周彩霞

(長沙航空職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410124)

通信原理是通信技術(shù)專業(yè)的核心專業(yè)課程，具有理論性強、直觀性差、公式推導多、概念抽象等特點，學生不易理解與掌握。而高職教育強調(diào)淡化理論推導，注重基本概念，原理方法的介紹，加強理論與實踐的聯(lián)系，注重學生實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)。因此如何上好“通信原理”這門課，一直以來是困擾高職通信技術(shù)專業(yè)老師的問題。

一、高職“通信原理”課程教學存在的主要問題

隨著高職教育教學改革的不斷推進，“通信原理”課程教學中存在的問題與不足愈加凸顯。

1）課程教學內(nèi)容中理論推導多，而學生基礎(chǔ)弱。高職學生理論基礎(chǔ)普遍較差，數(shù)學功底薄弱，繁多的理論分析與公式推導嚴重打擊學生的學習積極性。

2）學生樂于動手操作，卻不善聯(lián)想思考。多數(shù)學生在實驗實訓時只愿搞清楚怎么動手操作，怎么搭建與測試通信電路，卻很少會認真分析與思考理實之間的聯(lián)系。

3）實踐課大多以驗證性試驗為主，缺乏綜合性與創(chuàng)新性。由于實訓條件受限，課內(nèi)實驗以驗證為主，學生處于被動學習狀態(tài)，影響學生動手操作、設(shè)計能力的提升。

二、教學中引入 Matlab/Simulink仿真的必要性

Matlab 環(huán)境下的 Simulink[1，2]，擁有豐富的系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復雜的仿真系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點[3]，它提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫，是學習、分析與設(shè)計通信系統(tǒng)強有力的工具。

根據(jù)高職學生樂于動手操作而不愿意理論分析與數(shù)學推導的特點，將Simulink 引入到“通信原理”課程教學中，使課堂講授與模擬演示相結(jié)合，實際操作與仿真實驗相補充，對于難于理解與領(lǐng)會的內(nèi)容、抽象的概念、不易觀察的某些現(xiàn)象及發(fā)展過程，教師課堂現(xiàn)場演示或指導學生上機操作，利用Simulink進行系統(tǒng)建模和圖形處理，可使其準確、形象、直觀、可靠地表現(xiàn)出來，從而加深學生對所學知識的理解，起到事半功倍的教學效果[4]。

三、實際應(yīng)用案例

下面以“AM調(diào)制與解調(diào)通信系統(tǒng)仿真”為例，來說明使用Simulink進行系統(tǒng)仿真的過程。

（一）實現(xiàn)原理

AM調(diào)制原理[5，6]：是用調(diào)制信號m(t)去控制高頻正弦載波信號cosωc(t)的幅度，使其按調(diào)制信號的規(guī)律變化的過程SAM(t)是已調(diào)信號，即AM信號。A0為常數(shù)。實現(xiàn)框圖如1所示。

圖1 AM調(diào)制原理框圖

AM信號解調(diào)原理：是把接收到的已調(diào)信號SAm(t)還原為調(diào)制信號m0(t)。AM信號的解調(diào)方法有兩種：相干解調(diào)和包絡(luò)檢波。AM相干解調(diào)的原理框圖如圖2，是在接收端利用同步載波（頻率、相位與發(fā)端載波相同）進行解調(diào)，然后低通濾波提取出傳送的信息。包絡(luò)檢波器一般是由二極管、電容與電阻構(gòu)成的半波或全波整流器和低通濾波器組成，整流是只保留信號中幅度大于0的部分，濾波是過濾出調(diào)制信號。

圖2 AM相干解調(diào)原理框圖

從上述調(diào)制解調(diào)框圖來看，框圖顯示不夠直觀,不容易理解整個信號的調(diào)制解調(diào)過程,學生理解難度比較大。

（二）仿真思路

首先，依據(jù)實現(xiàn)框圖來創(chuàng)建仿真電路模型，根據(jù)要分析的對象來接入測試儀器。以AM調(diào)制的相干解調(diào)系統(tǒng)為例，信號在系統(tǒng)中傳輸時，考慮到噪聲影響加入了高斯白噪聲，并通過帶通濾波器來限定信道的上下限頻率，如圖3所示。

