malab軟件在現(xiàn)代通信原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

malab軟件在現(xiàn)代通信原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

現(xiàn)代通信原理是通信和計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的一門重要課程。它結(jié)合了電路、數(shù)字路、信號(hào)和系統(tǒng)、高頻電路、高等數(shù)學(xué)、概率分布等基礎(chǔ)課程，以及高等數(shù)學(xué)、概率分布等數(shù)學(xué)課程。這是一門困難和深度的綜合課程，在通信和電子通信專業(yè)中發(fā)揮著非常重要的作用。這門課程的理論性較強(qiáng),實(shí)踐操作要求較高,可以說它是一門既有理論知識(shí)又有實(shí)踐技能的綜合性課程。目前,多數(shù)高校的電信類專業(yè)都將“現(xiàn)代通信原理”作為碩士研究生入學(xué)考試、復(fù)試考試的科目,該課程的重要性不言而喻。因此,在該課程的教學(xué)過程中除了課堂上的理論講授、多媒體課件的演示外,實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及利用Matlab軟件完成仿真實(shí)驗(yàn)也是十分重要的。教學(xué)方式的多樣性會(huì)激發(fā)學(xué)生對(duì)通信學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣,使他們有足夠的自信和能力來適應(yīng)這一飛速發(fā)展的領(lǐng)域。仿真分析實(shí)驗(yàn)輔助手段使學(xué)生能夠更快速、準(zhǔn)確地完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,提高了學(xué)習(xí)效率;仿真實(shí)驗(yàn)取代物理實(shí)驗(yàn)可以克服現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的局限,充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力,有利于提高學(xué)生對(duì)實(shí)際問題的認(rèn)識(shí)深度和水平［１－２］。1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方面,matlab堅(jiān)持了“學(xué)生基礎(chǔ)上的發(fā)展”在現(xiàn)代通信原理課程的教學(xué)中,將Matlab［３－４］仿真軟件引入課堂,教師可以利用該軟件進(jìn)行輔助教學(xué),使課堂講授與仿真軟件相結(jié)合,達(dá)到更好的教學(xué)效果。對(duì)于一些較難講解的內(nèi)容、一些抽象的概念、難以觀察的某些現(xiàn)象及發(fā)展過程,利用Matlab的計(jì)算功能和圖形處理功能,可使其準(zhǔn)確、形象、直觀地表現(xiàn)出來,從而加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解,起到了事半功倍的教學(xué)效果［５－７］。通過該仿真軟件還可以使學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成仿真實(shí)驗(yàn),使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。我們相繼用Matlab軟件設(shè)計(jì)出了十幾個(gè)仿真實(shí)驗(yàn),由于該實(shí)驗(yàn)不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備、條件、時(shí)間和學(xué)時(shí)等限制,學(xué)生可以利用課余時(shí)間自主完成。同時(shí),學(xué)生還可以進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)方案的比較和優(yōu)化,極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性,提高了學(xué)生對(duì)通信原理知識(shí)的掌握和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建中,采用了Matlab的GUI(圖形用戶界面設(shè)計(jì)技術(shù))設(shè)計(jì)技術(shù)。Matlab中的圖形用戶界面對(duì)象基本分成2類:用戶界面控件對(duì)象和用戶界面選單(菜單)對(duì)象。