虛擬仿真在通信原理實驗教學(xué)中的應(yīng)用

王婭茹 王巖 梁蘭菊 王旭娟

摘要：傳統(tǒng)的通信原理實驗多借助于硬件實驗設(shè)備，實驗項目大多是驗證性的，而且項目有限。為解決這些不足，該文引入了基于MATLAB/Simulink虛擬仿真實驗教學(xué)，通過AM超外差收音機(jī)虛擬仿真實例，說明基于MATLAB/Simulink的虛擬仿真實驗?zāi)軌蜃杂蓸?gòu)建通信系統(tǒng)和靈活修改實驗參數(shù)，有助于提升通信原理實驗課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：通信原理；實驗教學(xué)；虛擬仿真；MATLAB/Simulink

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）24-0136-02

Abstract： As the traditional communication principle experiment are mostly based on hardware experiments which are mostly verifiable and involves in only limited number of projects， this paper introduces the virtual simulation experiment teaching based on MATLAB in an effort to resolve these limitations. Through the simulation example of AM superheterodyne radio， the author proves that the MATLAB based experiments can flexibly construct the communication system and modify the parameters， which can greatly improve the teaching effects of the communication principle.

Key words： Communication principle； Experimental teaching； Virtual Simulation； MATLAB/Simulink

通信原理課程是信息工程專業(yè)的核心主干課，是構(gòu)建信息專業(yè)知識結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)，在信息通信類及相關(guān)專業(yè)的教學(xué)中有著極其重要的地位通信原理課程一直是信息通信類研究生入學(xué)考試的必考課程之一，其重要性是其他課程不可替代的。

1 通信原理實驗教學(xué)目前存在的問題

通信原理課程的理論性很強(qiáng)，學(xué)生普遍反映該課程理論深奧，不易理解。因此必須從實踐環(huán)節(jié)來加深對理論知識的學(xué)習(xí)尤為重要。目前各個學(xué)校基本上是借助于通信原理實驗箱等硬件設(shè)備，實驗項目大多是驗證性的，每次實驗都是學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書進(jìn)行簡單的操作，然后通過示波器觀察測量波形，再提交實驗報告。實驗內(nèi)容僅僅是課程講述的基本原理的物理性驗證，且實驗項目有限，學(xué)生難以系統(tǒng)化的了解整個通信過程。在這種試驗?zāi)Ｊ较陆虒W(xué)，忽略了對學(xué)生綜合思維能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。我們教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)具有創(chuàng)造性的應(yīng)用型人才，應(yīng)該更注重創(chuàng)造力的培養(yǎng)，教學(xué)也應(yīng)該緊跟時代的步伐增設(shè)新的教學(xué)內(nèi)容[1]。

2 MATLAB虛擬仿真教學(xué)的特點

虛擬仿真實驗軟件MATLAB具有強(qiáng)大的功能，在該環(huán)境可供學(xué)生自己利用Simulink功能模塊、編寫和調(diào)用M函數(shù)或者S函數(shù)等，搭建系統(tǒng)通信系統(tǒng)和連接、調(diào)節(jié)和使用虛擬實驗儀器設(shè)備。教師利用虛擬器材庫中的虛擬儀器和模塊自由搭建任意合理的典型實驗，或?qū)嶒灠咐?，這一點是虛擬實驗有別于傳統(tǒng)實驗教學(xué)的重要特征。在虛擬實驗環(huán)境中，學(xué)生既可以大膽動手操作，又可自主設(shè)計實驗，有利于培養(yǎng)的操作能力、分析診斷能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新意識[2]。

3 基于MATLAB/Simulink的AM超外差收音機(jī)仿真實例

傳統(tǒng)的通信原理實驗箱中沒有這樣綜合的實驗。學(xué)生要完成這個，必須清楚的了解AM超外差收音機(jī)的基本原理，否則無法完成整個系統(tǒng)的仿真。首先學(xué)生就會帶著問題查閱其相關(guān)資料，在查閱資料的過程中，既提高了學(xué)生查閱資料的能力，又鍛煉了學(xué)生的獨立思考能力。

通過查閱資料，學(xué)生獲知什么是AM超外差收音機(jī)及其工作原理。超外差式收音機(jī)利用混頻電路使本機(jī)振蕩信號與接收到的電臺信號進(jìn)行非線性混頻，使二者的差值始終為465KHZ，這樣就降低了放大電路的信號頻率，可以有效克服直接放大式收音機(jī)接收不同頻率的時候靈敏度不均勻的缺點[3]。由于混頻的作用使得本機(jī)振蕩信號的頻率始終比接收到的廣播電臺信號頻率超出465KHZ，因此把這種收音機(jī)叫作超外差式收音機(jī)。

