現(xiàn)代通信原理實驗系統(tǒng)平臺的研究與設計

景文芳

摘要：利用MATLAB GUI工具箱設計和實現(xiàn)現(xiàn)代通信原理課程中相關知識點內(nèi)容的交互式實時動態(tài)演示仿真系統(tǒng)，效果生動，界面友好，彌補了傳統(tǒng)實驗平臺的各種缺點，具有開放性、易學和可擴展性等優(yōu)點。

關鍵詞：GUI；仿真；可視化

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）30-0033-02

1引言

現(xiàn)代通信原理課程是通信工程和計算機通信、移動通信技術等電子信息類專業(yè)的專業(yè)課程。通信原理實驗的開設正是對理論課程的深入學習和彌補，將深奧、抽象的理論知識化為簡單易懂的數(shù)據(jù)波形，更易學生的學習和掌握。然而現(xiàn)在所使用的通信原理設備成本高，易損壞，數(shù)據(jù)誤差大，并且設備內(nèi)容的固定使知識點的過時，陳舊，這些給實驗課程帶了許多問題。本文主要基于MATLAB GUI工具箱對現(xiàn)代通信原理實驗系統(tǒng)平臺進行設計和實現(xiàn)。

2 平臺設計方案

本文選取通信原理中4個基礎模塊進行分析和設計，分別為：模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)、模擬信號數(shù)字化系統(tǒng)、二進制數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)、信道編碼和解碼系統(tǒng)。每個模塊又劃分為幾個小模塊。其中，模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)包括調(diào)幅信號（AM）的調(diào)制解調(diào)、抑制載波雙邊帶信號（DSB）的調(diào)制解調(diào)、單邊帶信號（SSB）的調(diào)制解調(diào)。模擬信號波形編碼包含了抽樣、量化、編碼3個子模塊。二進制數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)包括2ASK調(diào)制解調(diào)、2FSK調(diào)制解調(diào)、2PSK調(diào)制解調(diào)子模塊。信道編碼和解碼包含線性分組碼、循環(huán)碼。

3 系統(tǒng)主界面設計

主界面中，用戶點擊菜單按鈕，選擇相應的模塊進入子界面?！敖Y束演示”按鈕可以關閉主界面，結束演示。系統(tǒng)主界面如圖1所示。

主界面中菜單欄是通過菜單編輯器來設計，并設置菜單欄（Menu Bar）和右鍵菜單（Context Menus）的相關屬性，將Menu Bar屬性值為figure，用戶設計的菜單排列在標準菜單之后，如圖2所示。

主界面中添加“結束按鈕”，實現(xiàn)關閉演示系統(tǒng)。先在界面添加按鈕并雙擊修改相應屬性值：Tag：pushbutton1，string：“結束演示”，F(xiàn)ontSize：18，F(xiàn)ontWeight：demi。在編寫對應回調(diào)函數(shù)實現(xiàn)關閉系統(tǒng)功能。步驟為：點擊“結束演示”按鈕右鍵選擇View Callbacks中的Callback菜單選項，打開GUI.fig對應的m文件，此文件是Matlab自動生成的，在代碼function pushbutton1_Callback（hObject， eventdata， handles）下面增加代碼：close（gcbf）；quit；完成之后保存運行，便可實現(xiàn)結束演示功能。

在主界面中，本文設置圖片作為歡迎界面，具體步驟如：選擇圖片，調(diào)整圖片大小為483 ×385，單位為像素；在主界面添加Axes坐標軸控件，雙擊屬性將Units設置為pixels（像素），將Position屬性中Width：483，Height：385；編寫對應的M文件，在函數(shù)OpeningFcn下面添加代碼：

backgroundImage = importdata（'tupian.jpg'）；% 將背景圖像載入主界面

axes（handles.axes）；

image（backgroundImage）；% 將圖片添加到坐標軸控件中，實現(xiàn)背景設置

axis off；% 去掉坐標軸標簽

4 模擬線性調(diào)制解調(diào)演示系統(tǒng)設計思路及步驟

本文主要以模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)為例介紹其設計思路及步驟。

（1）設計思路

在本模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中，為觀察方便特設置調(diào)制信號為正弦波，振幅：1，頻率：1Hz。其具體要求包括第一：能在同一界面完成AM、DSB、SSB的調(diào)制解調(diào)過程。第二：設計界面包括調(diào)制、解調(diào)、參數(shù)設置、繪圖、說明、返回六個區(qū)域。第三：參數(shù)設置區(qū)設置載波頻率、AM信號直流分量2個可變參數(shù)，用戶可自由輸入數(shù)值。當選擇“載波信號”按鈕時，能夠在圖軸上畫出相應載波頻率下載波信號時域波形和頻域波形，當選擇“AM信號”按鈕時，能夠在圖軸上畫出給定AM信號直流分量下AM信號時域和頻域的波形。同理選擇“調(diào)制信號”“DSB信號”等按鈕時會分別在圖軸上畫出相應信號時域波形和頻域波形。第四：本次演示過程結束后，按“退出”按鈕就能退出本界面返回到主界面。添加說明部分，對演示系統(tǒng)添加說明，方便學習者清晰理解作者的思路。

