基于Matlab的模拟通信系统实验设计与仿真

陈小敏，朱秋明，徐大专，党小宇

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，南京 210016)

·实 验 技 术·

基于Matlab的模拟通信系统实验设计与仿真

陈小敏，朱秋明，徐大专，党小宇

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，南京 210016)

针对通信原理课程理论性强、概念抽象的特点，将Matlab的图形绘制和系统仿真等功能应用于通信系统的实验仿真中，设计了基于Matlab的模拟信号传输软件实验，根据模拟通信系统调制解调的原理与方法，以实例验证模拟信号传输过程。学生自己创建基于Matlab的模拟信号传输系统，实时显示各点的时域波形和频谱特性，将课内基础知识与软件系统调试有效地结合，加深了学生对信号传输原理的理解与认识，促进了学生动手能力与创新精神的培养。

模拟信号；调制解调；Matlab软件；实验教学

通信原理是电子信息类专业的重要专业基础课程之一。实践教学环节是提高通信原理课程的教学质量，培养学生的基本技能和综合运用所学知识分析、解决问题的能力的一种教学手段和途径，对提高学生的专业素质，培养适应现代科学技术发展要求的高质量专业人才起着不可替代的作用。因此，必须加强实验教学，通过改革，改善教学效果。

通信原理课程讲述模拟和数字信息传输系统的基本理论，包括通信的基本原理、技术、性能和分析方法[1]。通过该课程的学习，学生能够掌握现代信息传输的有关技术。它的特点是内容丰富、概念抽象、原理复杂、理论性强，其中，许多概念都是学生首次接触，不易理解。本课程学习的好坏直接影响到后续许多专业课程的学习。如何让学生在学习该课程过程中既能触摸到通信领域最新发展的脉搏，又能饶有兴趣地学习相对乏味的基础理论，是该课程教学成败的关键。软件仿真实验内容灵活、设计性强，既与基本理论相互补充，又能与硬件实验相互弥补[2-5]。

学生结合Matlab仿真平台对模拟信号的传输过程进行仿真，可以对理论分析结果进行仿真验证。这种理论与软件系统调试结合的教学模式不仅可以提高学生对理论知识的学习兴趣，加深对调制解调基本原理和方法的理解，更有益于增强学生的实际动手操作能力，培养学生的实验技能与素质，从而全面提高学生独立自主地分析问题、解决问题的能力[6-9]。

1 模拟信号传输系统模型

模拟通信系统模型如图1所示。在发送端，基带信号经过调制后，变换成频带适合信道传输的信号，并且相应地在接收端进行反调制，即解调。

图1 模拟通信系统模型

利用Matlab作为软件开发工具，可以完成如图1所示模拟系统的代码编写与仿真调试，实时显示各点的时域波形和频谱结构，将仿真结果和理论结果相比较，加深对信号传输原理的理解。实验中关于滤波器的选取，考虑到FIR滤波器具有严格的线性相位特性，又因为窗函数法比较简单且有现成的窗函数公式可用，在技术指标要求不高的场合使用比较灵活，故本次实验中采用Kaiser窗设计FIR滤波器实现滤波。

基于Mtlab的模拟传输实验步骤归纳如下：

1)根据实验内容和要求，综合运用课堂理论知识，完成模拟信号幅度调制调解与角度调制解调的系统模块设计，增强学生对理论知识的综合运用能力。

2)根据设计方案进行软件仿真，通过观察仿真图，掌握常见模拟幅度与角度调制信号的波形与频谱特点，让学生更直观地感受常见模拟波形的特点，培养学生软件调试能力。

2 模拟信号传输实验设计

根据模拟通信系统模型，基于Matlab完成模拟幅度调制和模拟角度调制实验。在实验过程中，鼓励学生采用多种不同的设计思想来解决问题，保证学生独立自主完成实验方案的设计以及软件仿真调试的过程。使学生能够通过本次实验，加深对模拟通信的认识，使自己的创新思维得到培养，动手能力得到提高。

2.1 模拟幅度调制实验方案设计

通过课堂学习，学生已经掌握模拟幅度调制的基本原理和方法。设正弦载波为

s(t)=Acos(ωct+φ0)

式中：A为载波幅度；ωc为载波角频率；φ0为载波初始相位，一般可记为0。幅度调制信号可表示为

sm(t)=Am(t)cos(ωct+φ0)

(1)

