Matlab在《現(xiàn)代通信原理與系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

李芳　李征　柯熙政

摘要：為了提高研究生教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生更加透徹地理解所學(xué)知識(shí)，拓展學(xué)生向研究性發(fā)展的外延培養(yǎng)，訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，開發(fā)了《現(xiàn)代通信原理與系統(tǒng)》課程相關(guān)的仿真演示實(shí)驗(yàn)。教學(xué)實(shí)踐中，通過Matlab仿真實(shí)驗(yàn)演示，有效地激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，增強(qiáng)了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高了課程教學(xué)效果，提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：通信原理；Matlab；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；系統(tǒng)仿真

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）25-0267-03

一、引言

《現(xiàn)代通信原理與系統(tǒng)》課程是光纖通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等等課程的重要基礎(chǔ)，該門課程數(shù)學(xué)知識(shí)復(fù)雜，理論性內(nèi)容較多，部分涉及非線性電子線路，比較抽象，缺乏直觀性，學(xué)生難以想象，不好理解，相關(guān)實(shí)驗(yàn)也是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的感受不深，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行原理、運(yùn)行情況了解不深，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合思維能力、創(chuàng)新能力沒有起到任何作用。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生更加透徹地理解所學(xué)知識(shí)，拓展學(xué)生向研究性發(fā)展的外延培養(yǎng)，訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，筆者通過該門課程典型實(shí)驗(yàn)仿真，動(dòng)態(tài)演示，在課堂上形象生動(dòng)展現(xiàn)波形，幫助學(xué)生深入了解課程內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)效率。

二、模擬調(diào)制實(shí)驗(yàn)仿真

讓載波的某個(gè)參量隨模擬調(diào)制信號(hào)的變化而變化的方式叫作模擬調(diào)制，模擬調(diào)制有線性模擬調(diào)制與非線性模擬調(diào)制。通過線性模擬調(diào)制與非線性模擬調(diào)制，利用Matlab仿真，加深學(xué)生對(duì)于調(diào)制、解調(diào)概念的理解，掌握線性調(diào)制與非線性調(diào)制的區(qū)別。通俗地講，線性模擬調(diào)制就是將調(diào)制信號(hào)“放”到了載波的振幅參量上，在頻域發(fā)生頻譜的搬移，經(jīng)過解調(diào)，將調(diào)制信號(hào)從載波的振幅參量上“取”出來，恢復(fù)成原始的調(diào)制信號(hào)。這樣做的目的有三：第一方面，把低頻信號(hào)變換成利于無線發(fā)送或在信道中傳輸?shù)母哳l信號(hào)；第二方面，使得多路信號(hào)在一個(gè)信道中同時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)信道多路復(fù)用；第三方面，可以改善傳輸系統(tǒng)的性能?；谶@樣的優(yōu)勢(shì)，信號(hào)傳輸?shù)倪^程中可以采用模擬線性調(diào)制，但是我們?nèi)粘Ｓ^察到的波形或者學(xué)生腦子里想象的基本都是信號(hào)的幅值隨時(shí)間的變化，都是時(shí)域里的波形，而調(diào)制、解調(diào)所說的對(duì)于信號(hào)的“放”和“取”，發(fā)生了頻譜搬移，從時(shí)域到頻域，再從頻域到時(shí)域，學(xué)生很難理解如何實(shí)現(xiàn)頻譜搬移以及頻域的圖形是什么樣子。通過實(shí)驗(yàn)仿真，動(dòng)態(tài)演示，學(xué)生實(shí)實(shí)在在看到了載波、調(diào)制信號(hào)、已調(diào)信號(hào)以及解調(diào)信號(hào)的時(shí)域波形和頻域的頻譜，便于理解學(xué)習(xí)內(nèi)容。線性調(diào)制各波形如圖1所示。

由圖1仿真圖形學(xué)生很容易理解：模擬線性調(diào)制，已調(diào)信號(hào)的頻譜與調(diào)制信號(hào)的頻譜在形狀上沒有變化，只在幅值上差一個(gè)倍數(shù)，信號(hào)在時(shí)域是重疊的，在頻域是不重疊的，通過解調(diào)，可以很容易在頻域把所需要的信號(hào)分離出來，從而實(shí)現(xiàn)信道多路復(fù)用，提高傳輸效率。

