基于通信原理教學仿真平臺的課程設(shè)計

1、    基于“通信原理教學仿真平臺”的課程設(shè)計    何英慶黃旭方張海龍?zhí)魄锪嵴横槍νㄐ旁碚n程面臨的困境，我們課題組開發(fā)了一套基于matlab語言的“通信原理教學輔助軟件平臺”，該平臺集成課程知識要點，提供可視化圖形圖像，教師可通過演示來幫助講解，學生也易于理解，同時還可基于軟件平臺提供的matlab開放代碼，進行課程設(shè)計，提高學生的自我學習和動手能力。文中以“dsb的調(diào)制和解調(diào)”知識點為例，基于軟件仿真平臺進行課程設(shè)計。仿真過程中，按基帶調(diào)制信號的頻譜特性來設(shè)計接收端的低通濾波器，通過分析基帶信號和已調(diào)信號在有無噪聲下的時域和頻域特性，對通信系統(tǒng)

2、的模擬調(diào)制過程有更好地理解。關(guān)鍵詞：通信原理；調(diào)制解調(diào)；dsb；低通濾波器：g642.0 文獻標志碼：a ：1674-9324（2015）26-0130-03一、“通信原理教學輔助軟件平臺”介紹通信原理課程理論·性強，數(shù)學公式推導多，比較抽象，側(cè)重于對實際通信系統(tǒng)數(shù)學模型的研究，而有關(guān)通信系統(tǒng)實現(xiàn)的內(nèi)容，一般只給出系統(tǒng)實現(xiàn)的思路或框圖，很少介紹具體實現(xiàn)，與實際的系統(tǒng)實現(xiàn)距離大，從而增加了學生的學習難度。大部分學生在學完本課程之后，并不能對通信原理講授內(nèi)容做到深刻的理解，基本上是知其然，但是不知其所以然。這使得學生在將理論知識應用于實踐時產(chǎn)生較大困難，如在畢業(yè)設(shè)計和創(chuàng)新型實踐中，學生經(jīng)

3、常不知如何下手，一片茫然。雖然有相關(guān)的輔導資料可以查閱，但本科生的學習任務(wù)繁重，自學能力還較差，不能單靠學生努力來改變現(xiàn)狀。目前通信原理課程有配套的實驗教學內(nèi)容，但是大部分實驗內(nèi)容還都是在實驗箱上進行的。一方面，實驗室由于規(guī)模的限制，實驗設(shè)備的臺數(shù)不多，而招生規(guī)模卻在不斷擴大，學生的實驗課時相對有限，所以大部分學生不能得到充分的實踐練習和鍛煉；另一方面，實驗箱平臺所支持的實驗內(nèi)容大都是演示性質(zhì)的，并且實驗項目基本固定，學生只能得到對實際通信設(shè)備結(jié)構(gòu)、原理的淺顯認識，而對通信系統(tǒng)背后的真正工作原理，以及各設(shè)備之間的相互關(guān)聯(lián)是片面和模糊的。針對通信原理課程面臨的困境，我們課題組開發(fā)了一套基于mat

4、lab語言的“通信原理教學仿真平臺”，同時編寫了“通信原理及仿真實現(xiàn)”教材。圖1是軟件平臺的主界面，圖2是該平臺集成的課程知識點，圖3是第五章內(nèi)容的主界面，本文的“dsb調(diào)制和解調(diào)過程分析”就是基于這部分提供的開放代碼進行的課程設(shè)計。二、dsb調(diào)制解調(diào)仿真的基本原理1.課程設(shè)計要求。設(shè)消息信號m（t）為：m（t）=sinc（100t），|t|t 0 else其中t=0.1s。用這個消息來調(diào)制載波c（t）=cos（2fct），f=250，要求完成以下任務(wù)：（1）寫出dsb-sc已調(diào)信號的表達式。（2）畫出消息信號和已調(diào)信號的時域波形圖、頻譜圖。（3）將已調(diào)信號進行相干解調(diào)，畫出恢復后消息信號的時

5、域波形、頻譜。（4）假設(shè)已調(diào)信號疊加的噪聲信號，snr為10db，進行相干解調(diào)后，畫出恢復后消息信號的時域波形、頻譜，并將（3）和（4）進行比較。2.dsb調(diào)制解調(diào)原理。抑制載波的雙邊帶調(diào)制（dsb-sc），簡稱dsb，也稱線性調(diào)制是用原始信號去控制高頻載波的振幅，使其隨調(diào)制信號的規(guī)律變化的過程。它是在am信號中將載波抑制，去掉直流分量，從而輸出抑制載波的雙邊帶信號1。其時域表達式為：s（t）=m（t）*cos（2fct），m（t）是原始信號，f是載波信號的頻率，與cos（2fct）相乘得到已調(diào)信號。在頻域上，通過調(diào)制相當于把基帶信號的頻譜搬移到載波中心頻率的附近，已調(diào)信號的頻譜可表示為sds

