胡汀

摘要：通信原理課程是一門理論性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在通信及網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的課程體系結(jié)構(gòu)中起著非常重要的作用。該文針對傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)所帶來的缺陷，提出了在通信原理課程教學(xué)中多方位引進(jìn)MATLAB軟件的教學(xué)方法。通過二進(jìn)制振幅鍵控實(shí)驗(yàn)的實(shí)例，說明不管是利用Matlab中的Simulink框圖實(shí)驗(yàn)，還是使用Matlab編程實(shí)驗(yàn)，都能讓學(xué)生更好地融會貫通所學(xué)理論知識，更好地激發(fā)學(xué)生對抽象理論知識的學(xué)習(xí)興趣，提高他們分析和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：通信原理；課程教學(xué)；Matlab

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）18-0137-02

1 引言

“通信原理”是高等院校網(wǎng)絡(luò)工程、電子通信等信息專業(yè)重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，涉及“高頻電子電路”、“概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)”和“隨機(jī)信號分析”等相關(guān)前序課程。該課程具有內(nèi)容抽象復(fù)雜、知識面廣、抽象概念多，知識更新快，學(xué)生對概念往往不易理解，在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)畏難情緒等特點(diǎn)，因此，本文對課程的實(shí)踐教學(xué)方法進(jìn)行探索，有機(jī)的結(jié)合實(shí)驗(yàn)箱、Matlab仿真軟件等相關(guān)技術(shù)，開展仿真性、驗(yàn)證型和設(shè)計(jì)性等多層次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)踐教學(xué)活動。使得學(xué)生能夠有效地消化所學(xué)的抽象理論知識，更加深刻的理解通信系統(tǒng)工作原理。本著“因材施教，以生為本”的教學(xué)理念，我們對通信原理教學(xué)進(jìn)行了積極的探索與研究，通過引入多方位的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生的動手能力，極大地提高學(xué)生分析、解決問題的能力，有效的改善通信原理教學(xué)效果。

2 以硬件實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，加深學(xué)生對抽象理論知識的理解

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要是以實(shí)驗(yàn)箱為平臺，實(shí)驗(yàn)箱以模塊設(shè)計(jì)的形式描述通信系統(tǒng)各主要部件原理和信息傳輸過程，模塊間連線由學(xué)生自主設(shè)計(jì)，靈活的構(gòu)建多種信息傳輸系統(tǒng)和多種復(fù)用、復(fù)接形式，學(xué)生通過連線實(shí)驗(yàn)箱上的測試點(diǎn)與數(shù)字示波器，可以記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形，從而驗(yàn)證抽象理論。在教學(xué)中，以現(xiàn)代通信理論的發(fā)展為主線，圍繞數(shù)字通信的基本原理，按照由淺入深、由簡到繁的原則，通過驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)來加深學(xué)生對基本概念和原理的掌握。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包含有CPLD可編程數(shù)字信號發(fā)生器實(shí)訓(xùn)、模擬信號源實(shí)驗(yàn)、抽樣定理與PAM調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)、PCM編譯碼等多個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。學(xué)生能夠通過驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)更好地掌握數(shù)字通信的基本原理，通信原理的物理實(shí)現(xiàn)方式能直觀的通過試驗(yàn)箱來展現(xiàn)。如在抽樣定理試驗(yàn)中，學(xué)生可通過數(shù)字示波器觀測了解輸入模擬信號、抽樣時鐘信號以及抽樣信號等信號波形，并通過不斷調(diào)整抽樣時鐘信號頻率并觀測輸出波形來比較抽樣的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過程直觀，學(xué)生對抽樣定理等相關(guān)概念的理解因此而變得更加具體，大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 引入實(shí)驗(yàn)工具M(jìn)atlab，通過仿真性實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生對通信系統(tǒng)的宏觀認(rèn)識

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)意在使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)來掌握通信原理與實(shí)際電路的結(jié)合，達(dá)到鞏固基礎(chǔ)知識理解的目的，但在實(shí)際使用過程當(dāng)中，還是存在很大的使用局限性。例如，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大部分由生產(chǎn)廠家指定，實(shí)驗(yàn)缺乏靈活性；硬件實(shí)驗(yàn)箱容易老化和損壞，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量會因此受影響，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察不佳；實(shí)驗(yàn)箱的不可更改，導(dǎo)致很多需要通過多次修改參數(shù)來觀測不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果的實(shí)驗(yàn)無法開設(shè)，實(shí)驗(yàn)不能有效鞏固原理的理解，等等。因此，在教學(xué)過程中，我們引入基于Matlab仿真軟件的仿真性實(shí)驗(yàn)，有效地彌補(bǔ)硬件實(shí)驗(yàn)箱的不足，讓學(xué)生通過軟件仿真的方式建立通信系統(tǒng)模型，鞏固抽象難懂的理論知識，培養(yǎng)分析解決實(shí)際問題的動手能力。

Matlab在系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號處理、通信系統(tǒng)研究等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1利用Matlab中的Simulink框圖開展仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

以通信原理實(shí)驗(yàn)中的二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制2ASK（二進(jìn)制幅度鍵控）為例。