三、脈沖編碼調(diào)制實(shí)驗(yàn)仿真

現(xiàn)實(shí)生活中，人類感覺器官可以接受的信息，如語言、圖像等大多數(shù)都是以模擬形式出現(xiàn)的，也就是說信源與信宿處理的都是模擬信號(hào)，但在數(shù)字通信系統(tǒng)中，信道傳輸?shù)膮s是數(shù)字信號(hào)。為了解決這樣的問題，需要經(jīng)過抽樣（模擬信號(hào)離散化）、量化（離散信號(hào)數(shù)字化）和編碼（數(shù)字信號(hào)二值化）三個(gè)處理步驟，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這種通信方式，稱之為脈沖編碼調(diào)制。脈沖編碼調(diào)制抗干擾能力強(qiáng)，在數(shù)字程控電話機(jī)交換系統(tǒng)、光纖通信、數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信等方面得到了較為廣泛的應(yīng)用。雖然數(shù)字程控電話機(jī)交換系統(tǒng)、光纖通信等等與我們的生活息息相關(guān)，但是具體的原理不好理解，通過仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生切實(shí)看到了模擬信號(hào)被取樣，變成離散信號(hào)，見圖2，并且掌握了模擬信號(hào)離散化的原理；再經(jīng)過量化，將原來任意取值的離散信號(hào)經(jīng)四舍五入變成了有限個(gè)值，也就是沒有在實(shí)線上的點(diǎn)經(jīng)過四舍五入變成了實(shí)線上有限的點(diǎn)，理解了量化的概念，見圖3；再經(jīng)過編碼成為用0和1表示的信號(hào)，見圖4。

通過實(shí)驗(yàn)仿真，學(xué)生真正理解了：抽樣的作用是“模擬信號(hào)離散化”，量化的作用是“離散信號(hào)數(shù)字化”，編碼的作用是“數(shù)字信號(hào)二值化”。

四、升余弦滾降系統(tǒng)性能仿真

數(shù)字通信系統(tǒng)中，基帶信號(hào)的頻譜較寬，容易產(chǎn)生碼間串?dāng)_，信號(hào)通過這樣的信道，不可避免地產(chǎn)生畸變。因此，在信道帶寬有限的條件下，為了降低誤碼率需要對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行脈沖成形處理，改善平鋪特性，產(chǎn)生適合信道傳輸?shù)牟ㄐ?。升余弦滾降系統(tǒng)的傳輸特性表達(dá)式：

其中，α為滾降系數(shù)，Ts為碼元間隔。由圖5可以看出，滾降特性所形成的波形在采樣點(diǎn)上均為零，從而抑制了碼間串?dāng)_，并且“拖尾”現(xiàn)象隨著α的增大而振蕩幅度減小、衰減速度加快。

為了對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)性能有一個(gè)直觀的了解，利用眼圖法能夠方便地估計(jì)系統(tǒng)性能。所謂眼圖是一種定性分析系統(tǒng)特性的方法。將待測(cè)的基帶信號(hào)加到示波器的輸入端，同時(shí)把位定時(shí)信號(hào)作為掃描同步信號(hào)，使其與接收碼元同步，觀察示波器上顯示的圖形，由于在傳播二進(jìn)制代碼時(shí)，很像人的眼睛，稱之為眼圖法。圖6為升余弦滾降系統(tǒng)信號(hào)傳輸過程中觀察到的眼圖。改變?cè)肼暤墓β首V密度，“眼睛”的張開角度發(fā)生變化，從而反映噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響，使教學(xué)內(nèi)容更加直觀生動(dòng)有趣。

五、結(jié)束語

仿真軟件在《現(xiàn)代通信原理與系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，不但將課程中較難理解的內(nèi)容形象生動(dòng)地展示出來，使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解更加透徹，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和效率，從而提高了教學(xué)質(zhì)量和效果，而且從根本上提高了學(xué)生分析問題和解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，是課程教學(xué)改革中有益的探索。

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