其次，對各電路模塊依據(jù)需求進行參數(shù)設(shè)置。信源Sine Wave參數(shù)：幅度1，角頻率10rad/s；載波Sine Wave1、2參數(shù)：幅度1，角頻率100rad/s；Analog Filter Design BPF參數(shù)：下限角頻率90rad/s，上限角頻率110rad/s；Analog Filter Design1 LPF參數(shù)：截止角頻率 10rad/s；高斯白噪聲Gaussian Noise Generator參數(shù)：均值0，標準方差1。

圖3 AM調(diào)制相干解調(diào)系統(tǒng)電路模型

然后，仿真測試并分析測試結(jié)果。測試結(jié)果如圖4所示，當mA=0.5時，圖4(a)是調(diào)制信號與已調(diào)AM信號的對比波形，圖中非常直觀的反應(yīng)了AM信號包絡(luò)變化與m(t)的關(guān)系；圖4(b)是調(diào)制信號與解調(diào)信號的對比波形，顯然，解調(diào)信號相對調(diào)制信號有一系統(tǒng)延時，且由波形對比可分析解調(diào)信號是否有失真。

圖4 mA =0.5時的測試波形

（三）測試分析

仿真模型創(chuàng)建好后，不僅可以觀察仿真結(jié)果，還可以通過隨心改變參數(shù)設(shè)置、靈活添加測試儀器來引導學生討論電路中可能會出現(xiàn)的各種想象與問題。

比如，通過改變調(diào)制信號幅度值來改變mA，分三種情況：0＜mA＜1，mA=1，mA＞1 仿真測試，來分析調(diào)幅系數(shù)mA對AM包絡(luò)的影響。測試結(jié)果如圖5，顯而易見當0＜mA＜1時，正常調(diào)制，AM包絡(luò)變化反映調(diào)制信號的變化規(guī)律當mA=1時，滿幅調(diào)制當mA＞1時，過調(diào)制，此時AM信號的包絡(luò)變化已失真。

圖 5 0＜mA＜1，mA=1，mA＞1 三種取值下 AM 信號的波形

為測試噪聲大小對系統(tǒng)性能的影響，可通過改變Gaussian Noise Generator的均值與方差來觀察解調(diào)后信號失真度大小與噪聲功率之間的關(guān)系。如圖6所示，取高斯白噪聲的均值μ=0，方差σ2=0，σ2=10，σ2=50三種情況（在通信信道中，一般噪聲均值為零時，噪聲的平均功率等于其方差）來引導學生進行仿真，由測試結(jié)果可見，方差越大，噪聲功率越大，解調(diào)信號的失真就越嚴重。

圖6 噪聲方差σ2=0，σ2=10，σ2=50三種情況下解調(diào)信號的波形

圖7 添加頻譜儀后的AM系統(tǒng)電路模型

圖8 AM調(diào)制前后頻譜分布圖

還可從頻域出發(fā)對信號的頻譜進行分析，在原電路模型的基礎(chǔ)上添加頻譜儀。如圖7所示。為能清楚地看到調(diào)制前后信號頻譜搬移的情況，電路中添加了兩個Spectrum Scope頻率儀分別來測信源頻譜與AM信號頻譜，載波參數(shù)Sine Wave1、2的角頻率設(shè)置為10000rad/s。測試結(jié)果如圖8所示，兩頻譜分布圖證明：調(diào)制前后頻譜形狀沒變，調(diào)制后信源頻譜被線性搬移到了載波的兩邊。

四、結(jié)束語

由于電路搭建簡單方便，參數(shù)設(shè)置輕松易控，結(jié)果顯示直觀形象，不需要繁雜的數(shù)學推導，因此高職學生在理論知識欠缺的情況下，通過Simulink仿真不僅可以很快掌握與強化所學的基本原理與技術(shù)，而且Simulink仿真不受實驗設(shè)備、條件、時間等限制，學生還可以利用課余時間自主操作與練習，極大地調(diào)動了學生的學習興趣和積極性，取得了良好的教學效果。