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摘要:针对非通信专业学生学习通信原理的特点,提出利用MATLAB仿真来帮助学习教材中一些重点难点知识,可以增加学生的感性认识,达到事半功倍的效果,教学过程中的实践表明,获得了较好的教学效果。
关键词:通信原理;MATLAB仿真;非通信专业学生;调制和解调
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2019)03-0268-02
一、引言
《通信原理》是高等工科院校通信、信息类专业的一门重要专业基础课。在信息特色类高校本课程是被作为一门通识课的,即除了通信信息类相关专业外,其他专业也要求选修此课程。尽管针对非通信专业学生,课程内容及要求会做适当的削减和简化,但这些学生的前导课程学习常常会有缺失,因此在通信原理一些概念的数学推导、理解、分析与计算方面有很大的困难。
通常为了让学生能更好地理解通信信号调制和解调的基本原理,教学中会辅以静态的图例来解释说明,虽然有一定的帮助,但对非通信专业学生而言,掌握调制和解调过程中信号波形和频谱的变换还是困难的。因此在这里引入MATLAB仿真来辅助通信原理的教学,我们将本着“源码面前,了无秘密”的原则,采用MATLAB中直接编程的M文件来揭示调制和解调的基本原理。
二、仿真实例
在本节中,将以教材中介绍的第一种调制方式,即常规双边带调制AM为例,分别通过直接编程的M文件给出基带信号是如何实现AM调制和解调的。即通过AM信号调制解调过程的一个完整MATLAB仿真呈现,使学生能掌握调制解调的基本要领。
1.AM信号的基本原理。如果基帶时域信号为m(t),载波信号为cosω t,叠加的直流偏量为A ,那么依据教材中的AM调制模型,可以得到调幅信号
若m(t)时是确知信号,它的频谱为M(ω),那么AM信号的频谱可以表示为
2.仿真演示实例。下面,就采用一个具体的编程实例来说明是如何实现AM信号的调制和解调的。
A.调制。给定一个基带信号m(t)为
并且有cosω t中的ω =2πf =500πrad,t =0.15s,暂不考虑直流偏量的影响,那么可以得到图1左侧所示的基带信号m(t)、载波信号cosω t和已调信号u(t)=m(t)·cosω t的时域波形和右侧所示的m(t)和u(t)的频谱。由图1右侧可以很直观地看到已调信号的带宽是基带信号带宽的两倍。并且由于是采用直接编程M文件的方式,所以可以让学生自由选择基带信号来做各种尝试,形象地看到已调信号的波形和频谱所对应发生的变化,加深他们对于调制这一过程的理解。
B.解调。当m(t)完成调制并被传输到接收端后,需要有对应的解调方案来解出基带信号。对于AM信号常用的解调方式有两种,第一种是包络检波方式,即经过包络检波器来检测已调信号的包络。图2左侧就是已调信号经过包络检波器后得到的包络。图2右侧则就是依据获得的包络,将信号的直流分量去掉后,对信号幅度加权就可以得到解调输出信号。
第二种使用更广泛的解调方式是相干解调。即已接收到的u(t)首先要与本地提供的一个与cosω 同频同相的载波相乘,再经低通滤波后得到低频分量,就可恢复出原来的基带信号。具体过程如图3左侧最下图所示,与本地载波相乘后,可以得到一个低频分量M(f)和在±2f 附近的高频分量,当通过图3右侧中间的带宽为2倍m(t)带宽的理想低通滤波器时,高频信号被滤除,而正比于m(t)的低频分量被滤出。之后通过傅里叶反变化,可以得到如图4所示的恢复的原始基带信号。从图3、图4中看到当采用低通滤波后获得的解调输出信号的频谱是被限定在2倍基带信号带宽内的,而原始基带信号的频谱是在整个频域上的,所以最终的解调输出信号的波形与原始基带信号相比会有一些失真。
三、后续工作
由上述的仿真过程可以看到,整个AM信号的调制解调过程不再仅仅依靠固定的图例做解释,而是采用了可以灵活修改的代码语言来描述和演示,从而可以加深学生的参与感,能比较形象地把AM的过程解释清楚。后续在此基础上还可以做一些深入的工作,比如可以修改原始的基带信号,甚至可以让学生准备一段语音信号,来尝试采用AM后的语音质量的变化,从而激发学生的学习热情和动手能力,使其能更好地理解教材上的各个重要知识点。
四、结束语
对于非通信专业学生而言,学习通信原理普遍存在着一定困难,但通过引入MATLAB编程,把教学内容用仿真的形式展现出来,并且可以灵活配置各种参数,得到各种不同的仿真结果,极大地增强了教学的可视化和交互性。通过在通信原理的教学中引入虚拟仿真,增加了学生的主动性与参与感,从而能更好地掌握相关的知识点,最终达到比较好的教学效果。