應(yīng)用上述對(duì)象進(jìn)行周密的組織設(shè)計(jì),就可以得到一個(gè)界面友好、人機(jī)交互方便、操作簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大的圖形用戶界面。用戶用鼠標(biāo)在控件對(duì)象上進(jìn)行操作,使應(yīng)用程序做出響應(yīng),并執(zhí)行某些預(yù)定的功能子程序。在控件對(duì)象屬性中,功能子程序?qū)傩允菆D形用戶界面設(shè)計(jì)中最重要的屬性,它是連接程序界面整個(gè)程序系統(tǒng)的功能［８－１３］。2b軟件應(yīng)用于教育中2.1模擬仿真實(shí)驗(yàn)以正弦波為載波的模擬調(diào)制系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的調(diào)制方式,其中包括AM調(diào)制、DSB調(diào)制、VSB調(diào)制、SSB調(diào)制等。這些內(nèi)容都是現(xiàn)代通信原理課程中重要的內(nèi)容,但是由于該部分內(nèi)容比較抽象,理解具有一定的難度,對(duì)于學(xué)生來說不易掌握,如果全部采用物理實(shí)驗(yàn)來提高教學(xué)內(nèi)容的直觀性,由于時(shí)間和實(shí)驗(yàn)資源的有限不太現(xiàn)實(shí)。因此,在教學(xué)過程中,考慮采用Mat-lab軟件的仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)此部分教學(xué)內(nèi)容的過程模擬,容易實(shí)現(xiàn)且實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀、可靠。例如,SSB模擬調(diào)制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì):假設(shè)要傳送的信號(hào)波形f(t)為sinewave,幅度為1V,角頻率為10rad/s;載波cos(ω０t+θ０)為sinewave1,幅度為1V,角頻率為100rad/s,只要在Simulink環(huán)境中進(jìn)行可視化設(shè)計(jì),建立單邊帶幅度調(diào)制解調(diào)系統(tǒng),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)它的動(dòng)態(tài)仿真。本例采用上邊帶單邊帶信號(hào),仿真原理框圖如圖1所示,具體由信號(hào)源模塊、調(diào)制和解調(diào)模塊、模擬示波器、濾波器等構(gòu)成。經(jīng)Matlab程序運(yùn)行后得到SSB信號(hào)仿真結(jié)果,如圖2所示。其中圖2(b)由接收端的輸入濾波器的輸出得到。從波形圖可以看出,由于系統(tǒng)模型經(jīng)歷多個(gè)模塊,會(huì)造成一定的時(shí)延和信號(hào)衰減,因此解調(diào)后的信號(hào)波形不僅有相位的延遲,而且在幅度上也低于信源波形。該仿真結(jié)果符合實(shí)際系統(tǒng)的特征和現(xiàn)象,很方便地提供了SSB模擬調(diào)制系統(tǒng)的工作原理和工作現(xiàn)象,有利于學(xué)生理解和掌握。2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析基于Simulink構(gòu)建了PCM編碼與解碼仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。假定傳輸?shù)氖钦Z音信號(hào),采用Chrip函數(shù)所表示的線性調(diào)頻信號(hào)來替代語音信號(hào),用矩形脈沖序列替代實(shí)際中不可實(shí)現(xiàn)的單位沖激函數(shù),由PulseGenerator模塊產(chǎn)生。A率壓縮由Alawcompressor模塊實(shí)現(xiàn),用十三折曲線近似地表示A律曲線,以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的非均勻量化過程。系統(tǒng)中的幾處關(guān)鍵信號(hào)由濾波器模塊顯示對(duì)比。本實(shí)驗(yàn)的仿真原理如圖3所示。經(jīng)Matlab程序運(yùn)行后得到PCM編碼與解碼仿真結(jié)果如圖4所示。圖4中的5個(gè)波形由上到下分別表示抽樣輸出、量化輸出、編碼輸出、解碼輸出以及原輸入信號(hào)。從圖4中可以看出:如果解碼器的輸出信號(hào)再經(jīng)過一級(jí)低通濾波器即可恢復(fù)原始的模擬信號(hào),與原輸入信號(hào)基本一致。