Matlab在通信原理课程教学中的应用_郝秀兰

第３９卷　第１０期专辑

２０１２年１０月计算机科学

Ｃｏｍｕｔｅｒｃｉｅｎｃｅ　ＳｐＶｏｌ．３９Ｎｏ．１０Ｓｕｐｐ

Ｏｃｔ２０１２　

Ｍａｔｌａｂ在通信原理课程教学中的应用

郝秀兰　杜　煜　苏利敏

（）北京联合大学信息学院　北京１００１０１

摘　要　《通信原理》是通信类专业一门重要的专业课。针对传统教学中通信原理和公式推导过于繁杂、枯燥等问题，提出借助Ｍ通信原理》课程教学，把抽象的问题具体化，增强学生的感性认识，激发学生的学习ａｔｌａｂ软件辅助《对Ｍ通信原理》课程教学中的应用进行了研究，兴趣。以数字基带传输系统的设计与仿真分析为例，ａｔｌａｂ软件在《实际教学效果良好。

，关键词　基带传输，通信原理，仿真Ｍａｔｌａｂ

ＡｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭａｔｌａｂｉｎｔｈｅＴｅａｃｈｉｎｏｆＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＰｒｉｎｃｉｌｅｓ　　　　　　　ｐｐｇｐ　

ＨＡＯＸｉｕｌａｎＹｕＵＬｉｉｎ　－　ＤＵ　　Ｓ　－ｍ

（，，）ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎＢｅｉｉｎＵｎｉｏｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔＢｅｉｉｎ１００１０１，Ｃｈｉｎａ　　　　ｇｇｊｇｙｊｇ　　

ｒｉｎｃｉｌｅｓｒｉｍａｒＡｂｓｔｒａｃｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｒｅａｃｏｕｒｓｅｉｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｅｃｉａｌｔｉｅｓ．Ｉｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｅａｃｈ　Ｔ　　　　　　　　　　　－ｐｐｐｙｐ　ｉｎｔｈｅｒｉｎｃｉｌｅｓｏｆｔｈｅｃｏｕｒｓｅａｎｄｔｈｅｄｅｒｉｖａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｓａｒｅｔｏｏｃｏｍｌｉｃａｔｅｄａｎｄｂｏｒｉｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｔｏｔｈｅｓｅ　　　　　　　　　　　　　　　　ｇ，ｐｐｐｇｇ　，ｒｏｂｌｅｍｓｕｓｉｎＭａｔｌａｂｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｈｅｌｔｅａｃｈｉｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＰｒｉｎｃｉｌｅｓｉｓｕｔｆｏｒｗａｒｄｉｎｔｈｉｓａｅｒ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　　　　　　　　　　ｐｇｐｇｐｐｐｐ　　　，’ｉｓｃｏｎｄｕｃｉｖｅｔｏｍａｋｉｎｔｈｅａｂｓｔｒａｃｔｃｏｎｃｒｅｔｅｅｎｈａｎｃｉｎｓｔｕｄｅｎｔｓａｎｄｅｘｃｉｔｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒｅｓｔｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｅｒｃｅｔｉｏｎｓ　　　　　　　　　ｇｇｇｇｙｐｐ　　　　，ｉｎｌｅａｒｎｉｎ．ＩｎｔｈｉｓｔｈｅａｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭａｔｌａｂｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｓｓｔｕｄｅｎｔｓａｅｒｒｉｎｃｉｌｅｓ　　　　　　　　　　　　　　ｇｐｐｇｐｐｐｐ　，ｓｔｕｄｉｅｄｂｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｎａｎｄａｎａｌｚｉｎｏｆａｄｉｉｔａｌｂａｓｅｂａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｓｔｅｍ．Ａｓａｒｅｓｕｌｔｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｅｆｆｅｃｔｓ　　　　　　－　　　　　ｙｇｙｇｇｙｇ　　　　ｏｏｄ．ａｒｅ　ｇ

，，，ｒｉｎｃｉｌｅｓＫｅｗｏｒｄｓａｓｅｂａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＭａｔｌａｂＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｂ　　ｐｐｙ

１　引言

通信原理是通信工程、电子信息工程和相关专业本科生的一门重要专业基础课，在通信工程课程是学习后续课程的基体系中起着非常重要的作用，

１］

。但是该课程含有大量的数学公式推导，础［内容

性，加深学生对授课内容的理解，收到了良好的教学效果。

２　Ｍａｔｌａｂ仿真软件简介

的Ｍａｔｌａｂ是矩阵实验室（ＭａｔｒｉｘＬａｂｏｒａｔｏｒ　ｙ）

简称，是美国ＭａｔｈＷｏｒｋｓ公司出品的商业数学软件，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中。ＭＡＴＬＡＢ可以进绘制函数和数据、实现算法、创建用户行矩阵运算、

