MATLAB通信仿真在《通信原理》課程教學中的應用.doc

MATLAB通信仿真在通信原理課程教學中的應用摘要本文介紹了MATLAB軟件中通信工具箱的兩種仿真方法，并重點闡述了在MATLABSIMULINK環(huán)境下對通信系統(tǒng)進行可視化動態(tài)仿真的一般步驟和實現(xiàn)方法。最后通過教學范例和實驗結果說明，MATLAB通信系統(tǒng)仿真模型能夠反映通信系統(tǒng)的動態(tài)工作情況，具有較強的演示性、可視性和實用性，是通信原理課程教學中強有力的輔助工具。關鍵詞MATLABSIMULINK仿真通信系統(tǒng)一、引言通信原理是通信及相關專業(yè)的專業(yè)基礎課，是許多后續(xù)專業(yè)課程的基礎。其中很多基本概念、重要原理將貫穿整個通信專業(yè)的各門課程之中。然而，對于剛剛接觸通信專業(yè)的學生來說，類似于調(diào)制、解調(diào)、抽樣、量化、復用等概念及原理往往過于抽象，傳統(tǒng)的教學方法很難高效的使學生從根本上理解這些概念、原理及過程。將MATLAB通信系統(tǒng)的計算機仿真演示應用到通信原理的教學中，能夠較好的解決這個問題。采用MATLAB對基本原理和方法進行計算機仿真演示，能夠使復雜的計算簡單化，抽象的理論具體化、直觀化，從而提高學習效率，增強學習興趣，在一定程度還上培養(yǎng)學生進行通信系統(tǒng)工程設計的能力。MATLAB最初是Mathworks公司推出的一種數(shù)學應用軟件，經(jīng)過多年的發(fā)展，開發(fā)了包括通信系統(tǒng)在內(nèi)的多個工具箱，從而成為目前科學研究和工程應用最流行的軟件包之一。MATLAB的動態(tài)仿真軟件SIMLINK提供了可視化的系統(tǒng)仿真環(huán)境和多個模型庫，在模型庫中提供了豐富的功能模塊，采用模塊化設計，可以方便、靈活地建立通用性較強的通信仿真模型。MATLAB通信工具箱是一套用于通信領域進行理論研究、系統(tǒng)開發(fā)、分析設計和仿真的專業(yè)化工具軟件包，主要由兩部分組成：通信系統(tǒng)功能函數(shù)庫和SIMULINK通信系統(tǒng)仿真模型庫。下面分別從兩個方面介紹MATLAB通信系統(tǒng)仿真方法。二、使用通信系統(tǒng)函數(shù)庫實現(xiàn)通信系統(tǒng)仿真MATLAB通信系統(tǒng)功能函數(shù)庫1由70多個函數(shù)組成，每個函數(shù)又有多種選擇參數(shù)，函數(shù)功能覆蓋了現(xiàn)代通信系統(tǒng)的各個方面。這些函數(shù)包括：信號源產(chǎn)生函數(shù)、信源編碼解碼函數(shù)、調(diào)制解調(diào)函數(shù)、濾波器函數(shù)、TDMA、FDMA、CDMA函數(shù)等?，F(xiàn)舉例說明使用MATLAB函數(shù)庫實現(xiàn)仿真。例1、計算平均信息量2（1）分析：消息x中所包含的信息量I是消息發(fā)生的概率P（x）的函數(shù)，即：（1）信息量I的單位與對數(shù)的底數(shù)有關：a=2單位為比特（bit,簡寫為b）a=e單位為奈特（nat,簡寫為n）a=10單位為笛特（Det）由n個符號組成的信息源的平均信息量H（x）為：（2）公式（1）、（2）本身較簡單，學生要記憶也不困難，但是由于牽涉到對數(shù)運算，而且對數(shù)的底數(shù)是可以變化的，因此增加了計算的難度。在此我們可以建立一個MATLAB的M文件，把復雜的計算過程交給計算機來完成。（2）參考代碼：建立一個M文件保存為message.mfunctionr=message(x,n)r=0；fori=1:nr=r-x(i)*log(x(i)/log(2)；enddisp(此離散信源的平均信息量為)；（3）運行MATLAB的M文件求解平均信息量當需要求解一組符號的平均信息量時，只需要在MATLAB的命令窗口輸入該組符號出現(xiàn)的概率和符號個數(shù)就可方便快速的得出平均信息量。