Simulink在数字通信调制系统教学中的应用

朱家龙　陆超　陆晓东

摘  要：振幅调制、频率调制和相位调制是数字通信调制系统的核心，也是学生容易混淆的难点。针对这个教学问题，提出运用MATLAB中的一种可视化仿真工具Simulink进行辅助教学，并构建三种Simulink仿真模型。通过对比三种仿真结果，提高学生对三种数字通信调制系统的认知和区分。实践结果表明，Simulink的应用有助于改善教学质量。

关键词：数字通信；Simulink；调制技术；改善教学

中图分类号：TP39；G434 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）13-0177-05

Application of Simulink in Digital Communication Modulation System Teaching

ZHU Jialong， LU Chao， LU Xiaodong

（School of Information Engineering， Suqian University， Suqian  223800， China）

Abstract： Amplitude modulation， frequency modulation and phase modulation are the core of digital communication modulation system， and they are also a difficult point for students to easily confuse. In response to this teaching problem， a visual simulation tool Simulink in MATLAB is proposed to assist in teaching and construct three Simulink simulation models. By comparing the results of three kinds of simulation， students can improve their cognition and discrimination of three kinds of digital communication modulation systems. Practice result shows that the application of Simulink is helpful to improve the quality of teaching.

Keywords： digital communication; Simulink; modulation technique; improving teaching

0  引  言

数字通信系统领域正在不断发展，新技术和方法正在開发，以提高这些系统的性能[1]。为了跟上这些变化，学生对数字通信系统中使用的基本原理和技术有一个透彻的理解是至关重要的。数字通信系统最重要的方面之一是调制，它是将信息编码到载波信号上进行传输的过程[2]。

Simulink是Math Works开发的基于方框图的仿真和基于模型的设计工具，它作为仿真工具为数字通信调制系统的教学提供了一个强大而灵活的平台。这些工具允许学生在虚拟环境中快速、轻松地设计、模拟和分析通信系统，而不需要昂贵的硬件[3-6]。这使学生可以获得各种调制方案的实践经验，并观察它们在不同通道条件下的性能。本文通过讨论Simulink在振幅调制（Amplitude Modulation， AM）、频率调制（Frequency Modulation， FM）和相位调制（PhaseModulation， PM）的应用，证明Simulink在数字通信系统教学应用的有效性。

1  基于Simulink的数字通信教学应用

1.1  Simulink教学使用过程分析

Simulink是集成在Matlab软件下的基于方框图的仿真工具，由于大部分的学生的计算机中均安装了Matlab，无需安装额外的软件。启动Matlab后，点击图1中的方框标注的图标“Simulink”即可进入。点击图1中的方框标注的图标“Blank Model”即可创建数字通信仿真模型。

启动后的Simulink界面如图2所示，称其为M-file编辑器，Simulink是基于方框图的仿真，所有实现的功能都是模块，例如：示波器在Simulink中如图2中的Scope图标。调用示波器的过程有两种方式：第一种方式：首先点击“Library Browser”模块库，然后在搜索框内输入需要调用的模块，最后将搜索到的模块拖入到M-file编辑器中，完成一次模块的调用。第二种方式：首先点击“Library Browser”模块库，在左下色框内已经按照研究方向分类，打开对应的研究类别，例如：Simulink内是常用的模块；Communication Tools内是通信相关的模块。最后，同样拖入到M-file编辑器中，完成一次模块的调用。

模块之间的连接是将鼠标指针移到模块连接点附近，在每个模块的输出和输入端口，鼠标指针会变成“+”，按鼠标左键，拖动鼠标到另一连接点，松开左键即可完成模块的连接。在每个模块的输出和输入端口对连接线双击鼠标。按住Shift键，再用鼠标在要求弯折的地方单击一下就会出现圆圈，表示折点，可用来进行连线的弯折。此外，按住Ctrl键，在要求建立分支的地方用鼠标单击一下拉出即可。

值得注意的是，每个模块拖入到M-file编辑器时是默认参数，教学过程中，要根据实验要求更改每个模块的参数。例如：双击M-file编辑器中的Sine Wave，打开界面如图3所示，可以正弦波的幅度（Amplitude）、频率（Frequency）、初始相位（Phase offset）、采样时间（Sample time）和采样率（Sample per time）等基础参数。仿真运行时，点击图2中，仿真运行区域内的“Run”即可完成运行，通过调整Stop time内的数值，可以调整运行时间。运行完成后，双击M-file编辑器中的示波器（Scope），可以显示仿真结果。

