Matlab仿真在通信原理教学中的实践应用研究.docx

Matlab仿真在通信原理教学中的实践应用研究

张福鼎　郭云均　艾小倩　丁吉
摘 要 在通信原理课程教学过程中，结合Matlab可视化虚拟仿真优势，进行实际应用案例设计分析。实践证明，Matlab可使抽象原理形象化，增强学生感性认识，加深巩固理论知识理解，并激发学生学习积极性，培养了分析解决实际问题能力，提高了教学质量及教学效果。
关键词 通信原理 Matlab 虚拟仿真 可视化演示系统
：G642 ：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2018.04.010
Research on the Application of Matlab Visualization and Virtual Simulation in the Educational Practice of Communication Principle
ZHANG Fuding， GUO Yunjun， AI Xiaoqian， DING Ji
（School of Physics and Electronic Engineering， Jiangsu Second Normal University， Nanjing， Jiangsu 210013）
Abstract Taken advantages of visualization of Matlab virtual simulation， the course of communication principle was constructed with design and analysis of actual applications. And it achieved that the abstract principle could be visualized， theoretical knowledge could be consolidated and enhanced with learning enthusiasm stimulated. Finally， the ability to analyze and solve practical problems is developed with improved teaching quality and teaching effect.
Keywords communication principle； Matlab； Virtual simulation； Visualization instruction
0 引言
通信原理作为本科高校工科课程体系中重要的专业基础课，详细阐述了通信技术基本概念、原理、框架及分析方法，与先修课程联系紧密，又为后续课程学习奠定基础，亦是研究生入学考試必考科目。学好通信原理具有重要意义，但其理论性和实践性均强，模型抽象，原理复杂，学生感到枯燥难懂，抓不住重点。[1]为了提高通信原理教学质量，培养学生分析解决问题的能力，需要在教学过程中引入Matlab进行虚拟仿真，并转化教学模式，以学生探索为主，充分调动主观能动性，建立主动学习模式，结合实践应用，让学生不仅掌握原理方法，还能灵活运用。通过构建模型、调整观察系统性能，可提高教学直观性及趣味性，实现“以探索为主”，可提高学生学习兴趣，激发学习积极性和创造性，加深学生的理论知识理解程度，增强应用能力，从而改善教学效果。提高教学效率，提升教学质量，起到事半功倍的效果。
1 Matlab软件及仿真应用
Matlab是MathWorks公司出品的商业数学软件，功能强大、界面友好、语法简洁，专业函数库和工具箱可提高研究开发效率，应用于工程计算、信号处理、检测及通讯等领域，可用于通信理论研究、建模仿真、性能分析等方面，[2， 3]简单直观的系统建模可使用户立即看到仿真结果。Matlab在国内外高校已得到重视和广泛应用，已成为必备基本技能之一，[4， 5]采用较少时间编写相对质量较高的程序，可将更多精力集中于研究解决问题本质，在理论教学、实践环节及前沿研究中发挥了重要作用。[6-9]
Matlab软件主要特点有：（1）操作界面简单，编程语言自然简单，除错方便，以复数与矩阵为计算单元，使用工作空间存储程序过程变量，便于分析计算过程变化。（2）数据可视化、作图等功能强大，可实现二维三维图形绘制、动画处理等操作。（3）开放性和扩展性，可对源文件二次开发，按需定制工具箱与文件。亦可通过MEX文件方式方便调用FORTRAN与C程序，将用户文件作为库函数来调用，提高使用效率。
同时，运用Matlab虚拟仿真进行实践应用教学，能充分利用院校现有机房资源，大大降低硬件投入，可实现内容开放、方式灵活的实践教学效果，根据课程内容及学生反馈可灵活调整设计实践内容，无论是实验验证还是开发设计，都可以达到方式多样，内容丰富的目的。
