了帮助学生掌握理论知识和实践理论知识、提高学生学习的兴趣、培养编程动手能力和创新能力，综合考虑课程开设的时间、实验课学时（仅有16学时），我们的实验课仅仅只能局限在验证性方面，但已完全可以为后续的毕业设计，工作和进一步深造奠定坚实的基础。

3仿真实例

实验课时为16学时，每个实验为2个学时，总共有8个。文中以第3个实验———幅度调制和解调为例介绍实验课程的改革。

3.1幅度调制原理简介

幅度调制由一个相乘器和一个冲激响应为h（t）的带通滤波器组成。模型的时域表达式为sm（t）=∞-∞乙h（τ）m（t-τ）cos（ωct-ωcτ）dτ=cosωct∞-∞乙h（τ）m（t-τ）cos（ωct）dτ+sinωct∞-∞乙h（τ）m（t-τ）sin（ωct）dτ（1）频域表达式为：Sm（ω）=12[M（ω-ωc）+M（ω+ωC）]H（ω）（2）选择适当的滤波器h（t），便可得到各种调幅信号：1）常规调幅AM：H（ω）为全通网络，m（t）有直流成分；2）抑制载波双边带调制DSB：H（ω）为全通网络，m（t）无直流成分；3）单边带调制SSB：H（ω）是截止频率为ωc的高通或低通滤波器；4）残留边带调制VSB：H（ω）是特定的互补特性滤波器

3.2幅度调制实验设计

传统的实验箱上的实验仅仅能做普通双边带调制实验，实验按实验指导书的步骤接好线后，可以直接观察普通双边带的调幅波形、调幅波形的频谱和解调波形。部分学生把示波器的波形跟实验册的波形进行比较，一致则证明实验正确，一般都不分析电路原理和调制解调原理。采用MATLAB编程可以在相同的时间内仿真幅度调制的普通调幅（AM）、抑制双边带调制（DSB）、单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）这四种的调制波形，频谱及解调的波形。仿真过程的程序要求学生自己编写，所以学生实验前必须掌握调制及解调的原理。所以采用MATLAB仿真，学生可以将静态的理论内化，并且让学生学会验证所习得的经验和构建新经验的方法[1]。由于SSB涉及希尔伯特变换，VSB的滤波器要求有互补特性，这些比较复杂，所以本实验要求学生编写AM和DSB的程序，SSB和VSB的程序上实验课前由指导老师给出，这样可以减少编程的难度，把握好实验的重心是深化通信原理，而不是程序设计课程。本实验的重心是让学生掌握正弦波作为载波的幅度调制的四种典型实例，通过时频域分析掌握四种幅度调制的特性和优缺点。

3.3幅度调制仿真结果

普通调幅（AM）、抑制双边带调制（DSB）、单边带调制（SSB）和残留边带调制（VSB）的仿真结果如图1~图4所示。由图1（a）出来的结果可以观察采用什么方法解调，若包络与调制信号波形相同，可采用包络检波法和相干解调恢复出原始调制信号。反之，出现“过调幅”现象，这时用包络检波将发生失真，可以采用其他的解调方法，如相干解调。由于后续的实验用相干解调，所以本实验的解调方法采用相干解调；（b）和（c）可以看出解调的效果；（d）可以直接观察得到AM的频谱由载频分量、上边带和下边带3部分组成；由于AM信号的总功率包括载波功率和边带功率两部分，只有边带功率才与调制信号有关，载波分量并不携带信息，所以功率利用率比较低。带宽是基带信号带宽fH的两倍。由图2（a）观察得到DSB信号的包络不再与调制信号的变化规律一致，因而不能采用简单的包络检波来恢复调制信号，需采用相干解调（同步检波）；（b）和（c）可以看出解调的效果；（d）可以直接观察得到DSB的频谱由上边带和下边带两部分组成，带宽跟AM的一致，是基带信号带宽fH的两倍，同时DSB信号无载频分量，调制效率提高，调制效率为100%，即全部功率用于信息的传输。由于DSB含有两个完全相同的边带，占用的频带宽。

4结论

利用MATLAB仿真软件实现通信原理的虚拟实验，既能保证学生通过动手深化理论知识，又能够提高学生的学习兴趣和培养创新能力。古人云：“授人以鱼，不如授人以渔。”实验课时，教师变成了学生学习的指导者。让学生知道如何学习，如何处理大量的信息等。实验课将使学生由被动学习的客体转为主体。学生可以在实验室及其宿舍进行通信原理的实验，时间安排比较自由，同时学生可以自行扩充学习的内容，大大节省实验设备的成本。后续将考虑增加通信原理的课程设计这类综合实验，将学生分组，给定两周时间专门的完成通信模块的仿真。这样可以弥补目前实验学时少，实验内容不够丰富的情况，同时也培养了学生的综合设计能力、创新能力和研究能力。