基于MATLAB的通信原理课程的教学研究

摘 要 在通信工程、电子信息技术等专业中，“通信原理”是其中的主干专业课课程。目前各个高等院校对该课程的实验教学缺乏新意，实验手段落后，学生不会主动思考通信理论的真正物理含义，教学实验的效果不理想。本文以MATLAB为平台，对模型通信系统中的超外差接收机进行建模和仿真，使学生更加深刻地理解通信原理的数学和实际模型，效果非常好。

关键词 通信原理 MATLAB 超外差接收机 建模仿真

中图分类号：G424 文献标识码：A

1 通信原理的课程特点

在通信工程、电子信息技术等专业中，“通信原理”是其中一门非常重要的专业课课程，各个高等院校对该课程都安排了相应的配套实验箱，开展了二进制PSK、PCM等简单的课程实验，验证课程的理论结果。这些通信原理的实验教学内容缺乏新意，实验手段陈旧落后，学生只是为了完成实验而做实验，不会主动思考通信理论的真正物理含义，教学实验的效果不理想。

“通信原理”①主要分为两大部分：模拟通信和数字通信。而模拟幅度调制是最基础的无线电远距离传输技术。本文结合频分复用和超外差接收机系统的建模和仿真，研究MATLAB在通信原理课程教学实验中的应用。

2 MATLAB基本功能及其在通信中的应用

MATLAB是由美国的MathWorks公司推出的一种科学计算和工程仿真软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的科学计算、结果可视化和编程集中在一个易于操作的环境中，并提供大量的内置函数，具有强大的矩形计算和绘图功能，适用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作。目前，在世界范围内被科研工作者、工程技术人员和院校师生广泛应用。

MATLAB工具软件可以帮助学生掌握通信的基本原理及分析方法，提高相应的运算能力和动手能力。通过调整教学实验的内容，使得学生在建立概念的同时，能够给出定量和定性的分析，最终将理论和实践联系起来。

另外，MATLAB为用户提供了专业的通信工具箱，②用于设计和分析通信系统物理层的算法。工具箱包括100多个MATLAB函数可用于通信算法的开发、系统分析及设计。通信工具箱能完成以下任务：信源编码及量化；高斯白噪声信道模型；差错控制编码；调制和解调；发送和接收滤波器；基带和调制信道模型；多址接入，CDMA、FDMA和TDMA；比较系统误码率的图形用户界面；用于通信信号可视化的图形分析和绘制，包括眼图、星座表和格型；信道的可视化工具。

3 基于matlab的通信原理实验教学举例

本小节通过实验教学举例来展示用MATLAB进行通信系统建模的仿真方法。③

3.1模拟通信系统的建模

对一台超外差式中波收音机进行建模，仿真其信号处理过程，其中以不同载波频率同时传输两路不同的调幅信号，以对频分复用方式进行模拟。接收机可通过设置不同的本机振荡频率来选择接收其中某一路信号。调幅中波接收机的接收频率段为550～1605kHz，中频为465kHz，其通信系统模型建模如图1所示。

本模型将两个调幅发射机封装为子系统模型，载波分别为1000kHz和1200kHz，被调基带信号分别为1000kHz的正弦波和500kHz的方波，幅度为0.3V。

3.2 模拟通信系统的仿真

为了模拟接收机距离不同引起的传输衰减，分别以Gain1、Gain2模块对传输信号进行衰减，最后在信道中加入白噪声并送入接收机。本仿真的接收机模型中没有设计输入选频滤波器和高频放大器，天线接收信号直接送入混频器进行混频。混频所使用的本机振荡信号由压控振荡器产生，其振荡频率始终比接收信号频率高一个中频频率，这样，接收信号与本机振荡在混频器Product模块中进行相乘运算后，其差频信号成分的频率就是中频频率，通过中频带通滤波器Analog Filter Design1选出，然后由中频放大器Gain进行中频放大。放大后的中频信号再次经过Analog Filter Design2进行中频滤波后送入包络检波器解调，并通过低通滤波器滤除中频分量。Gain3模块用来模拟接收机中的基带信号放大功能，示波器用来对比观察解调前后的信号。中频滤波器设置为2阶带通滤波器，中心频率为设计中频465kHz，带宽为12kHz。检波后的低通滤波器可设置为1阶的，截止频率为6kHz。压控振荡器的中心频率设置为中频465kHz，压控灵敏度设置为1kHz/V，这样压控振荡器输出频率将等于中频频率值与压控端输入值之和（单位是kHz）。例如，当压控输入值为1000时，压控振荡器将输出1465kHz频率的正弦波，这样刚好接收载波频率为1000Hz的调幅信号。所以，压控输入端的值就是接收机所要接收的信号频率。模型中用Slider Gain作为滑块增益调整，在仿真中双击该模块可“实时”地调整设置的接收频率，以观察接收机输出变化。

图2给出了示波器显示的对两发射信号的接收仿真波形，其中信道噪声方差设置为0.01，仿真步进为6.23e-8s。接收机对任何信号的传输增益都保持不变，而信道对1200kHz电台的衰减较少，所以其解调幅度相应也较高。

注意，调幅解调输出信号的平均值（即直流分量）大小与接收信号的强弱成比例，即可以用调幅解调输出信号的直流分量来衡量接收信号的强弱。

4 结束语

本文利用MATLAB对通信系统进行分析和设计，通过仿真实验阐明基本概念，强调理论联系实际。通过计算机作为辅助教学实验工具，改进了教学方法，让学生不局限于试验箱的硬件条件，拥有了更多的自主学习的空间，对通信原理的认知和理解有很好的促进和帮助。

注释

① 樊昌信，曹丽娜.通信原理（第6版）.国防工业出版社（第6版），2008.

② 陈杰.MATLAB宝典（第3版）.电子工业出版社，2011.

③ 王俊峰，孙江峰.通信原理MATLAB仿真教程.人民邮电出版社，2010.