界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检金融建模设计与分析等领域。测、

抽象，理论性和实践性都很强，涉及的知识面也很广学生不易理解和掌握，很难做到融会贯通。如何泛，

有效地提高通信原理课程的教学质量，使学生具有较强的主动获取知识和独立解决问题的能力，是一项重要的工作。

本文尝试将Ｍａｔｌａｂ仿真软件引入到传统的教学上来，利用Ｍ以通信ａｔｌａｂ软件强大的仿真功能，原理课程中重要的数字基带传输系统的设计与仿真通过Ｍ分析为例，ａｔｌａｂ的仿真加深学生对相关技术把结果以图形的形式形象直观地展现出的理解，

２］

，使学生从繁琐的计算中解脱出来，把重点放在来［

３　数字基带系统仿真与分析应用实例

３．１　仿真项目

下面以“数字基带系统仿真与分析”为例，说明使用Ｍ通ａｔｌａｂ进行系统设计和仿真的过程及其在《

对概念、原理和方法的理解上，调动学生的学习积极

，郝秀兰（女，硕士，讲师，主要研究方向为数字信号处理、通信网络。１９７６－）

·４２·

信原理》教学中的辅助作用。

如图１所示，基带传输系统由发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器组成

。

）＝Ｔ∑Ｈ（ω＋ｓω≤

ｎ＝－∞ＴｓＴｓ

针对该信道特性，采用升余弦滚降成形滤波器和接收滤波器可做出物理可实现设备，其传输特性为：

＋∞

Ｈ（＝ω）Ｔｂ，

图１　数字基带系统框图

｜ω｜≤

（）Ｔｂ

（（）ｂｂ）［－）］，１＋ｓｉｎω＜｜ω｜＜２２ＴＴαＴｂｂｂ０，

３．２．４　抽样判决

｜ω｜≥

（）Ｔｂ

３．２　基本原理

３．２．１　ＰＡＭ信号的产生

如图２所示，本系统产生ＰＡＭ信号时先产生脉冲序列：

）ｄ（ｔ＝∑ａｔ－ｎＴδ（ｎｓ）

ｎ＝－∞

∞

本项目采用的是双极性码，抽样时刻信号的电（”））。在噪声存在的平取值为：发送“或（发送“１０”情况下，抽样判决器输入是信号与噪声的混合，其波形为：

，”发“时Ａ＋ｎｋＴ１ｗ（ｓ）（）ｘｋＴｓ＝－Ａ＋，发“”时ｎｋＴ０ｗ（ｓ）”发送“和“时，接收信号的一维概率密度函１０”数分别为：

图２　ＰＡＭ信号产生框图

２

（）［］ｘ）＝ｘ－ｐｆ１（２

２σｎσｎπ

）经过成形滤波器ｇ（可得到ＰｔＡＭ信号：（）ｓｔ＝∑ａｔ－ｎＴｇＴ（ｎｓ

）

ｎ＝－∞

∞

３．２．２　常用码型

在实际的基带传输系统中，并不是所有代码的电波形都适合在信道中传输，例如，含有丰富直流和低频成份的基带信号不适宜在电缆信道中传输，但是可以在光纤信道中传输。

在实际应用中常用的传输码型如图３所示

。

ｘ）＝ｆ２（

２（）［］ｘｐ－２

２σｎπσｎ由误码率定义：误码率Ｐｅ＝

差错码元数

传输总码元数

可知总误码率为：

Ｖｄ－Ａ））］ＰＰ（１＋ｒ＋Ｐ（０）－ｆｅ＝

２２２σｎＶｄ＋Ａ）］ｒｆ２σｎ对于０、判决门限ＶＴ＝１等概不相关双极性码，０。

３．３　仿真思路

用高斯函数取符号得到双极性码。把双极性码转换为冲激，冲激经过升余弦成形滤波，得到移位，

图３　常用码型波形图

发送端的Ｐ可以用累积平均的方ＡＭ信号。此时，调用式求得随机ＰＡＭ信号的平均功率谱密度，）进行眼图的绘图，Ｍａｔｌａｂ自带的函数ｅｅｄｉａｒａｍ（ｙｇ并作出ＰＡＭ信号波形。

加入高斯白噪声，形成接ＰＡＭ信号经过信道，

收端的信号。此信号经过升余弦滚降滤波器的匹配达到最佳接收，然后进行判决。由于理论上可以计算得到判决门限为ＶＴ＝０，故直接取出信号的符号，即可恢复原码型。通过比较恢复码型和发送端码型

·４３·

３．２．３　信道建模

信道是传输基带信号的媒质。信号在其中传输一般会产生波形失真。信道中的噪声一般是均值为，零的高斯白噪声（其功率谱密度在整个频ＡＷＧＮ）域内均匀分布，即其功率谱密度为常数。