为了无失真地恢复基带信号，接收端需提供与发送端载波严格同步(同频同相)的本地载波(称为相干载波)，它与接收信号相乘并经过低通滤波后可得到解调信号，如图2所示。

图2 相干解调器的一般模型

已调信号乘以相干载波后经低通滤波、隔直流便可得到输出信号，由此完成了解调过程。

2.2 模拟角度调制实验方案设计

角度调制也称非线性调制，通常是通过改变载波的频率或相位来达到的，而频率或相位的变化都可以看成是载波角度的变化。角度调制信号的一般表示为

(2)

角度调制分宽带与窄带两种，由调频或调相所引起的最大瞬时相位偏移远小于30°时，称为窄带调频(NBFM)或窄带调相(NBPM)，否则，称为宽带调频(WBFM)或宽带调相(WBPM)。

2.3 滤波器设计

用Kaiser窗设计FIR滤波器时要进行参数估计。Kaiserord函数用于返回滤波器的阶数n和beta参数，去指定一个函数fir1需要的Kaiser窗。

主要用到的函数有：

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

该函数计算出滤波器的大约阶数n，频带的边缘归一化频率Wn，以及参数beta和ftype。其中，参数fcuts是频带边缘频率向量，mags是各频带的理想幅值向量；devs是通带与阻带纹波向量，用于限制通带与阻带的波动幅度；fsamp为采样频率。

下面给出带通滤波器对应的fcuts和mags值所要遵循的规则：

带通滤波器的fcuts为四元矢量，分别对应两个通带截止频率和两个阻带起始频率，如，

fcuts=[16 000 17 500 22 500 24 000]，表示17 500～22 500 Hz为通带，阻带为小于16 000 Hz及大于24 000 Hz区域；mags为三元矢量，可设置为mags=[0 1 0]。

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

其中，kaiser(n+1,beta)函数表示返回一个n点的kaiser窗，参数beta是凯撒窗的β参数，在kaiserord()函数中获得，它影响着窗函数傅里叶变化中旁瓣的衰减。函数fir1()返回一个包含有n阶FIR滤波器的系数向量，其归一化截止频率为Wn’。noscale’表示不对滤波器归一化。

2.4 Matlab仿真演示

完成代码编写后需要进行仿真调试，基带信号为2 kHz余弦波，载波频率为20 kHz，采样率为1 MHz，考虑信道噪声(加性高斯白噪声)。模拟幅度调制的几种常见方式中，给出AM调制的仿真图，模拟角度调制则给出FM调制的仿真图，分别如图3～图5所示。

图3 AM信号及其频谱

图4 乘法器输出后的AM信号及其频谱

图5 相干解调后的AM信号及其频谱

3 结束语

通过在模拟信号传输实验中采用基础理论与软件仿真相结合的教学方法，调动了学生的积极性与主动性，有利于学生更系统、更全面地掌握整个模拟通信系统的概念，同时，软件仿真的实验平台让学生认识到了利用计算机辅助设计来验证理论结果的重要性，在完善知识体系的同时也锻炼了自身的动手操作能力与独立思考能力。

[1]樊昌信, 曹丽娜. 通信原理[M]. 北京： 国防工业出版社，2007.

[2]徐彦凯， 双凯， 姜珊.通信原理实验教学的探索[J].实验室研究与探索,2011, 30(6):316-318.

[3]黄熙岱.通信原理实验教学改革的研究[J].中国教育技术装备,2011,24(8): 136-137.

[4]田克纯, 覃远年. 通信原理实验的教学内容和方法的改革与实践[J]. 实验技术与管理, 2005, 22 (8) : 99- 102.

[5]周红欧. 通信原理实验的教改[J]. 西南民族大学学报：自然科学版 , 2004, 30 (3) : 398- 400.

[6]宋铁成. 通信原理课程的系统及实验建设[J]. 电气电子教学学报, 2004, 26 (4) : 66-68.

[7]程玲, 徐冬冬. Matlab仿真在通信原理教学中的应用[J]. 实验室研究与探索, 2010, 29(2)：117-119.

[8]孙爱晶, 刘毓.基于软件仿真的通信原理实验教学[J]. 实验室研究与探索, 2010, 29(1)：135-137.

[9]谢文苗．通信原理实验的计算机仿真[J]．实验技术与管理，2001，18(1): 83-85．

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

南京航空航天大学课程专项建设基金资助项目(1301JG0402K，1302JG0402K)；南京航空航天大学实验技术研究与开发基金重点资助项目。

陈小敏(1975-)，女，博士，副教授，研究方向：无线通信、空时编码的信号检测和链路自适应技术。

G642.423

B

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.001