張學(xué)敏，鐘 菲

(長春工程學(xué)院，長春 130012)

一、引言

目前，關(guān)于通信原理課程教學(xué)改革和研究的文章較多，大多從教學(xué)內(nèi)容整合[1]、教學(xué)方法轉(zhuǎn)變[2]和教學(xué)形式[3]轉(zhuǎn)變出發(fā)，從不同角度論述課程改革的實踐和對學(xué)生的影響，但就課程的某一知識點而采取的教學(xué)改革的具體操作的文章尚為少見，尤其像通信原理這類理論性強、先驗知識多、概念抽象、公示推導(dǎo)繁瑣的課程更需要一種操作性強的有效“工具”來幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

MATLAB/SIMULINK是一款專業(yè)仿真軟件，廣泛應(yīng)用于電子信息、通信和電氣自動化等專業(yè)領(lǐng)域，模塊化的設(shè)計、靈活的參數(shù)修改取代了大量代碼的編寫和反復(fù)調(diào)試過程，可節(jié)省學(xué)習(xí)時間，提高學(xué)習(xí)效率。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，新理論、新知識不斷出現(xiàn)，如何在有限的學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生學(xué)到更多知識并消化吸收，是從教者所在教學(xué)領(lǐng)域范圍內(nèi)應(yīng)該思考的問題。通信原理的主要知識點涉及隨機(jī)信號分析、模擬和數(shù)字通信系統(tǒng)、基帶傳輸和頻帶傳輸?shù)龋疚囊詳?shù)字頻帶傳輸中的2PSK(Binary Phrase-Shifting Key)二進(jìn)制相移鍵控知識點為例，進(jìn)行SIMULINK建模詳細(xì)操作，將復(fù)雜的2PSK頻帶傳輸?shù)恼{(diào)制和解調(diào)過程化抽象為具體、化繁瑣為簡易，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)質(zhì)量。

二、2PSK數(shù)字頻帶傳輸?shù)腟IMULINK建模與仿真[4-6]

圖1 SIMULINK模塊庫界面圖

(一)2PSK數(shù)字頻帶傳輸SIMULINK模塊調(diào)用

2PSK數(shù)字頻帶傳輸包括調(diào)制和解調(diào)，原理框圖見圖2和圖3，其工作原理過程在此略過。根據(jù)原理框圖，選擇所需的仿真模塊，模塊清單見表1。

圖2 2PSK頻帶傳輸調(diào)制原理框圖

圖3 2PSK頻帶傳輸解調(diào)原理框圖

在SIMULINK環(huán)境下，點擊文件菜單，建立一個模型文件窗口，根據(jù)2PSK數(shù)字頻帶傳輸?shù)恼{(diào)制和解調(diào)原理框圖，將所需模塊拖入模型文件窗口并連線生成2PSK數(shù)字傳輸系統(tǒng)，如圖4所示，然后將文件保存。

表1 2PSK頻帶傳輸仿真模塊清單

圖4 2PSK數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)SIMULINK建模

(二)2PSK數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)模塊參數(shù)設(shè)置

雙擊圖4中的功能模塊，會出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置對話框(篇幅有限，僅提供帶通濾波器參數(shù)設(shè)置對話框)，根據(jù)需要設(shè)置參數(shù)即可。隨機(jī)序列發(fā)生器的二進(jìn)制數(shù)字信息“0”和“1”的總數(shù)自定，這里設(shè)為500，“0”和“1”的出現(xiàn)概率設(shè)為0.5；正弦載波信號的頻率設(shè)為100 Hz，幅值設(shè)為1，初相位設(shè)為0，采樣時間設(shè)為0.001 s；轉(zhuǎn)換開關(guān)參數(shù)選默認(rèn)值；高斯白噪聲信道方差設(shè)為5；帶通濾波器的上、下限截止頻率分別設(shè)為95 Hz和105 Hz，采樣頻率設(shè)為1 000 Hz，帶通濾波器參數(shù)設(shè)置對話框如圖5所示；乘法器參數(shù)選默認(rèn)值；低通濾波器通帶過度頻率設(shè)為15 Hz；誤碼率計算器和顯示器選默認(rèn)值；示波器Scope、Scope1和Scope2的輸入端個數(shù)分別是2、3和2。

