物联网通信技术课程仿真教学应用

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摘要：作为物联网专业的核心专业基础课，通信技术课程教学目前普遍存在理论公式过多、概念抽象、学生难以掌握等问题。针对通信技术课程的特点，本文将Matlab仿真引入课程教学，通过可视化视图搭建核心电路，结合仿真结果与课程理论分析，使抽象的概念具体化、复杂的理论简单化，从而加深学生对知识点的理解。实践表明，课程改革效果良好。

关键词：通信技术；物联网；Matlab；仿真教学

1引言

作为物联网专业的核心基础课，通信技术基础课程能够使学生获得适应信息时代的物联网通信基本知识、基本原理和基本技能，培养学生分析和解决通信系统问题的能力，为深入学习物联网工程技术、无线传感网与RFID等相关内容和专业打好基础。然而传统通信技术课程教学存在理论推导过多、概念抽象等问题，学生普遍反映知识点难以掌握。目前高校在设置物联网专业时，强调实践应用而淡化理论式教学，更着重学生实际物联网系统开发能力的培养，因此如何为物联网专业学生上好一堂“直观、具体、容易掌握”的通信技术基础课，是目前困扰专业老师的一个关键问题。

2课程教学存在问题

通信技术基础课程以通信系统的基本理论为主要内容，目前主要还是以“老师讲，学生听”的教学模式为主。随着物联网专业改革的不断推进，课程教学存在的问题愈加突出。（1）传统以老师为中心的教学模式不利于学生理解和掌握知识，学生学习积极性不高。单方向的知识灌输没有考虑学生基础和知识体系的差异性，容易使学生在学习过程中产生消极应对情绪。（2）通信技术课程内容丰富，理论性和原理性强，公式推导和核心概念不容易被学生理解和掌握，课程对数学基础要求比较高，这在很大程度增加了教与学的难度。加之目前物联网专业更强调实践应用，着重学生实际物联网应用系统开发能力的培养。学生在实验过程中更愿意动手操作，却很少分析和理解实验结果与课程理论之间的关系。（3）目前通信技术实践内容主要以验证性实验为主。由于课程的实验设备条件受限，学生往往是被动式学习，教师难以在实践课程中调动学生积极性，提高学生动手操作能力，加深学生对课程知识点的理解。

3Matlab仿真优势

目前Matlab广泛应用于通信理论、算法设计、系统设计、建模仿真和性能分析验证。而Simulink作为Matlab的一个可视化建模仿真平台，能够以直观的方框图对通信系统进行建模，实时将波形、频谱、数据曲线等模型仿真结果显示出来。这样便于学生直观理解通信系统的概念和运行过程。这是通信技术理论教学、模型设计的强大工具[1-2]。针对课程实验设备条件受限、学生在实验过程中更愿意动手操作而很少分析实验结果与理论推导之间关系等问题，将Matlab/Simulink仿真引入通信技术课程的教学，在课堂上通过可视化视图搭建核心电路，将理论讲授和仿真模拟相结合，使抽象的概念具体化、复杂的理论简单化，从而加深学生对知识点的理解[3-4]。

4课程仿真教学实例

本文以二进制振幅键控（2ASK）为例，介绍如何在理论讲授中结合Simulink仿真教学解析2ASK信号产生与解调过程。4.12ASK信号产生与解调原理振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制[5]。一个2ASK信号2ASKe(t)可以表示成一个二进制符号（0,1）序列s(t)与一个正弦型载波的相乘coscωt。2ASK信号产生的原理如图1所示。2ASK信号解调的方法主要有两种：包络检波和相干解调法[6]。包络检波通常由半波或全波整流器和低通滤波器组成，直接从已调波的幅度中提取原始基带信号。而相干解调目标是无失真地恢复原基带信号，在接收端提供一个与接收的已调载波严格同步的本地载波。当与接收的已调信号相乘后，经低通滤波器和抽样判决后，即可得到原始的调制信号。2ASK信号相干解调的原理如图2所示。从上述流程图可以看出，传统理论原理讲授会比较抽象，信号的调制解调过程不直观，因此不容易被学生理解和掌握。4.2Simulink仿真教学为使信号的调制解调过程更具体，更容易理解，采用Simulink可视化视图构建调制解调电路。（1）2ASK调制2ASK信号调制的模型方框图由DSP模块中的sinwave信号源、方波信号源、相乘器等模块组成，添加示波器在电路各关键点以显示相关的波形。2ASK电路模型如图3所示。对电路模块进行参数设置。如sinwave参数：幅度2，频率1Hz；采样时间2ms；方波信号源设置为基于采样的，幅度为2，周期为3，占比为2/3。参数设置后，运行Simulink即可得出波形图，如图4所示。图4（a）为方波信息源波形，图4（b）是载波波形，图4（c）为两者相乘产生的2ASK信号。从仿真波形可以看出，与载波信号对比，已调信号非常直观地反应载波信号的包络变化与信源方波的关系。（2）2ASK解调2ASK信号调制的模型方框图在调制电路的基础上增加本地载波相乘器、低通滤波器、抽样判决其等模块，如图5所示。同样地，对各电路模块依据需求进行参数设置。sinwave参数：幅度1.2，频率100Hz；采样时间2ms；方波信号源设置为基于采样的，幅度为2，周期为3，占比为2/3。低通滤波器设置为1阶的IIR巴特沃兹滤波器。参数设置完成后，运行Simulink即可得出波形图，如图6所示。可以看出，解调过程中每个模块的输出波形能够通过软件直观显示出来，与理论公式推导是相符的。相对传统的理论教授，通过Simulink的系统建模和波形显示可以将这些较为抽象的过程直观、形象地表现出来。另外，仿真模型建立后不仅可以观察仿真结果，还可以通过改变参数设置、灵活添加测试仪器来引导学生讨论电路中可能出现的各种想象与问题。

5结束语

Simulink仿真软件不受实验设备以及时间的限制。学生在具备基础知识的情况下下，在课外时间对课程不熟悉的概念和知识点进行主动练习，能够更好地调动学生学习积极性。实践表明，教学改革取得良好的效果。

参考文献

[1]周彩霞.Matlab/Simulink在高职“通信原理”仿真教学中的应用.长沙航空职业技术学院学报,2018,18(4):18-21

[2]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析.北京:清华大学出版社,2016

[3]夏江涛,孙冬娇.Matlab在现代通信原理课程中的应用.实验技术与管理,2014,31(01):110-113,119

[4]周渝霞.Matlab仿真在高职通信实验教学中的应用.中国新通信,2019,21(24):190

[5]张卫钢.通信原理与通信技术.西安:电子科技大学出版社,2011

[6]张辉,曹丽娜.现代通信原理与技术.西安:电子科技大学出版社,2011

作者：周伟力 单位：佛山科学技术学院电子信息工程学院