物聯網通信技術課程仿真教學應用

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摘要：作為物聯網專業(yè)的核心專業(yè)基礎課，通信技術課程教學目前普遍存在理論公式過多、概念抽象、學生難以掌握等問題。針對通信技術課程的特點，本文將Matlab仿真引入課程教學，通過可視化視圖搭建核心電路，結合仿真結果與課程理論分析，使抽象的概念具體化、復雜的理論簡單化，從而加深學生對知識點的理解。實踐表明，課程改革效果良好。

關鍵詞：通信技術；物聯網；Matlab；仿真教學

1引言

作為物聯網專業(yè)的核心基礎課，通信技術基礎課程能夠使學生獲得適應信息時代的物聯網通信基本知識、基本原理和基本技能，培養(yǎng)學生分析和解決通信系統(tǒng)問題的能力，為深入學習物聯網工程技術、無線傳感網與RFID等相關內容和專業(yè)打好基礎。然而傳統(tǒng)通信技術課程教學存在理論推導過多、概念抽象等問題，學生普遍反映知識點難以掌握。目前高校在設置物聯網專業(yè)時，強調實踐應用而淡化理論式教學，更著重學生實際物聯網系統(tǒng)開發(fā)能力的培養(yǎng)，因此如何為物聯網專業(yè)學生上好一堂“直觀、具體、容易掌握”的通信技術基礎課，是目前困擾專業(yè)老師的一個關鍵問題。

2課程教學存在問題

通信技術基礎課程以通信系統(tǒng)的基本理論為主要內容，目前主要還是以“老師講，學生聽”的教學模式為主。隨著物聯網專業(yè)改革的不斷推進，課程教學存在的問題愈加突出。（1）傳統(tǒng)以老師為中心的教學模式不利于學生理解和掌握知識，學生學習積極性不高。單方向的知識灌輸沒有考慮學生基礎和知識體系的差異性，容易使學生在學習過程中產生消極應對情緒。（2）通信技術課程內容豐富，理論性和原理性強，公式推導和核心概念不容易被學生理解和掌握，課程對數學基礎要求比較高，這在很大程度增加了教與學的難度。加之目前物聯網專業(yè)更強調實踐應用，著重學生實際物聯網應用系統(tǒng)開發(fā)能力的培養(yǎng)。學生在實驗過程中更愿意動手操作，卻很少分析和理解實驗結果與課程理論之間的關系。（3）目前通信技術實踐內容主要以驗證性實驗為主。由于課程的實驗設備條件受限，學生往往是被動式學習，教師難以在實踐課程中調動學生積極性，提高學生動手操作能力，加深學生對課程知識點的理解。

3Matlab仿真優(yōu)勢

目前Matlab廣泛應用于通信理論、算法設計、系統(tǒng)設計、建模仿真和性能分析驗證。而Simulink作為Matlab的一個可視化建模仿真平臺，能夠以直觀的方框圖對通信系統(tǒng)進行建模，實時將波形、頻譜、數據曲線等模型仿真結果顯示出來。這樣便于學生直觀理解通信系統(tǒng)的概念和運行過程。這是通信技術理論教學、模型設計的強大工具[1-2]。針對課程實驗設備條件受限、學生在實驗過程中更愿意動手操作而很少分析實驗結果與理論推導之間關系等問題，將Matlab/Simulink仿真引入通信技術課程的教學，在課堂上通過可視化視圖搭建核心電路，將理論講授和仿真模擬相結合，使抽象的概念具體化、復雜的理論簡單化，從而加深學生對知識點的理解[3-4]。

4課程仿真教學實例

本文以二進制振幅鍵控（2ASK）為例，介紹如何在理論講授中結合Simulink仿真教學解析2ASK信號產生與解調過程。4.12ASK信號產生與解調原理振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數字基帶信號而變化的數字調制[5]。一個2ASK信號2ASKe(t)可以表示成一個二進制符號（0,1）序列s(t)與一個正弦型載波的相乘coscωt。2ASK信號產生的原理如圖1所示。2ASK信號解調的方法主要有兩種：包絡檢波和相干解調法[6]。包絡檢波通常由半波或全波整流器和低通濾波器組成，直接從已調波的幅度中提取原始基帶信號。而相干解調目標是無失真地恢復原基帶信號，在接收端提供一個與接收的已調載波嚴格同步的本地載波。當與接收的已調信號相乘后，經低通濾波器和抽樣判決后，即可得到原始的調制信號。2ASK信號相干解調的原理如圖2所示。從上述流程圖可以看出，傳統(tǒng)理論原理講授會比較抽象，信號的調制解調過程不直觀，因此不容易被學生理解和掌握。4.2Simulink仿真教學為使信號的調制解調過程更具體，更容易理解，采用Simulink可視化視圖構建調制解調電路。（1）2ASK調制2ASK信號調制的模型方框圖由DSP模塊中的sinwave信號源、方波信號源、相乘器等模塊組成，添加示波器在電路各關鍵點以顯示相關的波形。2ASK電路模型如圖3所示。對電路模塊進行參數設置。如sinwave參數：幅度2，頻率1Hz；采樣時間2ms；方波信號源設置為基于采樣的，幅度為2，周期為3，占比為2/3。參數設置后，運行Simulink即可得出波形圖，如圖4所示。圖4（a）為方波信息源波形，圖4（b）是載波波形，圖4（c）為兩者相乘產生的2ASK信號。從仿真波形可以看出，與載波信號對比，已調信號非常直觀地反應載波信號的包絡變化與信源方波的關系。（2）2ASK解調2ASK信號調制的模型方框圖在調制電路的基礎上增加本地載波相乘器、低通濾波器、抽樣判決其等模塊，如圖5所示。同樣地，對各電路模塊依據需求進行參數設置。sinwave參數：幅度1.2，頻率100Hz；采樣時間2ms；方波信號源設置為基于采樣的，幅度為2，周期為3，占比為2/3。低通濾波器設置為1階的IIR巴特沃茲濾波器。參數設置完成后，運行Simulink即可得出波形圖，如圖6所示。可以看出，解調過程中每個模塊的輸出波形能夠通過軟件直觀顯示出來，與理論公式推導是相符的。相對傳統(tǒng)的理論教授，通過Simulink的系統(tǒng)建模和波形顯示可以將這些較為抽象的過程直觀、形象地表現出來。另外，仿真模型建立后不僅可以觀察仿真結果，還可以通過改變參數設置、靈活添加測試儀器來引導學生討論電路中可能出現的各種想象與問題。

5結束語

Simulink仿真軟件不受實驗設備以及時間的限制。學生在具備基礎知識的情況下下，在課外時間對課程不熟悉的概念和知識點進行主動練習，能夠更好地調動學生學習積極性。實踐表明，教學改革取得良好的效果。

參考文獻

[1]周彩霞.Matlab/Simulink在高職“通信原理”仿真教學中的應用.長沙航空職業(yè)技術學院學報,2018,18(4):18-21

[2]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系統(tǒng)建模與仿真實例分析.北京:清華大學出版社,2016

[3]夏江濤,孫冬嬌.Matlab在現代通信原理課程中的應用.實驗技術與管理,2014,31(01):110-113,119

[4]周渝霞.Matlab仿真在高職通信實驗教學中的應用.中國新通信,2019,21(24):190

[5]張衛(wèi)鋼.通信原理與通信技術.西安:電子科技大學出版社,2011

[6]張輝,曹麗娜.現代通信原理與技術.西安:電子科技大學出版社,2011

作者：周偉力 單位：佛山科學技術學院電子信息工程學院