物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)課程仿真教學(xué)應(yīng)用

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摘要：作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，通信技術(shù)課程教學(xué)目前普遍存在理論公式過(guò)多、概念抽象、學(xué)生難以掌握等問(wèn)題。針對(duì)通信技術(shù)課程的特點(diǎn)，本文將Matlab仿真引入課程教學(xué)，通過(guò)可視化視圖搭建核心電路，結(jié)合仿真結(jié)果與課程理論分析，使抽象的概念具體化、復(fù)雜的理論簡(jiǎn)單化，從而加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。實(shí)踐表明，課程改革效果良好。

關(guān)鍵詞：通信技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；Matlab；仿真教學(xué)

1引言

作為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，通信技術(shù)基礎(chǔ)課程能夠使學(xué)生獲得適應(yīng)信息時(shí)代的物聯(lián)網(wǎng)通信基本知識(shí)、基本原理和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決通信系統(tǒng)問(wèn)題的能力，為深入學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)、無(wú)線傳感網(wǎng)與RFID等相關(guān)內(nèi)容和專業(yè)打好基礎(chǔ)。然而傳統(tǒng)通信技術(shù)課程教學(xué)存在理論推導(dǎo)過(guò)多、概念抽象等問(wèn)題，學(xué)生普遍反映知識(shí)點(diǎn)難以掌握。目前高校在設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)時(shí)，強(qiáng)調(diào)實(shí)踐應(yīng)用而淡化理論式教學(xué)，更著重學(xué)生實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力的培養(yǎng)，因此如何為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生上好一堂“直觀、具體、容易掌握”的通信技術(shù)基礎(chǔ)課，是目前困擾專業(yè)老師的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

2課程教學(xué)存在問(wèn)題

通信技術(shù)基礎(chǔ)課程以通信系統(tǒng)的基本理論為主要內(nèi)容，目前主要還是以“老師講，學(xué)生聽(tīng)”的教學(xué)模式為主。隨著物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)改革的不斷推進(jìn)，課程教學(xué)存在的問(wèn)題愈加突出。（1）傳統(tǒng)以老師為中心的教學(xué)模式不利于學(xué)生理解和掌握知識(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高。單方向的知識(shí)灌輸沒(méi)有考慮學(xué)生基礎(chǔ)和知識(shí)體系的差異性，容易使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中產(chǎn)生消極應(yīng)對(duì)情緒。（2）通信技術(shù)課程內(nèi)容豐富，理論性和原理性強(qiáng)，公式推導(dǎo)和核心概念不容易被學(xué)生理解和掌握，課程對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求比較高，這在很大程度增加了教與學(xué)的難度。加之目前物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)更強(qiáng)調(diào)實(shí)踐應(yīng)用，著重學(xué)生實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能力的培養(yǎng)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中更愿意動(dòng)手操作，卻很少分析和理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果與課程理論之間的關(guān)系。（3）目前通信技術(shù)實(shí)踐內(nèi)容主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。由于課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件受限，學(xué)生往往是被動(dòng)式學(xué)習(xí)，教師難以在實(shí)踐課程中調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，提高學(xué)生動(dòng)手操作能力，加深學(xué)生對(duì)課程知識(shí)點(diǎn)的理解。

3Matlab仿真優(yōu)勢(shì)

目前Matlab廣泛應(yīng)用于通信理論、算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建模仿真和性能分析驗(yàn)證。而Simulink作為Matlab的一個(gè)可視化建模仿真平臺(tái)，能夠以直觀的方框圖對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行建模，實(shí)時(shí)將波形、頻譜、數(shù)據(jù)曲線等模型仿真結(jié)果顯示出來(lái)。這樣便于學(xué)生直觀理解通信系統(tǒng)的概念和運(yùn)行過(guò)程。這是通信技術(shù)理論教學(xué)、模型設(shè)計(jì)的強(qiáng)大工具[1-2]。針對(duì)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件受限、學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中更愿意動(dòng)手操作而很少分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論推導(dǎo)之間關(guān)系等問(wèn)題，將Matlab/Simulink仿真引入通信技術(shù)課程的教學(xué)，在課堂上通過(guò)可視化視圖搭建核心電路，將理論講授和仿真模擬相結(jié)合，使抽象的概念具體化、復(fù)雜的理論簡(jiǎn)單化，從而加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解[3-4]。