2 Matlab仿真在通信原理教学中的实践应用
目前运用Matlab展开教学的步骤有：（1）讲授公式应用背景、变量物理意义，变换变量取值仿真演示，让学生观察变量变化带来的实际影响，建立直观印象。（2）学生构建系统框架，根据基本原理确定系统功能、框图模型及数学模型。编写m文件实现仿真模型，并了解系统运行起止及中间流程。（3）调整运行时间、采样率、信号频率等参数，观测动态仿真变化情况，分析不同信号频谱、波形等图形及数据。（4）学生归纳总结公式变量实际意义，参数变化对系统的影响，并将编写的程序自定义为子功能模块，保存以便后续工程调用，训练学生进行理论与实践、数学模型与实际工程相结合。
以幅度调制为例，学生先了解如图 1所示的基本原理，再设计仿真系统，产生服从均匀分布随机整数，时间间隔为，调制载波为，并绘制原始信号与已调信号频谱，计算已调信号功率与调制效率。学生运用讲授的m文件编写、调试及运行方法，建立仿真模型：n=4，随机数种子seed=123，=0.1s，持续时间=10s，产生=100个信号，调用randint函数生成信号序列。抽样时间间隔ts=0.0025，抽样频率fs=1/ts，时间向量t=0：ts：10-ts，df=fs/length（t）得到fft的频率分辨率，msg1=msg*ones（1，fs/10）扩展为取样信号形式，msg2=reshape（msg1.'，1，length（t））；Pm=fft（msg2）/fs；求原始信号频谱，f=-fs/2：df：fs/2df； figure； plot（f，fftshift（abs（Pm）））绘制原始信号频谱图。a=100， b=4，Sam=（b+msg2）.*cos（2*pi*100*t）；生成已调信号，Pam=fft（Sam）/fs；求已调信号频谱，figure； plot（f，fftshift（abs（Pam）））绘制已调信号频谱图。如图 2所示，设置不同参数可观测到不同状态已调信号频谱图。通过Pc=sum（abs（Sam）.^2）/length（Sam）得到已调信号功率，Ps=Pc-A^2/2；得到原始信号功率，Ps/Pc计算调制效率。
如图 3所示，采用Simulink来建立系统仿真模型，调用调幅模块，随机数产生器模块产生消息信号，减法器模块与常数模块进行消息信号范围转换，量化器模块将连续（下转第39页）（上接第21页）信号转换为离散信号，频谱分析器观测原始信号与已调信号频谱，通过平方、均值、除法器模块计算已调信号振幅平方、信号均值及调制效率，显示模块输出原始信号与已调信号时域波形、已调信号中消息信号功率与调制效率。
3 结束语
在通信原理课程中采用Matlab仿真进行可视化教学，可加大课堂信息量，明显提高教学效果，调动学生学习兴趣，充分发挥学习主动性。自主建模使学生更好地建立直观印象，加深理解，提升学习效率与思维分析能力，同时锻炼培养学生解决实际问题的能力，提升探索研究能力。使得教学更加丰富生动，师生互动增强，改变通信原理难学的历史，独具特色地推进了通信原理课堂教学，对于学生走向工作岗位及研究进修打下良好基础。
基金项目：江苏第二师范学院教改课题立项重点项目（JSSNUJXGG2017ZD05）、江苏第二师范学院引进人才科研启动基金（915201）、江苏省高校自然科学研究面上项目（16KJB510007）
参考文献
[1] 樊昌信，曹丽娜.通信原理（第7版）[M].北京：国防工业出版社，2012.
[2] 徐金明.MATLAB实用教程[M].北京：北京交通大学出版社，2005.
[3] 郑阿奇.MATLAB实用教程[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4] 邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].北京：清华大学出版社，2008.
[5] 邵佳，董辰辉.MATLAB/Simulink通信系统建模与仿真实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2009.
[6] 田莹，卢金玉，刘宴涛.基于Matlab/Simulink的通信原理虛拟仿真实验教学方法研究[J].现代电子技术，2015.38（14）：28-31.
[7] 张福鼎.基于Matlab可视化的概率论与数理统计教学方式探讨[J].江苏第二师范学院学报，2016.32（12）：59-62.
[8] 黄琳，曹杉杉，熊旭辉.基于matlab的通信原理实验课程设计[J].湖北师范大学学报（自然科学版），2017.37（3）：94-98.
[9] 鲍程红.基于Simulink的通信原理仿真实验研究[J].浙江万里学院学报，2014.27（3）：107-111.

-全文完-