关键词:通信原理;MATLAB仿真;非通信专业学生;调制和解调
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2019)03-0268-02
一、引言
《通信原理》是高等工科院校通信、信息类专业的一门重要专业基础课。在信息特色类高校本课程是被作为一门通识课的,即除了通信信息类相关专业外,其他专业也要求选修此课程。尽管针对非通信专业学生,课程内容及要求会做适当的削减和简化,但这些学生的前导课程学习常常会有缺失,因此在通信原理一些概念的数学推导、理解、分析与计算方面有很大的困难。
通常为了让学生能更好地理解通信信号调制和解调的基本原理,教学中会辅以静态的图例来解释说明,虽然有一定的帮助,但对非通信专业学生而言,掌握调制和解调过程中信号波形和频谱的变换还是困难的。因此在这里引入MATLAB仿真来辅助通信原理的教学,我们将本着“源码面前,了无秘密”的原则,采用MATLAB中直接编程的M文件来揭示调制和解调的基本原理。
二、仿真实例
在本节中,将以教材中介绍的第一种调制方式,即常规双边带调制AM为例,分别通过直接编程的M文件给出基带信号是如何实现AM调制和解调的。即通过AM信号调制解调过程的一个完整MATLAB仿真呈现,使学生能掌握调制解调的基本要领。
1.AM信号的基本原理。如果基帶时域信号为m(t),载波信号为cosω t,叠加的直流偏量为A ,那么依据教材中的AM调制模型,可以得到调幅信号
若m(t)时是确知信号,它的频谱为M(ω),那么AM信号的频谱可以表示为
2.仿真演示实例。下面,就采用一个具体的编程实例来说明是如何实现AM信号的调制和解调的。
A.调制。给定一个基带信号m(t)为
并且有cosω t中的ω =2πf =500πrad,t =0.15s,暂不考虑直流偏量的影响,那么可以得到图1左侧所示的基带信号m(t)、载波信号cosω t和已调信号u(t)=m(t)·cosω t的时域波形和右侧所示的m(t)和u(t)的频谱。由图1右侧可以很直观地看到已调信号的带宽是基带信号带宽的两倍。并且由于是采用直接编程M文件的方式,所以可以让学生自由选择基带信号来做各种尝试,形象地看到已调信号的波形和频谱所对应发生的变化,加深他们对于调制这一过程的理解。
B.解调。当m(t)完成调制并被传输到接收端后,需要有对应的解调方案来解出基带信号。对于AM信号常用的解调方式有两种,第一种是包络检波方式,即经过包络检波器来检测已调信号的包络。图2左侧就是已调信号经过包络检波器后得到的包络。图2右侧则就是依据获得的包络,将信号的直流分量去掉后,对信号幅度加权就可以得到解调输出信号。
第二种使用更广泛的解调方式是相干解调。即已接收到的u(t)首先要与本地提供的一个与cosω 同频同相的载波相乘,再经低通滤波后得到低频分量,就可恢复出原来的基带信号。具体过程如图3左侧最下图所示,与本地载波相乘后,可以得到一个低频分量M(f)和在±2f 附近的高频分量,当通过图3右侧中间的带宽为2倍m(t)带宽的理想低通滤波器时,高频信号被滤除,而正比于m(t)的低频分量被滤出。之后通过傅里叶反变化,可以得到如图4所示的恢复的原始基带信号。从图3、图4中看到当采用低通滤波后获得的解调输出信号的频谱是被限定在2倍基带信号带宽内的,而原始基带信号的频谱是在整个频域上的,所以最终的解调输出信号的波形与原始基带信号相比会有一些失真。
三、后续工作
由上述的仿真过程可以看到,整个AM信号的调制解调过程不再仅仅依靠固定的图例做解释,而是采用了可以灵活修改的代码语言来描述和演示,从而可以加深学生的参与感,能比较形象地把AM的过程解释清楚。后续在此基础上还可以做一些深入的工作,比如可以修改原始的基带信号,甚至可以让学生准备一段语音信号,来尝试采用AM后的语音质量的变化,从而激发学生的学习热情和动手能力,使其能更好地理解教材上的各个重要知识点。
四、结束语
对于非通信专业学生而言,学习通信原理普遍存在着一定困难,但通过引入MATLAB编程,把教学内容用仿真的形式展现出来,并且可以灵活配置各种参数,得到各种不同的仿真结果,极大地增强了教学的可视化和交互性。通过在通信原理的教学中引入虚拟仿真,增加了学生的主动性与参与感,从而能更好地掌握相关的知识点,最终达到比较好的教学效果。