4課程仿真教學(xué)實(shí)例

本文以二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）為例，介紹如何在理論講授中結(jié)合Simulink仿真教學(xué)解析2ASK信號(hào)產(chǎn)生與解調(diào)過(guò)程。4.12ASK信號(hào)產(chǎn)生與解調(diào)原理振幅鍵控是正弦載波的幅度隨數(shù)字基帶信號(hào)而變化的數(shù)字調(diào)制[5]。一個(gè)2ASK信號(hào)2ASKe(t)可以表示成一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)（0,1）序列s(t)與一個(gè)正弦型載波的相乘coscωt。2ASK信號(hào)產(chǎn)生的原理如圖1所示。2ASK信號(hào)解調(diào)的方法主要有兩種：包絡(luò)檢波和相干解調(diào)法[6]。包絡(luò)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(diào)波的幅度中提取原始基帶信號(hào)。而相干解調(diào)目標(biāo)是無(wú)失真地恢復(fù)原基帶信號(hào)，在接收端提供一個(gè)與接收的已調(diào)載波嚴(yán)格同步的本地載波。當(dāng)與接收的已調(diào)信號(hào)相乘后，經(jīng)低通濾波器和抽樣判決后，即可得到原始的調(diào)制信號(hào)。2ASK信號(hào)相干解調(diào)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(huì)比較抽象，信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過(guò)程不直觀，因此不容易被學(xué)生理解和掌握。4.2Simulink仿真教學(xué)為使信號(hào)的調(diào)制解調(diào)過(guò)程更具體，更容易理解，采用Simulink可視化視圖構(gòu)建調(diào)制解調(diào)電路。（1）2ASK調(diào)制2ASK信號(hào)調(diào)制的模型方框圖由DSP模塊中的sinwave信號(hào)源、方波信號(hào)源、相乘器等模塊組成，添加示波器在電路各關(guān)鍵點(diǎn)以顯示相關(guān)的波形。2ASK電路模型如圖3所示。對(duì)電路模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。如sinwave參數(shù)：幅度2，頻率1Hz；采樣時(shí)間2ms；方波信號(hào)源設(shè)置為基于采樣的，幅度為2，周期為3，占比為2/3。參數(shù)設(shè)置后，運(yùn)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(chǎn)生的2ASK信號(hào)。從仿真波形可以看出，與載波信號(hào)對(duì)比，已調(diào)信號(hào)非常直觀地反應(yīng)載波信號(hào)的包絡(luò)變化與信源方波的關(guān)系。（2）2ASK解調(diào)2ASK信號(hào)調(diào)制的模型方框圖在調(diào)制電路的基礎(chǔ)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(duì)各電路模塊依據(jù)需求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。sinwave參數(shù)：幅度1.2，頻率100Hz；采樣時(shí)間2ms；方波信號(hào)源設(shè)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(shè)置為1階的IIR巴特沃茲濾波器。參數(shù)設(shè)置完成后，運(yùn)行Simulink即可得出波形圖，如圖6所示?？梢钥闯觯庹{(diào)過(guò)程中每個(gè)模塊的輸出波形能夠通過(guò)軟件直觀顯示出來(lái)，與理論公式推導(dǎo)是相符的。相對(duì)傳統(tǒng)的理論教授，通過(guò)Simulink的系統(tǒng)建模和波形顯示可以將這些較為抽象的過(guò)程直觀、形象地表現(xiàn)出來(lái)。另外，仿真模型建立后不僅可以觀察仿真結(jié)果，還可以通過(guò)改變參數(shù)設(shè)置、靈活添加測(cè)試儀器來(lái)引導(dǎo)學(xué)生討論電路中可能出現(xiàn)的各種想象與問(wèn)題。

5結(jié)束語(yǔ)

Simulink仿真軟件不受實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及時(shí)間的限制。學(xué)生在具備基礎(chǔ)知識(shí)的情況下下，在課外時(shí)間對(duì)課程不熟悉的概念和知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行主動(dòng)練習(xí)，能夠更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。實(shí)踐表明，教學(xué)改革取得良好的效果。

參考文獻(xiàn)

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[6]張輝,曹麗娜.現(xiàn)代通信原理與技術(shù).西安:電子科技大學(xué)出版社,2011

作者：周偉力 單位：佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院