6、b（）=（1/2）·m（+）+m（-）。該已調(diào)信號經(jīng)過信道的傳輸，疊加噪聲，到達接收端經(jīng)過相干解調(diào)恢復出基帶信號，相干解調(diào)由乘法器和低通濾波器組成。在設(shè)計中，假設(shè)生成的本地載波與接收信號的載波同頻同相，低通濾波器濾的設(shè)計是課程設(shè)計的難點。3.數(shù)字低通濾波器的設(shè)計。利用matlab進行低通濾波器的設(shè)計，其關(guān)鍵是確定基帶信號的通帶和阻帶截止頻率。在matlab中設(shè)計濾波器的方式有多種34，本文選擇巴特沃茲低通濾波器。主要用到以下幾個matlab內(nèi)部的函數(shù)：n，wc=buttord（wp，ws，rp，as）：其中wp，ws分別為通帶和阻帶的截止頻率，取值范圍為01，在調(diào)用時對二分之一采樣頻

7、率進行歸一化；rp為通帶的紋波系數(shù)，表示通帶范圍內(nèi)信號的波動幅度，as為阻帶的衰減系數(shù)，表示阻帶的衰減幅度；n為低通濾波器的階數(shù)，wc為低通濾波器的3db截止頻率。b，a=butter（n，wc）：該函數(shù)的作用是計算濾波器系統(tǒng)函數(shù)分子分母多項式b和a。得到a和b的值后可以用freqz函數(shù)畫出低通濾波器的頻率響應曲線，利用y=filter（b，a，y）可以得到通過濾波器之后的信號y，其中y是濾波前的信號。三、仿真結(jié)果及部分代碼分析按照課程設(shè)計要求，生成消息信號，其matlab仿真代碼如下：t=0.2；ts=0.001；n=t/ts；t=-n/2：n/2-1*ts；x=sinc（100/pi*t）

8、；調(diào)制過程：fc=250；y=x.*cos（2*pi*fc*t）；基帶信號頻譜：fs=1/ts；df=fs/n；f=-n/2：n/2-1*df；x=fftshift（fft（x）/n；已調(diào)信號頻譜：y=fftshift（fft（y）/n；仿真結(jié)果如圖4所示。相干解調(diào)：yr=y.*cos（2*pi*fc*t）。巴特沃斯濾波器設(shè)計：從圖4可見，基帶信號帶寬約為23hz，因此設(shè)計低通濾波器時，通帶邊緣頻率取為30hz，又知采樣頻率為1000hz，則得到wp=30/500；阻帶邊緣頻率取為50hz，則ws=50/500；rp=1；as=25；n_，wc=buttord（wp，ws，rp，as）；b，a

9、=butter（n_，wc）；hy=filter（b，a，yr）；h_y，w=freqz（b，a，512）。仿真結(jié)果如圖5所示，設(shè)計的低通濾波器有較好頻率響應，實現(xiàn)了dsb的相干解調(diào)過程。圖6是通過信道傳輸疊加了噪聲之后的解調(diào)過程，可見當信噪比為10db時，恢復的信號已經(jīng)出現(xiàn)失真。四、結(jié)束語在通信原理教學過程中，利用matlab仿真軟件將抽象的知識點以圖形圖像方式展示，不僅有利于教師授課，更有利于幫助學生自我學習和動手實踐，能夠有效避免理論教學與實踐教學產(chǎn)生脫節(jié)，能幫助學生更好地理解和掌握理論知識，激起學生的學習興趣。本文基于“通信原理教學輔助軟件平臺”，主要利用了軟件中“dsb模擬調(diào)制和解調(diào)

10、”模塊的開放代碼，在matlab環(huán)境下模擬了雙邊帶幅度調(diào)制和解調(diào)的基本過程，并重點設(shè)計了低通濾波器，達到了課程設(shè)計的要求，雙邊帶幅度調(diào)制與解調(diào)（dsb）理解更加深刻。通過實踐表明，該“通信原理教學輔助軟件平臺”為通信原理的理論學習提供了一個良好的平臺。參考文獻：1樊昌信，曹麗娜，等.通信原理m.第六版.北京：國防工業(yè)出版社，2010.2彭紅平，楊福寶.基于matlab的fir數(shù)字濾波器設(shè)計j.武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2005，27（5）：275-278.3何麗娜，葉聽，汪偉.數(shù)字濾波器（fir）設(shè)計算法研究j.電聲技術(shù)，2014，38（2）：67-70.4朱靜，徐軍.用matlab對雙邊帶抑制載波調(diào)制解調(diào)器的仿真分析