1.2  数字调制技术的Simulink仿真模型构建

下面结合数字调制技术来介绍Simulink在教学中的应用。具体的基于Simulink的三种调制技术仿真模型如图4所示，图中是振幅调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）的Simulink模块化构建。第一步，使用Bernoulli Binary Generator模块用于产生输入信号，它的主要功能是根据设置的频率产生随机二进制序列，本文设置它的频率为4 Hz。第二步，构建振幅调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）三个数字通信模块。第三步，为了便于对比，将三种调制技术的调制结果显示在同一个示波器（Scope）中。

1.2.1  AM模块构建过程

使用Sine Wave作为载波信号，其频率为4 Hz。载波与二进制“1”相乘则保留信号，与此同时，载波与二进制“0”相乘则幅度发生明显变化，其中，Product模块表示相乘功能。AM调制是一种数字通信的基础调制技术，它通过改变信号的振幅（即大小）来表示数字信息。具体来说，AM调制通过将一个数字信号调制到一个持续的载波上，以达到传输数字信息的目的。在接收端，通过解调技术，可以恢复原始的数字信号。

1.2.2  FM模块构建过程

使用2个Sine Wave模块作为载波信号，其频率分别是：4 Hz和12 Hz。载波Sine Wave 1与输入信号相乘则保留二进制为“1”信号，因此频率为4 Hz的波形表示二进制“1”。与此同时，将输入的二进制信号取反，使得原先二进制为“0”的信号转化为二进制“1”，将取反的输入信号与载波Sine Wave 2相乘，因此频率为12 Hz的波形表示二进制“0”。最终，将两个波形通过Sum模块叠加成一个波形。调制通过改变载波频率来携带信息。在FM调制中，调制信号（例如语音或数字信号）的变化导致载波频率的变化，从而将信息编码到载波上。由于FM调制不需要频带调整，因此可以抵抗干扰，使得通信更加可靠。此外，FM调制可以提供更高的频宽利用率和更好的音频质量，这是因为它可以涵盖更大的频带。

1.2.3  PM模块构建过程

使用DBPSK（Differential Binary Phase Shift Keying）作为例子，主要原因是相位调制中DBPSK最常用，因此使用DBPSK Modulator Baseband模块，其中的信号在相位上做差分编码。在DBPSK中，每一个二进制信息位都被编码为相位的变化，而不是相位的绝对值。具体地，在每个采样周期内，相位的变化量与前一个采样周期内的相位变化量成对地调整，从而产生相位的差分变化。这种方法可以确保在接收端不受噪声的影响，并且简化了信号解调过程。PM调制是一种数字通信的调制技术，其原理是通过改变载波的相位来携带信息。在PM调制中，载波相位随着输入数字信号的变化而变化，从而形成了带有数字信号信息的调制信号。解调时，通过恢复载波相位的变化，就可以得到原始的数字信号。因此，PM调制是一种有效的数字通信技术，可以抗干扰，保证信息传输的准确性。

1.3  Simulink仿真结果分析

示波器中的调制结果如图5所示。从图中可以看出，同样的输入二进制数字信号，用三种不同的调制技术会产生不同的输出结果。这样的展示结果可以让学生直观的理解三种调制技术的区别。此外，Simulink中的模块可以灵活设置参数，学生容易操作和仿真。因此，这种基于Simulink的三种调制技术仿真模型是一个非常有效的教学工具，可以帮助学生理解调制的原理，了解调制的过程。同时，该模型也可以方便地演示不同的调制参数对调制结果的影响，帮助学生了解调制的设计方法。通過该模型的仿真实验，学生可以加深对调制的理解，提高对调制的应用能力。

此外，基于Simulink的三种调制技术仿真模型还可以为学生的科研工作提供帮助。例如，学生可以使用该模型来研究不同调制技术的性能对比，以及不同调制技术在特定场景下的适用性。这些研究结果可以为学生提供有力的技术支持，帮助他们在科研工作中有更好的表现。总的来说，基于Simulink的三种调制技术仿真模型是一个非常实用的工具，既可以帮助学生学习，也可以帮助学生科研。它的模块化设计和可视化的结果展示，使得该模型易于操作和理解，对于学生来说是一个很好的学习和研究工具。

