陳小敏，朱秋明，徐大專，黨小宇

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，南京 210016)

·實(shí) 驗(yàn) 技 術(shù)·

基于Matlab的模擬通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真

陳小敏，朱秋明，徐大專，黨小宇

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，南京 210016)

針對(duì)通信原理課程理論性強(qiáng)、概念抽象的特點(diǎn)，將Matlab的圖形繪制和系統(tǒng)仿真等功能應(yīng)用于通信系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)仿真中，設(shè)計(jì)了基于Matlab的模擬信號(hào)傳輸軟件實(shí)驗(yàn)，根據(jù)模擬通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)的原理與方法，以實(shí)例驗(yàn)證模擬信號(hào)傳輸過(guò)程。學(xué)生自己創(chuàng)建基于Matlab的模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示各點(diǎn)的時(shí)域波形和頻譜特性，將課內(nèi)基礎(chǔ)知識(shí)與軟件系統(tǒng)調(diào)試有效地結(jié)合，加深了學(xué)生對(duì)信號(hào)傳輸原理的理解與認(rèn)識(shí)，促進(jìn)了學(xué)生動(dòng)手能力與創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

模擬信號(hào)；調(diào)制解調(diào)；Matlab軟件；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

通信原理是電子信息類(lèi)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是提高通信原理課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生的基本技能和綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析、解決問(wèn)題的能力的一種教學(xué)手段和途徑，對(duì)提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，培養(yǎng)適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展要求的高質(zhì)量專業(yè)人才起著不可替代的作用。因此，必須加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)改革，改善教學(xué)效果。

通信原理課程講述模擬和數(shù)字信息傳輸系統(tǒng)的基本理論，包括通信的基本原理、技術(shù)、性能和分析方法[1]。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠掌握現(xiàn)代信息傳輸?shù)挠嘘P(guān)技術(shù)。它的特點(diǎn)是內(nèi)容豐富、概念抽象、原理復(fù)雜、理論性強(qiáng)，其中，許多概念都是學(xué)生首次接觸，不易理解。本課程學(xué)習(xí)的好壞直接影響到后續(xù)許多專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。如何讓學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程過(guò)程中既能觸摸到通信領(lǐng)域最新發(fā)展的脈搏，又能饒有興趣地學(xué)習(xí)相對(duì)乏味的基礎(chǔ)理論，是該課程教學(xué)成敗的關(guān)鍵。軟件仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容靈活、設(shè)計(jì)性強(qiáng)，既與基本理論相互補(bǔ)充，又能與硬件實(shí)驗(yàn)相互彌補(bǔ)[2-5]。

學(xué)生結(jié)合Matlab仿真平臺(tái)對(duì)模擬信號(hào)的傳輸過(guò)程進(jìn)行仿真，可以對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。這種理論與軟件系統(tǒng)調(diào)試結(jié)合的教學(xué)模式不僅可以提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)調(diào)制解調(diào)基本原理和方法的理解，更有益于增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能與素質(zhì)，從而全面提高學(xué)生獨(dú)立自主地分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力[6-9]。

1 模擬信號(hào)傳輸系統(tǒng)模型

模擬通信系統(tǒng)模型如圖1所示。在發(fā)送端，基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后，變換成頻帶適合信道傳輸?shù)男盘?hào)，并且相應(yīng)地在接收端進(jìn)行反調(diào)制，即解調(diào)。

圖1 模擬通信系統(tǒng)模型

利用Matlab作為軟件開(kāi)發(fā)工具，可以完成如圖1所示模擬系統(tǒng)的代碼編寫(xiě)與仿真調(diào)試，實(shí)時(shí)顯示各點(diǎn)的時(shí)域波形和頻譜結(jié)構(gòu)，將仿真結(jié)果和理論結(jié)果相比較，加深對(duì)信號(hào)傳輸原理的理解。實(shí)驗(yàn)中關(guān)于濾波器的選取，考慮到FIR濾波器具有嚴(yán)格的線性相位特性，又因?yàn)榇昂瘮?shù)法比較簡(jiǎn)單且有現(xiàn)成的窗函數(shù)公式可用，在技術(shù)指標(biāo)要求不高的場(chǎng)合使用比較靈活，故本次實(shí)驗(yàn)中采用Kaiser窗設(shè)計(jì)FIR濾波器實(shí)現(xiàn)濾波。

基于Mtlab的模擬傳輸實(shí)驗(yàn)步驟歸納如下：

1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求，綜合運(yùn)用課堂理論知識(shí)，完成模擬信號(hào)幅度調(diào)制調(diào)解與角度調(diào)制解調(diào)的系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的綜合運(yùn)用能力。

2)根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行軟件仿真，通過(guò)觀察仿真圖，掌握常見(jiàn)模擬幅度與角度調(diào)制信號(hào)的波形與頻譜特點(diǎn)，讓學(xué)生更直觀地感受常見(jiàn)模擬波形的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生軟件調(diào)試能力。

2 模擬信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)模擬通信系統(tǒng)模型，基于Matlab完成模擬幅度調(diào)制和模擬角度調(diào)制實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，鼓勵(lì)學(xué)生采用多種不同的設(shè)計(jì)思想來(lái)解決問(wèn)題，保證學(xué)生獨(dú)立自主完成實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)以及軟件仿真調(diào)試的過(guò)程。使學(xué)生能夠通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)模擬通信的認(rèn)識(shí)，使自己的創(chuàng)新思維得到培養(yǎng)，動(dòng)手能力得到提高。

2.1 模擬幅度調(diào)制實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)課堂學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握模擬幅度調(diào)制的基本原理和方法。設(shè)正弦載波為

s(t)=Acos(ωct+φ0)