接下來，學(xué)生就要思考，超外差式收音機(jī)工作過程。在從天線接收到的微弱的高頻調(diào)幅信號被送到混頻管，同時收音機(jī)中的本機(jī)振蕩電路產(chǎn)生高頻振蕩信號，也被送到混頻管，這兩種信號經(jīng)混頻后，變換成統(tǒng)一頻率的中頻信號。其中差頻為465kHz，由選頻回路的濾波器選出465kHz的中頻信號，將其中頻信號進(jìn)行放大和處理，經(jīng)放大后的中頻信號再送到解調(diào)器檢波器檢波，還原成音頻基帶信號；音頻信號再經(jīng)功率放大送到揚聲器，由揚聲器還原成聲音。

學(xué)生經(jīng)過以上的工作之后，就要開始著手對AM超外差收音機(jī)在的Simulink環(huán)境下進(jìn)行建模。為了體現(xiàn)超外差收音機(jī)對不同頻率信號的接收，在發(fā)送端就要建立多路信號。然后在Simulink模塊庫中選取相應(yīng)的模塊，模塊庫中的模塊一般都有參數(shù)修改的功能，這樣便于學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計要求設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。例如信號源，可以選擇正弦波，鋸齒波，方波，其頻率也可以根據(jù)需要修改。學(xué)生在使用濾波器模塊時，首先要計算在本設(shè)計中濾波器的截止頻率，然后在去參數(shù)設(shè)置，這個過程其實就是理論和實踐相結(jié)合的過程。相比傳統(tǒng)的連線驗證理論的實驗，該實驗學(xué)生可以更好地鞏固理論知識。

本實驗仿真是一臺超外差式中波收機(jī)的信號處理過程，發(fā)送端發(fā)送了兩路不同載波的AM調(diào)幅信號，采用對頻分復(fù)用方式進(jìn)行模擬。接收端可通過設(shè)置來改變本機(jī)振蕩頻率達(dá)到選擇接收其中某一路信號的目的，AM超外差收音機(jī)仿真模型如圖1所示。為了便于分析兩個調(diào)幅發(fā)射機(jī)被封裝為子系統(tǒng)，其模型如圖3所示，兩路AM信號的載波頻率分別為1000KHz和1200KHz，音頻基帶信號的分別為頻率1000Hz的 正弦波和頻率500Hz 的鋸齒波，兩者幅度均為0.3V。AM已調(diào)信號從Out1輸出。

最后的環(huán)節(jié)，學(xué)生要對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而驗證該實驗建模的正確性?？梢酝ㄟ^改變壓控輸入端的值來改變要收聽的信號的頻率。模型中用[Slider Gain]作為壓控輸入值的調(diào)整，當(dāng)接收端壓控輸入值為1000KHz 時，模擬本機(jī)振蕩的壓控振蕩器將輸出1465KHz頻率的正弦波，這時恰好可以接收載波頻率為1000KHz 的調(diào)幅信號。如圖3所示，雙擊該模塊可實時地調(diào)整設(shè)置的接收頻率，以便觀察接收信號的變化。

超外差接收機(jī)對1000kHz的調(diào)幅電臺信號的三種輸出波形的解調(diào)結(jié)果如圖4所示。

圖4中a圖為發(fā)射機(jī)輸出信號的波形，b圖為接收機(jī)中頻濾波后的波形，c圖為經(jīng)過包絡(luò)檢波后再經(jīng)過放大后的輸出波形。

b圖與a圖對比，可以看出最初的原始信號比較均勻，由于噪聲的存在和AM解調(diào)采用包絡(luò)檢波，因此經(jīng)過超外差收音機(jī)后信號稍微有些失真。

4 結(jié)束語

綜上，將基于MATLAB/Simulink虛擬仿真實驗引入到通信原理實驗教學(xué)中，能夠有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)原理通信實驗箱無法自由構(gòu)建通信原理實驗和無法靈活進(jìn)行實驗參數(shù)修改的不足，同時還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高實踐能力和創(chuàng)新能力，有助于提高通信原理實驗課程的教學(xué)效果[4]。

參考文獻(xiàn)：

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[2]虛擬實驗室是一種基于Web技術(shù). 互聯(lián)網(wǎng)文檔資源（http：//wenku.baidu.c）

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[4] 曾英.運用Matlab仿真改革通信原理實驗教學(xué)[J]. 軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)），2016，15（6）：16- 18.

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[9] 邵玉斌. MATLAB/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008，230-231.

【通聯(lián)編輯：王力】