例如，由4個符號組成的信息源，相應的概率為，求平均信息量,只需要在MATLAB的命令窗口輸入：message(,4)然后敲回車即可在窗口中顯示出計算結果：“此離散信源的平均信息量為1.75”在需要的地方靈活使用該M文件可以求出不同信號源的平均信息量，當需要求解的符號數(shù)特別多、數(shù)字比較復雜時更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。三、基于MATLAB/SIMULINK的可視化動態(tài)仿真SIMULINK是MATLAB提供的圖形界面仿真工具，由一系列模型庫組成，包括Sources(信源模塊)、Sinks(顯示模塊)、Linear(線性環(huán)節(jié))、Connections(連接)、BlocksetsToolboxes(其他環(huán)節(jié))等。在這里，整個通信系統(tǒng)的流程被慨括為：信號的產(chǎn)生與輸出、編碼與解碼、調(diào)制與解調(diào)多址接入方式、濾波器以及傳輸介質(zhì)的模型。在每個設計模塊中還包含有大量的子模塊，它們基本上覆蓋了目前通信系統(tǒng)中所應用到的各種模塊型。根據(jù)所要仿真的通信系統(tǒng)的數(shù)學模型(或數(shù)學表達式)，用戶只要從上述各個模型庫中找出所需的模塊，用鼠標器拖到模型窗口中組合在一起，并設定好各個模塊參數(shù)，就可方便地進行動態(tài)仿真。從輸出模塊可實時看到仿真結果，如時域波形圖、頻譜圖等。每次仿真結束后還可以更改各參數(shù)，以便觀察仿真結果的變化情況。另外，對SIMULINK中沒有的模塊，可根據(jù)自己掌握的技術生成所需的子模塊，并且可以封裝和自定義模塊庫，以便隨時調(diào)用。1、可視化動態(tài)仿真的步驟31)建立數(shù)學模型：根據(jù)通信系統(tǒng)的基本原理，將整個系統(tǒng)簡化，確定總的系統(tǒng)功能，并將各部分功能模塊化，找出各部分之間的關系，畫出系統(tǒng)流程框圖模型。2)仿真系統(tǒng)：根據(jù)建立的模型，從SIMULINK通信模型庫中，將所需要的單元功能模塊拷貝到Untitled窗口，按系統(tǒng)流程框圖模型連接，組建要仿真的通信系統(tǒng)模型。3)設置、調(diào)整參數(shù)：參數(shù)設置包括運行系統(tǒng)參數(shù)設置(如系統(tǒng)運行時間、采樣速率等)和功能模塊運行參數(shù)設置(正弦信號的頻率、幅度、初相；低通濾波器的截至頻率、通帶增益、阻帶衰減等)。4)設置觀察窗口，分析仿真數(shù)據(jù)和波形：在系統(tǒng)模型的關鍵點處設置觀測輸出模塊，用于觀測仿真系統(tǒng)的運行情況，以便及時調(diào)整參數(shù)，分析結果。5)生成新的模塊：對于CommunicationToolbox中沒有的功能模塊，可以根據(jù)已掌握的技術生成所需新的子模塊，例如由C或Fortran編寫MEX文件，編譯成DLL后利用SIMULINK提供的封裝(Masking)功能封裝或自定義模塊庫，以便隨時調(diào)用。2、可視化動態(tài)仿真實現(xiàn)范例例2、抽樣定理的仿真實現(xiàn)抽樣定理的數(shù)學模型如圖1所示，可建立相應SIMULINK仿真模型如圖2所示，在設定的參數(shù)下對正弦信號仿真結果如圖3所示。號源參數(shù)設置：Sinewave參數(shù)設置PulseGenerator參數(shù)設置：改變信號源的參數(shù)設置可以得到鋸齒波的抽樣波形如圖4。通過圖3和圖4的觀察，我們可以很方便的看到抽樣前后的波形變化，同時可以通過參數(shù)的設置看到失真的抽樣波形，使同學們對于抽樣定理的內(nèi)容和適用條件有了更為直觀的認識。四、總結將MATLABSIMULINK可視化動態(tài)仿真應用到通信原理課程的教學中，使一些抽象的概念和原理可視化，有助于同學們理解和接受，既提高了教學質(zhì)量和效率，又可為學生提供良好的通信系統(tǒng)開