式中：A為載波幅度；ωc為載波角頻率；φ0為載波初始相位，一般可記為0。幅度調(diào)制信號(hào)可表示為

sm(t)=Am(t)cos(ωct+φ0)

(1)

為了無(wú)失真地恢復(fù)基帶信號(hào)，接收端需提供與發(fā)送端載波嚴(yán)格同步(同頻同相)的本地載波(稱為相干載波)，它與接收信號(hào)相乘并經(jīng)過(guò)低通濾波后可得到解調(diào)信號(hào)，如圖2所示。

圖2 相干解調(diào)器的一般模型

已調(diào)信號(hào)乘以相干載波后經(jīng)低通濾波、隔直流便可得到輸出信號(hào)，由此完成了解調(diào)過(guò)程。

2.2 模擬角度調(diào)制實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

角度調(diào)制也稱非線性調(diào)制，通常是通過(guò)改變載波的頻率或相位來(lái)達(dá)到的，而頻率或相位的變化都可以看成是載波角度的變化。角度調(diào)制信號(hào)的一般表示為

(2)

角度調(diào)制分寬帶與窄帶兩種，由調(diào)頻或調(diào)相所引起的最大瞬時(shí)相位偏移遠(yuǎn)小于30°時(shí)，稱為窄帶調(diào)頻(NBFM)或窄帶調(diào)相(NBPM)，否則，稱為寬帶調(diào)頻(WBFM)或?qū)拵д{(diào)相(WBPM)。

2.3 濾波器設(shè)計(jì)

用Kaiser窗設(shè)計(jì)FIR濾波器時(shí)要進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。Kaiserord函數(shù)用于返回濾波器的階數(shù)n和beta參數(shù)，去指定一個(gè)函數(shù)fir1需要的Kaiser窗。

主要用到的函數(shù)有：

[n, Wn, beta, ftype]=kaiserord(fcuts, mags,devs,fsamp)

該函數(shù)計(jì)算出濾波器的大約階數(shù)n，頻帶的邊緣歸一化頻率Wn，以及參數(shù)beta和ftype。其中，參數(shù)fcuts是頻帶邊緣頻率向量，mags是各頻帶的理想幅值向量；devs是通帶與阻帶紋波向量，用于限制通帶與阻帶的波動(dòng)幅度；fsamp為采樣頻率。

下面給出帶通濾波器對(duì)應(yīng)的fcuts和mags值所要遵循的規(guī)則：

帶通濾波器的fcuts為四元矢量，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)通帶截止頻率和兩個(gè)阻帶起始頻率，如，

fcuts=[16 000 17 500 22 500 24 000]，表示17 500～22 500 Hz為通帶，阻帶為小于16 000 Hz及大于24 000 Hz區(qū)域；mags為三元矢量，可設(shè)置為mags=[0 1 0]。

hh=fir1(n,Wn,ftype,kaiser(n+1,beta),'noscale')

其中，kaiser(n+1,beta)函數(shù)表示返回一個(gè)n點(diǎn)的kaiser窗，參數(shù)beta是凱撒窗的β參數(shù)，在kaiserord()函數(shù)中獲得，它影響著窗函數(shù)傅里葉變化中旁瓣的衰減。函數(shù)fir1()返回一個(gè)包含有n階FIR濾波器的系數(shù)向量，其歸一化截止頻率為Wn’。noscale’表示不對(duì)濾波器歸一化。

2.4 Matlab仿真演示

完成代碼編寫(xiě)后需要進(jìn)行仿真調(diào)試，基帶信號(hào)為2 kHz余弦波，載波頻率為20 kHz，采樣率為1 MHz，考慮信道噪聲(加性高斯白噪聲)。模擬幅度調(diào)制的幾種常見(jiàn)方式中，給出AM調(diào)制的仿真圖，模擬角度調(diào)制則給出FM調(diào)制的仿真圖，分別如圖3～圖5所示。

圖3 AM信號(hào)及其頻譜

圖4 乘法器輸出后的AM信號(hào)及其頻譜

圖5 相干解調(diào)后的AM信號(hào)及其頻譜

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在模擬信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)中采用基礎(chǔ)理論與軟件仿真相結(jié)合的教學(xué)方法，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性與主動(dòng)性，有利于學(xué)生更系統(tǒng)、更全面地掌握整個(gè)模擬通信系統(tǒng)的概念，同時(shí)，軟件仿真的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到了利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來(lái)驗(yàn)證理論結(jié)果的重要性，在完善知識(shí)體系的同時(shí)也鍛煉了自身的動(dòng)手操作能力與獨(dú)立思考能力。

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Design and Simulation of Analog Communication Experiment Based on Matlab

CHEN Xiaomin, ZHU Qiuming, XU Dazhuan, DANG Xiaoyu

(College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China)

Aimed at the profound theories and abstract concepts of communication principle curriculum, the graphics of Matlab and the system simulation are applied to the simulation experiment of communication systems, and an experiment teaching system of analog signal transmission based on the Matlab simulation platform is proposed according to the principle of analog modulation and demodulation. The purpose is to verify the transmission process of analog signal with examples. The students create the simulation process of the signal transmission based on the Matlab by themselves and the waveform and spectrum characteristics of each point can be real-time displayed, which can make the classroom knowledge combined with the debugging software system effectively, deepen students’ understanding of knowledge and promotes the students’ ability and innovation spirit.

analogy signal; modulation-demodulation; Matlab software; experiment teaching

2014-01-06；修改日期: 2014-09-28

南京航空航天大學(xué)課程專項(xiàng)建設(shè)基金資助項(xiàng)目(1301JG0402K，1302JG0402K)；南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目。

陳小敏(1975-)，女，博士，副教授，研究方向：無(wú)線通信、空時(shí)編碼的信號(hào)檢測(cè)和鏈路自適應(yīng)技術(shù)。

G642.423

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.001