限带信道条件下，信号传输过程中将产生码间对信道特性的设计需要遵干扰。为解决码间干扰，循如下的奈奎斯特准则：

可以得到误判的点在总点数中的比例，即误码率。平均误码率的求得也是利用累积求平均的方法。

改变码型和信道参数，可以观察不同情况下系统的性能变化和波形变化。

系统程序框图如图４所示

。

图７　发端ＰＡＭ信号平均功率谱密度仿真图

图８给出了发端ＰＡＭ信号仿真眼图

。

图４　数字基带系统程序框图

３．４　仿真结果及分析

下面对“数字基带系统设计与仿真”所得结果加以分析。

仿真中假设信道无时延，但在抽样判决时存在即偏差，

／ｓｄ＝ｓＬ８：Ｌ：Ｎ）ｙ（

它可用以模拟信道延时和采样点偏移的实际情图６示况。以下截图为此条件下的仿真图。图５、／出高信噪比（时，发端和收端序列波ＥＮ０＝２０ｄＢ）ｂ形的比较。

图８　发端ＰＡＭ信号仿真眼图

图９为收端Ｃ点处滤波后信号的平均功率谱密与发端Ｂ点相比，功率下降了二分之一，度仿真图，无明显失真

。

图９　收端判决前信号平均功率谱密度仿真图

图１０所示的是收端判决前信号的眼图。从图１０，／容易看出，噪声容限约为１采样点的Ｌ８偏移可以接噪声容限下降了三分之一

。受。较之发端的眼图，

图５　

高信噪比情况下的发端序列波形

图１０　收端判决前信号仿真眼图

图１１所示为不同发端信噪比情况下误码率的／曲线图。该图是在采样偏差为Ｌ８的情况下得到的。采样点的偏移对于误码率有贡献，但偏移较小

图６　高信噪比情况下的收端序列波形

时可以接受

。

由上图容易看出，高信噪比时，误码率很小，几乎为零，发端与收端信号序列几乎一致。

图７给出了发送端，即Ｂ点成形后的ＰＡＭ信号平均功率谱密度。由图可以看出，截止频率为１．３

，与理论计算值ｋＨｚ＝１．３ｋＨｚ一致。这是由成

２Ｔｓ形滤波器的系统函数决定的

。·４４·

图１有采样偏差）１　系统误码率与发送信噪比关系图（

图１即２为不存在采样偏差，

理》中的很多知识点，如线性调制、非线性调制、通信系统的同步原理等，都可以借ＡＳＫ、ＦＳＫ、ＰＳＫ、助Ｍａｔｌａｂ进行仿真分析。学生可以根据所学内容，自行设计实验方案，对知识点进行仿真、分析，从而加深对所学知识的理解和把握，提高综合设计能力和创新能力。

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ｓｄ＝ｓ１：Ｌ：Ｎ）ｙ（

时的误码率与信噪比的仿真关系图。由图容易看

－６

，到，在信噪比为１误码率接近１与１ｄＢ左右时，０

理论值较为接近。

实际信道不可能仅有白高斯噪声，也不可能没有时延产生，采样的偏移是必然存在的。因而图１１所示的情况较图１２所示情况更加符合实际。

图１无采样偏差）２　系统误码率与发送信噪比关系图（

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结束语　Ｍａｔｌａｂ是通信仿真软件中的佼佼者，使用灵活方便，可以作为《通信原理》课程及其实验教学的辅助工具，能够有效地克服《通信原理》课程内容抽象、学生不易理解和掌握等局限性。《通信原（上接第２２页）

Ｐｖ６的Ｐ２Ｐ视频系　　结束语　本文研究的基于Ｉ

统在网络结构上属于有中心节点的Ｐ这种２Ｐ网络，网络降低了系统的复杂度，但需要服务器方面的管理及部署成本。对于视频应用系统，使用完全分布式结构化或非结构化Ｐ但使用２Ｐ网络会比较复杂，／集中式Ｐ其视频应用２Ｐ网络相比传统的ＣＳ模式，大大降低了服务器的压力，另外采用完全分布式也不利于现在Ｐ２Ｐ网络会使客户端实现过于复杂，的商业模式，所以对于视频应用来说采用集中式也是合理的选Ｐ２Ｐ网络完全可以满足当前的应用，择。将来可以考虑将Ｔｒａｃｋｅｒ服务器的功能向对等节点的客户端转移，使用具有自组织能力的结构化或非结构化的Ｐ这样可以避免对Ｔ２Ｐ网络，ｒａｃｋｅｒ服务器的依赖，减少Ｔｒａｃｋｅｒ服务器的部署和管理成本，同时防止出现无法连接到服务器的情况，增加系统的可靠性。

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，ＰｅｅｒｔｏＰｅｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏＣ］ｅｒｖｉｃｅｓＳｃｉｅｎｃｅＭａｎａｅｍｅｎｔ　　　∥Ｓ　ｇｙ［ｇ，ａｎｄＥｎｉｎｅｅｒｉｎ．Ｚｈａｎｉａｉｅ２００９：４０４４０７　－ｇｇｇｊｊ

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