但是仍然可以看出波形中會(huì)存在一定的誤差,誤差產(chǎn)生原因與實(shí)際取樣脈沖的非理想化、插入噪聲、定時(shí)抖動(dòng)失真等有關(guān),這些問題客觀存在,但是從仿真實(shí)驗(yàn)中仍然可以看出PCM編碼解碼技術(shù)對(duì)于模擬信號(hào)的傳輸是有效的。PCM編碼解碼的過程比較復(fù)雜,在課堂教學(xué)中引入Matlab的仿真過程,可以清楚地展示每一個(gè)模塊的功能及信號(hào)變化,有利于學(xué)生迅速理解相關(guān)的知識(shí)。2.32psk信號(hào)調(diào)制與解調(diào)的模擬數(shù)字載波傳輸系統(tǒng)在實(shí)際中具有廣泛的應(yīng)用,常用的數(shù)字調(diào)制方式包括2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK等很多種。該部分內(nèi)容在現(xiàn)代通信原理課程中占有重要的地位,但是由于涉及的內(nèi)容較多且難以理解,學(xué)生普遍在學(xué)習(xí)中感到吃力,尤其在課堂學(xué)習(xí)中容易脫離實(shí)際而無法真正的理解掌握相關(guān)知識(shí)?；谶@些原因,在本課程的教學(xué)過程中,引入了Matlab的仿真技術(shù),因此可以隨時(shí)隨地對(duì)各類調(diào)制解調(diào)方式進(jìn)行仿真模擬。通過仿真結(jié)果的直觀展示,有效地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。下面通過2PSK在MatlabSimulink環(huán)境中的仿真實(shí)驗(yàn)來對(duì)2PSK的調(diào)制解調(diào)過程進(jìn)行模擬,以便更直觀地了解2PSK的工作原理。在中高速數(shù)字通信系統(tǒng)中廣泛使用移相鍵控系統(tǒng)(PSK),這是由于PSK的抗噪聲性能優(yōu)于ASK和FSK,而且頻帶利用率較高。2PSK是移相鍵控的最簡(jiǎn)單的一種形式,用2個(gè)初相相隔為180°的載波來傳遞二進(jìn)制信息,也稱為BPSK。2PSK信號(hào)調(diào)制和解調(diào)的Simulink模型如圖5所示,其中SineWave和SineWave1是反相載波,脈沖Pulse作為信號(hào)源。經(jīng)Matlab程序運(yùn)行后,2PSK信號(hào)調(diào)制與解調(diào)過程中各模塊輸出的仿真波形如圖6所示。圖6中的8個(gè)波形從上到下分別表示為反相載波SineWave、SineWave1、脈沖源信號(hào)、2PSK調(diào)制信號(hào)、相干解調(diào)乘法器輸出、低通濾波器輸出、符號(hào)函數(shù)sign模塊輸出和雙極單極變換器輸出。在本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,還可以進(jìn)行誤碼率的統(tǒng)計(jì)檢測(cè)等深入實(shí)驗(yàn)。通過利用Matlab進(jìn)行輔助教學(xué),在課堂中可以很方便、直觀地展示系統(tǒng)工作的流程及各工作點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài),有利于學(xué)生更高效地理解教學(xué)內(nèi)容,掌握相關(guān)專業(yè)知識(shí)。3matlab在通信原理教學(xué)中的應(yīng)用在課堂教學(xué)中,由于理論講授和多媒體課件的演示只能從一個(gè)方面來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握該課程的基本知識(shí),而實(shí)驗(yàn)教學(xué)又要受到課時(shí)、地點(diǎn)和設(shè)備的限制。因此,利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)想就從另一個(gè)方面為教學(xué)提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。它可以形象和直觀地顯示實(shí)驗(yàn)過程中的各類圖形,不僅可以幫助學(xué)生理解和掌握已學(xué)的知識(shí),而且還可以幫助學(xué)生加深和鞏固所做的實(shí)驗(yàn),不斷提高學(xué)生的動(dòng)手能力,為學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定一個(gè)良好的基礎(chǔ)。有的學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí),利用Matlab軟件,并結(jié)合實(shí)際問題,開發(fā)和仿真了通信原理相關(guān)的題目,在畢業(yè)設(shè)計(jì)中取得較好的成績(jī)。由此可見,Matlab在通信原理教學(xué)中起到了十分重要的作