（2）設計步驟

步驟一：界面設計

在GUI界面中添加控件。添加按鈕控件，并設置屬性值。按鈕1屬性string：“載波信號”，Tag：“pushbutton1”。同理，設計出其他按鈕。添加2個編輯框控件，將兩個編輯框的string屬性均設為空，同時在各自正左方添加靜態(tài)文本控件進行說明。

在系統(tǒng)界面上添加面板控件Panel，將相關按鈕控件分別放于調(diào)制器、解調(diào)區(qū)、說明和參數(shù)設置區(qū)中，具體設置如圖4所示。將2個編輯框及相應的靜態(tài)文本控件布局在“參數(shù)設置區(qū)”面板中。說明面板控件中添加靜態(tài)文本，string屬性設為“A、調(diào)制信號是振幅為1，載波為1Hz的正弦波；B、解調(diào)時均采用相干解調(diào)的方法；C、兩幅圖橫軸分別為t，f。解調(diào)信號有延遲。D、解調(diào)時，紅色為原信號藍色為解調(diào)信號”模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的界面如圖3所示。

步驟二：回調(diào)函數(shù)設計

界面中要實現(xiàn)按鈕的相關動作則需要定義相關回調(diào)函數(shù)（Callback），回調(diào)函數(shù)可以執(zhí)行語句，也可以調(diào)用函數(shù)。在調(diào)制解調(diào)區(qū)回調(diào)函數(shù)設計如下：

調(diào)制解調(diào)區(qū)中的按鈕可以點擊繪制出相應的波形，并顯示在坐標軸中。例如輸入載波頻率和AM信號的直流分量后，點擊“AM信號”按鈕，在axes1中會繪制AM信號時域波形，在axes2中會繪制AM信號頻域波形，要實現(xiàn)該功能就要右鍵單擊“AM信號”，選擇callback菜單項，在function pushbutton2_Callback（hObject， eventdata， handles）下面添加以下代碼：

axes（handles.axes1）

global fc；global A；%fc為載波頻率，A為AM信號的直流分量

T=5； fm=1；dt=0.001；

t=0：dt：T；

mt=cos（2*pi*fm*t）；%調(diào)制信號（信源）

s_am=（A+mt）.*cos（2*pi*fc*t）；%AM信號

plot（t，s_am）；plot（t，A+mt，'r--'）；%畫出AM信號包絡，標示出源信號波形

title（'AM調(diào)制信號'）；

axes（handles.axes2）

[f，sf3]=T2F（t，s_am）；%求AM調(diào)制信號的頻譜

psf3=（abs（sf3）.^2）/T；%求AM調(diào)制信號的功率譜密度

plot（f，psf3）；

axis（[-2*fc，2*fc，0，max（psf3）]）；title（'AM調(diào)制信號的頻譜'）；

5 模擬線性調(diào)制解調(diào)子系統(tǒng)測試

為確定該系統(tǒng)功能，對該平臺進行相關測試，下面以模擬線性調(diào)制解調(diào)子系統(tǒng)中AM調(diào)制解調(diào)為例進行說明。

在設計的模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中，從界面輸入的載波頻率5Hz和AM信號的直流分量3時，觀察模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中AM信號和AM解調(diào)信號波形圖，結果如圖4所示。

系統(tǒng)設置中，調(diào)制信號為正弦波，其振幅為1，頻率為1Hz。當載波頻率為5Hz，AM信號的直流分量為3時，根據(jù)模擬線性調(diào)制解調(diào)原理可得AM信號的幅度為4。解調(diào)時采用相干解調(diào)法，AM解調(diào)信號為原調(diào)制信號，振幅為1，解調(diào)信號均有延遲，這是允許的。圖中紅色虛線標注的為原信號，由圖可見，測試結果正確。同理測出其他DSB、SSB波形正確，故設計出的模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，正確實現(xiàn)了預期功能。

6 總結

根據(jù)測試情況可知，本文所設計的MATLAB的通信原理仿真平臺界面生動，性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準確，能減少波形誤差，能靈活修改和擴展該系統(tǒng)，大大增加了同學們的學習興趣。

參考文獻：

[1] 趙鴻圖，茅艷.通信原理MATLAB仿真教程[M].北京：人民郵電出版社，2010：120-122.

[2] 張德豐.MATLAB通信工程仿真[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010：164.

[3] 徐國保，趙黎明等.MATLAB/Simulink實用教程[M].北京：清華大學出版社，2017：386.

【通聯(lián)編輯：光文玲】