(三)2PSK數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真起始時間設(shè)為0s，終止時間20s，解算器類型選變步長，算法選ode45，其他參數(shù)為默認(rèn)值。系統(tǒng)運行后，示波器Scope顯示的是2PSK數(shù)字調(diào)制結(jié)果，見圖6，顯見，在數(shù)字信息由“0”變“1”或由“1”變“0”時，載波的初相由0變到π或由π變到0。2PSK調(diào)制就是通過載波初相位的變化將數(shù)字信息發(fā)送出去的。

圖5 帶通濾波器設(shè)計界面圖

圖6 2PSK數(shù)字調(diào)制時域波形

Scope1顯示的是解調(diào)端帶通濾波器、相乘器和低通濾波器輸出結(jié)果，見圖7，三個波形分別對應(yīng)框圖3中a、c、d的輸出。

圖7 數(shù)字帶通濾波器、乘法器和模擬低通濾波器輸出波形

Scope2顯示的信源發(fā)送的數(shù)字信息和解調(diào)出來的數(shù)字信息，見圖8。這兩個波形除了略有延遲外，幾乎完全一樣，說明接收端幾乎無失真收到信源發(fā)送的信息。同樣，由圖4的Display顯示結(jié)果可見，發(fā)送500個碼元，接收端有3個錯誤碼元，誤碼率為0.006，近似為0。如果高斯白噪聲信道的方差大于5，即信道噪聲增加則誤碼率會相應(yīng)增加。

圖8 信源基帶信號和解調(diào)后的信號波形

由系統(tǒng)仿真結(jié)果，可清楚直觀看到數(shù)字傳輸系統(tǒng)從輸入到輸出的每一個環(huán)節(jié)和細(xì)節(jié)，從外在的形式(模型搭建)到內(nèi)在的內(nèi)容(模塊參數(shù)設(shè)置)，一個鮮活的通信系統(tǒng)呈現(xiàn)在眼前，教材里繁瑣的公式推導(dǎo)和抽象概念變得生動和具體。

學(xué)生在實驗室利用通信原理硬件實驗箱也可實現(xiàn)2PSK數(shù)字頻帶傳輸?shù)恼{(diào)制和解調(diào)過程，但實驗箱在制作時每個實驗的參數(shù)已經(jīng)固化，不能修改，學(xué)生只是簡單地、機(jī)械地按照實驗步驟操作，但借助SIMULLINK虛擬仿真技術(shù)，參數(shù)可靈活修改，以實現(xiàn)具有不同參數(shù)特點的2PSK數(shù)字通行系統(tǒng)，幫助學(xué)生在腦海中形成通信系統(tǒng)的一個整體構(gòu)架，讓學(xué)生有所見即所得之感。

三、總結(jié)

本文以通信原理課程的2PSK數(shù)字頻帶傳輸為例，利用MATLAB/SIMULINK搭建2PSK數(shù)字傳輸系統(tǒng)，虛擬仿真實現(xiàn)頻帶傳輸?shù)恼{(diào)制和解調(diào)過程。從模塊調(diào)用、參數(shù)設(shè)置到系統(tǒng)仿真詳細(xì)敘述了每一環(huán)節(jié)的操作，并對示波器的輸出結(jié)果解釋分析。

將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到通信原理課程教學(xué)中，教材里抽象的概念，繁瑣的公式被SIMULINK生動可見的仿真模塊代替，模塊參數(shù)修改的靈活性，動態(tài)仿真結(jié)果的可見性，讓學(xué)生感覺通信原理不是“霧里看花”，而是“身臨其境”，從而調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和探索欲，也激勵教師不斷探索新的教學(xué)方法和教學(xué)手段，提高通信原理課程教學(xué)質(zhì)量。