設(shè)二元離散信源發(fā)出消息符號0、1的概率分別為P、（1-P），且0和1的出現(xiàn)彼此獨(dú)立，根據(jù)2ASK的調(diào)制原理，一個2ASK可以表示成一個單極性矩形脈沖序列與一個正弦載波的乘積，即：

[S2ASK=[nang（t-nTs）]coswct] （1）

在2ASK調(diào)制方式中，第[n]個信號碼元的初始相位設(shè)為0，[an]為單極性不歸零碼。

圖1為用相乘器法實(shí)現(xiàn)2ASK信號的電路方框圖。

接下來，如圖2所示，根據(jù)2ASK信號調(diào)制原理，選用Simulink仿真平臺中的信源和二進(jìn)制模塊，分別送到乘法器的兩個輸入端，最終將結(jié)果都送入示波器，進(jìn)行正確連線，結(jié)合仿真波形，就可以直觀的理解課堂中所學(xué)的2ASK信號調(diào)制原理的理論知識。

采用Simulink動態(tài)仿真結(jié)果如圖3所示，一方面可以在課堂教學(xué)中邊講解理論知識邊仿真演示，學(xué)生可以更加直觀的觀測到各種仿真結(jié)果，理解其原理；另一方面，通過對參數(shù)的靈活設(shè)置，學(xué)生可以在研究實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，培養(yǎng)其學(xué)習(xí)積極性。

3.2利用Matlab編程開展仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

二進(jìn)制幅度鍵控（2ASK）利用載波的幅度變化來傳遞二進(jìn)制數(shù)字信息，而其頻率和初始相位則保持不變。在2ASK中，載波的幅度的兩種變化狀態(tài)，分別對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)字信息“0”和“1”。2ASK信號的一般表達(dá)式如式（1）所示。

設(shè)計(jì)程序產(chǎn)生一組長度為500的二進(jìn)制單極性不歸零信號，定義載波參量，將之相乘即可。

clear all；

close all；

A=1；

fc=2；

N_sample=8；

N=500；

Ts=1；

dt=Ts/fc/N_sample；

t=0：dt：N*Ts-dt；

>> Lt=length（t）；

>> %產(chǎn)生、

>> %產(chǎn)生二進(jìn)制信源

>> d=sign（randn（1，N））；

>> N1=length（（d+1）/2）；

>>dd=zeros（fc*N_sample，N1）；

>>dd（1，：）=（d+1）/2；

>>dd=reshape（dd，1，fc*N_sample*N1）；

>>gt=ones（1，fc*N_sample）；

>>figure（1）

>>subplot（221）；

>>d_NRZ=conv（dd，gt）；

>>plot（t，d_NRZ（1：length（t）））；

>>axis（[0 10 0 1.2]）；

>>ylabel（'輸入信號'）；

>>subplot（222）；

>>dt=t（2）-t（1）；

>> T=t（end）；

>>df=1/T；

>> N=length（d_NRZ（1：length（t）））；

>> f=-N/2*df：df：N/2*df-df；

>>d_NRZf=fft（d_NRZ（1：length（t）））；

>>d_NRZf=T/N*fftshift（d_NRZf）；

>>plot（f，10*log10（abs（d_NRZf）.^2/T））；

>>axis（[-2 2 -50 10]）；

>>ylabel（'輸入信號功率譜密度（dB/Hz）'）

>>ht=A*cos（2*pi*fc*t）；

>> s_2ask=d_NRZ（1：Lt）.*ht；

>>subplot（223）

>>plot（t，s_2ask）；

>>axis（[0 10 -1.2 1.2]）；

>>ylabel（'2ASK'）；

>>dt=t（2）-t（1）；

>> T=t（end）；

>>df+1/T；

>>df=1/T；

>> N=length（s_2ask）；

>> f=-N/2*df：df：N/2*df-df；

>> s_2askf=fft（s_2ask）；

>> s_2askf=T/N*fftshift（s_2askf）；

>>subplot（224）

>>plot（f，10*log10（abs（s_2askf）.^2/T））；

>> axis（[-fc-4 fc+4 -50 10]）；

>>ylabel（'2ask功率譜密度（dB/Hz）'）；

上述代碼給出了2ASK的調(diào)制，顯示輸入信號和已調(diào)信號的波形，并對對二者進(jìn)行了頻域分析。圖4給出了輸入信號和已調(diào)信號的時域以及頻譜波形，可知，載波在輸入信號控制下通斷變化，更直觀的描述2ASK調(diào)制理論。

4結(jié)語

通信原理課程理論抽象，開展硬件實(shí)驗(yàn)則太過于依附硬件實(shí)驗(yàn)箱，單一的實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)也滿足不了課程理論及實(shí)踐教學(xué)的需要，因此，本文多方位引入Matlab仿真軟件到課程教學(xué)過程中，大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。Simulink 仿真可以在理論教學(xué)過程中，通過演示來加深枯燥知識點(diǎn)的靈活理解，Matlab編程則可以作為理論教學(xué)之余的實(shí)踐任務(wù)，一方面鍛煉學(xué)生的編程能力，另一方面通過實(shí)踐任務(wù)的實(shí)施可以提高學(xué)生分析和解決問題的能力。如果不打算增加硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備的更新和增投，那么，將Matlab仿真軟件多方位引入到課程教學(xué)及實(shí)踐，將是一個很好的選擇。

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