MATLAB在通信原理教学中的应用*

2014-05-12何国栋谢小娟冯友宏杨凌云王再见

山西电子技术 2014年2期

何国栋，谢小娟，冯友宏，杨凌云，王再见

(安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖241000)

通信技术发展迅速，对高等学校通信专业的教学方法和培育模式提出了越来越高的要求。只有以创新的教学理念，卓越工程师的培养要求，理论结合实际的教学方法，才能培养出理论功底扎实、实践能力强的创新型综合素质人才。《通信原理》作为通信专业的核心专业课，直接影响学生的理论功底、专业素养和后续专业课程的学习，因此提高该课程的教学方法具有重要的理论意义和实际意义。

本文介绍了MATLAB编程软件，并将其应用到通信原理的教学实践中，能轻松阐述书中复杂的理论知识和工程知识;介绍了工程中常用的眼图知识，并通过MATLAB对其仿真分析，生动形象地描述了眼图的原理，理论与实践相结合，获得了较好的教学效果［1］。

1 MATLAB 介绍［2］

MATLAB是由美国The Mathworks公司推出的一款优秀的数学软件，其名字是Matrix Laboratory(矩阵实验室)这两个单词各取前3个字母的组合。MATLAB软件界面友好，编程语言简洁易懂。最初MATLAB是数学上用来对矩阵进行运算的工具，现在已经发展成最重要的科研工具之一，被广泛应用于数学建模、控制系统设计与分析、信号处理、图像处理、金融分析等领域。它还有一个配套的Simulink可视化图形开发平台，常用来进行系统建模仿真、系统开发等。

2 眼图

在实际的数字基带传输系统中，由于受到码间串扰和噪声的影响，无法实现理想的传输特性，从而导致系统性能的降低。在实际工程中，由于具体的理论数值分析较复杂，为快速简便评价系统的性能，在接收端通常使用眼图来定性的对系统进行评价。

所谓眼图，是指通过用示波器观察接收端的基带信号波形，从而估计和调整系统性能的一种方法［3］。将接收的信号接在示波器上，示波器的扫描周期设置为码元的周期，由于示波器的显示器的余辉作用，扫描所得到的每个周期的波形叠加到一起，形成了一种特殊的波形，当数字信号为二进制时，示波器观测的波形很像一个眼睛，故取名为“眼图”。

图1 眼图模型分析

图1所示是眼图的分析模型图，从图中可以获得以下信息:

1)最佳抽样时刻:图中眼睛张开最大的时刻;

2)定时误差灵敏度:眼图斜边的斜率，斜率越大，对定时越敏感;

3)抽样失真:阴影区的垂直高度表示信号受噪声的干扰程度，也即噪声的变换范围;

4)判决门限电平:提供了最优的判决门限电平值;

5)噪声容限:数字系统抗噪声的最大幅度，若噪声超过这个容限，系统误判概率较大;

6)过零点失真:系统零点值的变化范围，此值越大，不利于系统定时信息的提取。

3 仿真分析

眼图是工程应用中一种重要的系统性能分析方法，但教学中理论讲授不利于学生掌握眼图的分析方法，为了提高教学效果，便于学生掌握，可以应用相关仿真软件对其进行仿真分析，直观描述眼图原理。常用的仿真工具有:MATLAB、Systemview、Multisim等，但后几种软件噪声的产生较复杂，而MATLAB提供了丰富的噪声函数供通信仿真使用，只需一句函数命令即可实现噪声。下面应用MATLAB编程实现眼图的仿真分析。

MATLAB眼图仿真分析主要过程如下:

1)随机生成离散数字信号;

2)为了提高抗码间串扰，应用升余弦脉冲成形将数字信号转换为模拟信号，升余弦脉冲公式为:

3)设置接收信号示波器扫描时间，即MATLAB图像显示窗口，显示无码间串扰信号眼图;

4)加入适量的加性高斯白噪声，并设置接收信号示波器扫描时间，显示含噪信号眼图。

程序运行结果如图2～5所示。为更好地模拟实际的系统，仿真采用随机函数生成随机信号，图2为产生的随机信号。为便于教学理解，给出了升余弦脉冲信号波形，如图3所示。图4为无噪声理想信号眼图，从图中可以看到一个张开很大的“眼睛”，由于没有噪声和码间串扰，眼图非常干净，系统性能好。图5为含噪声信号眼图，从图中可以看到图1眼图模型的效果，可以对照分析系统的性能，例如+1和－1表示二进制等概率数字信号，最优的判决门限电平为0 V。