1、Matlab 仿真在通信原理教學中的實踐應用研究Research on the Application of Matlab Visualization and Virtual Simulation in the Educational Practice of Communication PrincipleZHANG Fuding， GUO Yunjun ， AI Xiaoqian ， DING Ji (School of Physics and Electronic Engineering，Jiangsu Second Normal University ， Nanjing ， Jiangsu

2、 210013)Keywords communication principle； Matlab ； Virtualsimulation ； Visualization instruction0 引言 通信原理作為本科高校工科課程體系中重要的專業(yè)基礎課， 詳細闡述了通信技術基本概念、原理、框架及分析方法，與先修 課程聯(lián)系緊密， 又為后續(xù)課程學習奠定基礎， 亦是研究生入學考 ? 必考科目。 學好通信原理具有重要意義， 但其理論性和實踐性均 強，模型抽象， 原理復雜， 學生感到枯燥難懂， 抓不住重點。 1 為了提高通信原理教學質量， 培養(yǎng)學生分析解決問題的能力， 需 要在教學過程中引入 Matla

3、b 進行虛擬仿真，并轉化教學模式， 以學生探索為主，充分調動主觀能動性，建立主動學習模式，結 合實踐應用，讓學生不僅掌握原理方法，還能靈活運用。通過構 建模型、調整觀察系統(tǒng)性能，可提高教學直觀性及趣味性，實現(xiàn)“以探索為主”， 可提高學生學習興趣， 激發(fā)學習積極性和創(chuàng)造 性，加深學生的理論知識理解程度，增強應用能力，從而改善教 學效果。提高教學效率，提升教學質量，起到事半功倍的效果。1 Matlab 軟件及仿真應用Matlab 是 MathWorks 公司出品的商業(yè)數學軟件，功能強大、 界面友好、語法簡潔，專業(yè)函數庫和工具箱可提高研究開發(fā)效率， 應用于工程計算、信號處理、檢測及通訊等領域，可用于

4、通信理 論研究、建模仿真、性能分析等方面， 2 ， 3 簡單直觀的系統(tǒng) 建模可使用戶立即看到仿真結果。 Matlab 在國內外高校已得到 重視和廣泛應用，已成為必備基本技能之一， 4， 5 采用較少 時間編寫相對質量較高的程序， 可將更多精力集中于研究解決問 題本質，在理論教學、實踐環(huán)節(jié)及前沿研究中發(fā)揮了重要作用。 6-9Matlab 軟件主要特點有：（ 1）操作界面簡單，編程語言自 然簡單，除錯方便，以復數與矩陣為計算單元，使用工作空間存 儲程序過程變量，便于分析計算過程變化。（ 2）數據可視化、 作圖等功能強大，可實現(xiàn)二維三維圖形繪制、動畫處理等操作。 （3）開放性和擴展性，可對源文件二次

5、開發(fā)，按需定制工具箱 與文件。亦可通過MEX文件方式方便調用 FORTRA與C程序，將 用戶文件作為庫函數來調用，提高使用效率。同時，運用 Matlab 虛擬仿真進行實踐應用教學，能充分利 用院校現(xiàn)有機房資源，大大降低硬件投入，可實現(xiàn)內容開放、方 式靈活的實踐教學效果， 根據課程內容及學生反饋可靈活調整設 計實踐內容， 無論是實驗驗證還是開發(fā)設計， 都可以達到方式多 樣，內容豐富的目的。2 Matlab 仿真在通信原理教學中的實踐應用目前運用 Matlab 展開教學的步驟有： （ 1）講授公式應用背 景、變量物理意義，變換變量取值仿真演示，讓學生觀察變量變 化帶來的實際影響，建立直觀印象。（2

6、）學生構建系統(tǒng)框架，根據基本原理確定系統(tǒng)功能、框圖模型及數學模型。編寫m文件實現(xiàn)仿真模型，并了解系統(tǒng)運行起止及中間流程。（3）調整運行時間、采樣率、信號頻率等參數，觀測動態(tài)仿真變化情況，分 析不同信號頻譜、波形等圖形及數據。（4）學生歸納總結公式變量實際意義， 參數變化對系統(tǒng)的影響， 并將編寫的程序自定義 為子功能模塊， 保存以便后續(xù)工程調用， 訓練學生進行理論與實 踐、數學模型與實際工程相結合。以幅度調制為例，學生先了解如圖 1 所示的基本原理，再 設計仿真系統(tǒng)，產生服從均勻分布隨機整數，時間間隔為，調制 載波為， 并繪制原始信號與已調信號頻譜， 計算已調信號功率與 調制效率。學生運用講授的

7、 m文件編寫、調試及運行方法，建立 仿真模型：n=4，隨機數種子seed=123，=0.1s，持續(xù)時間=10s， 產生 =100個信號，調用 randint 函數生成信號序列。抽樣時間 間隔 ts=0.0025 ，抽樣頻率 fs=1/ts ，時間向量 t=0 ： ts ： 10-ts ， df=fs/length （t ）得到 fft 的頻率分辨率， msg1=msg*ones（1，fs/10 )擴展為取樣信號形式， msg2=reshape( msg1. ，1，length (t )； Pm=fft (msg2)/fs ；求原始信號頻譜， f=-fs/2 ：df ： fs/2-df ; fi

8、gure ; plot (f, fftshift(abs (Pn)繪制原始信號頻譜圖。 a=100， b=4 ， Sam=( b+msg2).*cos( 2*pi*100*t )；生成已調信號， Pam=fft ( Sam)/fs ；求已調 信號頻譜，figure ; plot (f, fftshift (abs (Pan)繪制 已調信號頻譜圖。如圖 2 所示，設置不同參數可觀測到不同狀 態(tài)已調信號頻譜圖。通過Pc=sum(abs (San).八2 ) /length (San) 得到已調信號功率，Ps=Pc-AA2/2 ;得到原始信號功率，Ps/Pc 計算調制效率。如圖 3 所示，采用 Si

9、nulink 來建立系統(tǒng)仿真模型，調用調幅模塊，隨機數產生器模塊產生消息信號， 減法器模塊與常數模塊進行消息信號范圍轉換， 量化器模塊將連 續(xù)(下轉第 39 頁 (上接第 21 頁 信號轉換為離散信號，頻譜 分析器觀測原始信號與已調信號頻譜，通過平方、均值、除法器 模塊計算已調信號振幅平方、 信號均值及調制效率， 顯示模塊輸 出原始信號與已調信號時域波形、 已調信號中消息信號功率與調 制效率。3 結束語在通信原理課程中采用 Matlab 仿真進行可視化教學，可加 大課堂信息量，明顯提高教學效果，調動學生學習興趣，充分發(fā) 揮學習主動性。 自主建模使學生更好地建立直觀印象， 加深理解， 提升學習效率與思維分析能力， 同時鍛煉培養(yǎng)學生解決實際問題 的能力，提升探索研究能力。使得教學更加豐富生動，師生互動 增強，改變通信原理難