MATLAB仿真在通信原理课程教学中的应用

陈书文 王玉玺 周近 江苏第二师范学院数学与信息技术学院

在通信工程、电子信息工程等工科专业中，通信原理是非常重要的专业基础课，也通常设置为研究生招生考试的专业课，其内容主要分为模拟通信和数字通信两大部分。在长期的教学实践中，本科生普遍反映学习该课程的困难是：对数学基础要求较高，内容缺乏直观表现，公式推导复杂且难以理解等。这些问题严重影响了该课程的教学效果，即便在多媒体教学普及后，教师也只是把课本内容硬搬到屏幕上，并没有在本质上解决学习内容抽象、理解困难等问题。所以，为了让学生扎实地掌握通信的基础理论与系统设计方法，有必要提高该课程的实验教学效果。

1 MATLAB虚拟实验环境

MATLAB是美国的数学与系统仿真软件，它具有数值分析、矩阵运算、数字信号处理、系统控制与优化等基本功能。基于MATLAB的通信虚拟实验平台具有三大优势：

（1）学生能够自主编程，通过通信仿真实验加深对课堂所学的理论的理解；

（2）实验硬件只需要普通机房的PC机，学生也可在自己的电脑上安装MATLAB软件，实验场地选择自由，实验教学成本相对较低；

（3）培养学生的自主学习和理论研究的能力，在完成大纲规定的基础上，学生可以做感兴趣的拓展研究。

虚拟仿真平台可以弥补实验学时和器件偏少的不足，有利于提高课程教学质量。本文选取模拟通信和数字通信各一例来说明MATLAB仿真的具体应用。

2 MATLAB通信仿真实例

2.1 双边带幅度调制（DSB）

（1）DSB调制的数学原理

再用低通滤波器（LPF）滤去高频分量，就恢复出了原始信号。

（2）DSB调制的MATLAB仿真

图1 DSB调信号的波形

图2 输出的解调信号与输入信号波形对比

图3 DSB调制信号的功率谱

图1仿真结果显示，DSB信号的包络不再与基带信号 的变化一致，因而不能采用包络检波的解调方式，需采用相干解调；图2显示了相干解调的效果，即滤除高频分量后，解调结果与原始信号曲线吻合；图3表示了DSB信号的频谱由上、下两个边带组成，且并无载频分量。所以相比AM，DSB的调制效率提高到了100%，即发送功率全部用于信息的传输。从图3也能看出，DSB调制占用的频带宽度与AM一样，是原始信号的两倍，成为DSB调制方式最大的缺点。如果学生有兴趣观察(3)式的中间结果 ，可以修改程序增加对 的输出，如图4所示。

图4 相干解调的中间结果r(t)

2.2 二进制振幅键控（2ASK）

（1）2ASK调制的数学原理

2ASK可看作由二进制数字基带信号经过DSB调制的结果，也称为通断键控（OOK）。其表达式仍可使用(1)式，只是 变成了数字基带信号

（2）2ASK调制的MATLAB仿真

图5 NRZ基带信号的波形（前20个码元）

图6 NRZ基带信号的功率谱

仿真结果图5显示，NRZ单极性基带信号的幅度取值为0V或1V，功率密度由交变波的连续谱与直流分量叠加组成，参见图6。注意，图6上的零频点出现的一个冲击即代表了基带信号功率谱中的直流分量。

图7 2

图8 2ASK调制信号的功率谱

仿真结果图7表示，NRZ数字信号经调制后得到的2ASK信号。与图5对比，只有出现码元为“1”的时候，才能看见高频载波。而2ASK信号本质是数字基带信号的DSB调制，所以其功率谱是把原基带数字信号的功率谱左右搬移到中心频率为 与 处，参见图8。

DSB和2ASK两种调制方式具有一定的相似性，不同处仅在于基带信号。选取这两例，旨在说明本课程的模拟调制与数字调制部分的前后联系非常紧密。

3 结论

综上所述，MATLAB仿真可以为通信原理课程的教学与实验提供有力的支持，有效地解决了该课程教学内容抽象、结论公式不易理解等问题。学生在掌握了MATLAB的基本语言后，可以自行决定实验内容，设计实验方案进行实验，加深对知识的理解与把握，提高自主学习与创新能力。