2  结果与讨论

为了评估Simulink在数字通信调制系统教学中的应用效果，本研究对一组本科生进行了研究。将学生分为两组，一组采用Simulink进行数字通信调制系统的教学，另一组采用传统的讲授和课本阅读等教学方法。这项研究持续了六周，在此期间，学生们沉浸在各种调制方案中，如振幅调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）。为了评估教学效果，在教学前和教学后对学生进行了测试。测试由多项选择题组成，以评估学生对数字通信调制系统的原理和技术的理解。此外，学生还被要求完成一项调查，以提供对教学方法和他们的整体学习体验的反馈。

研究结果表明，使用Simulink进行数字通信调制系统教学的学生在教学后的测试中得分显著高于使用传统方法进行教学的学生。Simulink组平均得分为85，传统组平均得分为72。此外，调查结果显示，与传统组相比，Simulink组的学生有更积极的学习体验。学生反映Simulink的使用使学习过程更具互动性和参与性，并使他们更好地理解数字通信调制系统的概念和原理。

从调查结果可以发现，使用Simulink进行数字通信调制系统教学能够更好地帮助学生理解和掌握课程内容，这是由于Simulink模拟实际的工程场景，使学生能够更直观地看到数字通信调制系统的原理和运作方式。此外，Simulink具有灵活的参数设置和可视化的功能，使学生能够更方便地控制仿真环境和查看仿真结果，增强了学生的参与度和互动性。

为了进一步提高学生学习效果，未来的教学中应该更广泛地采用Simulink作为教学工具，并继续评估和改进它的教学效果。例如，可以对使用Simulink进行教学的过程进行评估，以了解学生的学习体验和学习效果，以便不断改进教学方法。此外，为了更好地满足学生的学习需求，还可以通过结合其他教学工具和技术，形成更加完整和全面的教学方案。例如，可以将Simulink与课堂讲解、实验实践、网络学习等工具结合起来，以形成一种多样化和全面的教学方式。

综上所述，使用Simulink仿真技术进行数字通信调制系统教学是一种有效的教学方法，有利于学生对数字通信调制系统的理解和掌握。它通过直观展示调制结果，并灵活设置参数，使学生有更积极的学习体验。因此，运用Simulink仿真技术教授数字通信调制系统是值得推广的。

3  结  论

本研究的结果证明了Simulink在数字通信调制系统教学中的有效性。Simulink的使用允许学生获得各种调制方案的实践经验，并观察它们在不同调制技术规则下的不同输出结果，使得这些系统中使用的基本原理和技术得到更好地理解。研究还表明，使用Simulink可以显著提高学生的学习能力。因此，运用Simulink仿真技术进行数字通信调制系统教学是值得推广的。

参考文献：

[1] 朱家龙.Simulink在移动通信教学中的应用研究 [J].物联网技术，2019，9（12）：119-120.

[2] 刘学勇.详解MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真 [M].电子工业出版社，2011.

[3] 王卫杰，张雅声，姚红，等.基于Simulink的航天器姿态动力学仿真教学研究 [J].计算机仿真，2021，38（12）：176-181.

[4] 林厚健，王小增，王发良，等.MATLAB/Simulink仿真教学的应用 [J].电子技术与软件工程，2022（18）：108-111.

[5] 鐘斌，谭超，席在芳.Simulink虚拟仿真在“通信原理”课程教学中的应用 [J].南通职业大学学报，2020，34（3）：78-81.

[6] 林文发，陈德旺，林松青.基于Simulink的等效电路参数辨识研究 [J].现代信息科技，2019，3（24）：23-27.

作者简介：朱家龙（1991—），男，汉族，江苏宿迁人，讲师，博士研究生在读，研究方向：信号处理；陆超（1978—），男，汉族，江苏宿迁人，副教授，博士研究生在读，研究方向：信号处理；陆晓东（1977—），男，汉族，河北承德人，教授，博士，研究方向：信号处理。

收稿日期：2023-02-04

基金项目：教育部产学合作协同育人项目（220503879134455）；宿迁市自然科学基金项目（K202209）；2021年度江苏省高等教育学会评估委员会课题（179）；江苏省高等教育学会“十四五”高等教育科学研究规划课题项目（YB169）；宿台融合发展研究中心项目（2023st02）