張福鼎　郭云均　艾小倩　丁吉

摘 要 在通信原理課程教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合Matlab可視化虛擬仿真優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用案例設(shè)計(jì)分析。實(shí)踐證明，Matlab可使抽象原理形象化，增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，加深鞏固理論知識(shí)理解，并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了分析解決實(shí)際問題能力，提高了教學(xué)質(zhì)量及教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 通信原理 Matlab 虛擬仿真 可視化演示系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.04.010

Research on the Application of Matlab Visualization and Virtual Simulation in the Educational Practice of Communication Principle

ZHANG Fuding， GUO Yunjun， AI Xiaoqian， DING Ji

（School of Physics and Electronic Engineering， Jiangsu Second Normal University， Nanjing， Jiangsu 210013）

Abstract Taken advantages of visualization of Matlab virtual simulation， the course of communication principle was constructed with design and analysis of actual applications. And it achieved that the abstract principle could be visualized， theoretical knowledge could be consolidated and enhanced with learning enthusiasm stimulated. Finally， the ability to analyze and solve practical problems is developed with improved teaching quality and teaching effect.

Keywords communication principle； Matlab； Virtual simulation； Visualization instruction

0 引言

通信原理作為本科高校工科課程體系中重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，詳細(xì)闡述了通信技術(shù)基本概念、原理、框架及分析方法，與先修課程聯(lián)系緊密，又為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，亦是研究生入學(xué)考試必考科目。學(xué)好通信原理具有重要意義，但其理論性和實(shí)踐性均強(qiáng)，模型抽象，原理復(fù)雜，學(xué)生感到枯燥難懂，抓不住重點(diǎn)。[1]為了提高通信原理教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力，需要在教學(xué)過(guò)程中引入Matlab進(jìn)行虛擬仿真，并轉(zhuǎn)化教學(xué)模式，以學(xué)生探索為主，充分調(diào)動(dòng)主觀能動(dòng)性，建立主動(dòng)學(xué)習(xí)模式，結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用，讓學(xué)生不僅掌握原理方法，還能靈活運(yùn)用。通過(guò)構(gòu)建模型、調(diào)整觀察系統(tǒng)性能，可提高教學(xué)直觀性及趣味性，實(shí)現(xiàn)“以探索為主”，可提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性，加深學(xué)生的理論知識(shí)理解程度，增強(qiáng)應(yīng)用能力，從而改善教學(xué)效果。提高教學(xué)效率，提升教學(xué)質(zhì)量，起到事半功倍的效果。

1 Matlab軟件及仿真應(yīng)用

Matlab是MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，功能強(qiáng)大、界面友好、語(yǔ)法簡(jiǎn)潔，專業(yè)函數(shù)庫(kù)和工具箱可提高研究開發(fā)效率，應(yīng)用于工程計(jì)算、信號(hào)處理、檢測(cè)及通訊等領(lǐng)域，可用于通信理論研究、建模仿真、性能分析等方面，[2， 3]簡(jiǎn)單直觀的系統(tǒng)建?？墒褂脩袅⒓纯吹椒抡娼Y(jié)果。Matlab在國(guó)內(nèi)外高校已得到重視和廣泛應(yīng)用，已成為必備基本技能之一，[4， 5]采用較少時(shí)間編寫相對(duì)質(zhì)量較高的程序，可將更多精力集中于研究解決問題本質(zhì)，在理論教學(xué)、實(shí)踐環(huán)節(jié)及前沿研究中發(fā)揮了重要作用。[6-9]

Matlab軟件主要特點(diǎn)有：（1）操作界面簡(jiǎn)單，編程語(yǔ)言自然簡(jiǎn)單，除錯(cuò)方便，以復(fù)數(shù)與矩陣為計(jì)算單元，使用工作空間存儲(chǔ)程序過(guò)程變量，便于分析計(jì)算過(guò)程變化。（2）數(shù)據(jù)可視化、作圖等功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)二維三維圖形繪制、動(dòng)畫處理等操作。（3）開放性和擴(kuò)展性，可對(duì)源文件二次開發(fā)，按需定制工具箱與文件。亦可通過(guò)MEX文件方式方便調(diào)用FORTRAN與C程序，將用戶文件作為庫(kù)函數(shù)來(lái)調(diào)用，提高使用效率。

同時(shí)，運(yùn)用Matlab虛擬仿真進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用教學(xué)，能充分利用院?，F(xiàn)有機(jī)房資源，大大降低硬件投入，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)容開放、方式靈活的實(shí)踐教學(xué)效果，根據(jù)課程內(nèi)容及學(xué)生反饋可靈活調(diào)整設(shè)計(jì)實(shí)踐內(nèi)容，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證還是開發(fā)設(shè)計(jì)，都可以達(dá)到方式多樣，內(nèi)容豐富的目的。

2 Matlab仿真在通信原理教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用

目前運(yùn)用Matlab展開教學(xué)的步驟有：（1）講授公式應(yīng)用背景、變量物理意義，變換變量取值仿真演示，讓學(xué)生觀察變量變化帶來(lái)的實(shí)際影響，建立直觀印象。（2）學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)框架，根據(jù)基本原理確定系統(tǒng)功能、框圖模型及數(shù)學(xué)模型。編寫m文件實(shí)現(xiàn)仿真模型，并了解系統(tǒng)運(yùn)行起止及中間流程。（3）調(diào)整運(yùn)行時(shí)間、采樣率、信號(hào)頻率等參數(shù)，觀測(cè)動(dòng)態(tài)仿真變化情況，分析不同信號(hào)頻譜、波形等圖形及數(shù)據(jù)。（4）學(xué)生歸納總結(jié)公式變量實(shí)際意義，參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響，并將編寫的程序自定義為子功能模塊，保存以便后續(xù)工程調(diào)用，訓(xùn)練學(xué)生進(jìn)行理論與實(shí)踐、數(shù)學(xué)模型與實(shí)際工程相結(jié)合。

以幅度調(diào)制為例，學(xué)生先了解如圖 1所示的基本原理，再設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)，產(chǎn)生服從均勻分布隨機(jī)整數(shù)，時(shí)間間隔為，調(diào)制載波為，并繪制原始信號(hào)與已調(diào)信號(hào)頻譜，計(jì)算已調(diào)信號(hào)功率與調(diào)制效率。學(xué)生運(yùn)用講授的m文件編寫、調(diào)試及運(yùn)行方法，建立仿真模型：n=4，隨機(jī)數(shù)種子seed=123，=0.1s，持續(xù)時(shí)間=10s，產(chǎn)生=100個(gè)信號(hào)，調(diào)用randint函數(shù)生成信號(hào)序列。抽樣時(shí)間間隔ts=0.0025，抽樣頻率fs=1/ts，時(shí)間向量t=0：ts：10-ts，df=fs/length（t）得到fft的頻率分辨率，msg1=msg*ones（1，fs/10）擴(kuò)展為取樣信號(hào)形式，msg2=reshape（msg1.'，1，length（t））；Pm=fft（msg2）/fs；求原始信號(hào)頻譜，f=-fs/2：df：fs/2-df； figure； plot（f，fftshift（abs（Pm）））繪制原始信號(hào)頻譜圖。a=100， b=4，Sam=（b+msg2）.*cos（2*pi*100*t）；生成已調(diào)信號(hào)，Pam=fft（Sam）/fs；求已調(diào)信號(hào)頻譜，figure； plot（f，fftshift（abs（Pam）））繪制已調(diào)信號(hào)頻譜圖。如圖 2所示，設(shè)置不同參數(shù)可觀測(cè)到不同狀態(tài)已調(diào)信號(hào)頻譜圖。通過(guò)Pc=sum（abs（Sam）.^2）/length（Sam）得到已調(diào)信號(hào)功率，Ps=Pc-A^2/2；得到原始信號(hào)功率，Ps/Pc計(jì)算調(diào)制效率。

如圖 3所示，采用Simulink來(lái)建立系統(tǒng)仿真模型，調(diào)用調(diào)幅模塊，隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器模塊產(chǎn)生消息信號(hào)，減法器模塊與常數(shù)模塊進(jìn)行消息信號(hào)范圍轉(zhuǎn)換，量化器模塊將連續(xù)（下轉(zhuǎn)第39頁(yè)）（上接第21頁(yè)）信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)，頻譜分析器觀測(cè)原始信號(hào)與已調(diào)信號(hào)頻譜，通過(guò)平方、均值、除法器模塊計(jì)算已調(diào)信號(hào)振幅平方、信號(hào)均值及調(diào)制效率，顯示模塊輸出原始信號(hào)與已調(diào)信號(hào)時(shí)域波形、已調(diào)信號(hào)中消息信號(hào)功率與調(diào)制效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

在通信原理課程中采用Matlab仿真進(jìn)行可視化教學(xué)，可加大課堂信息量，明顯提高教學(xué)效果，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)主動(dòng)性。自主建模使學(xué)生更好地建立直觀印象，加深理解，提升學(xué)習(xí)效率與思維分析能力，同時(shí)鍛煉培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，提升探索研究能力。使得教學(xué)更加豐富生動(dòng)，師生互動(dòng)增強(qiáng)，改變通信原理難學(xué)的歷史，獨(dú)具特色地推進(jìn)了通信原理課堂教學(xué)，對(duì)于學(xué)生走向工作崗位及研究進(jìn)修打下良好基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：江蘇第二師范學(xué)院教改課題立項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目（JSSNUJXGG2017ZD05）、江蘇第二師范學(xué)院引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金（915201）、江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（16KJB510007）

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