通信工程專業(yè)實驗平臺的建立和應用

陳杰，石魯珍，姚娜

（塔里木大學信息工程學院通信工程系，阿拉爾843300）

0 引言

通信工程專業(yè)是電子信息類的一個重要專業(yè)，在電子信息領域占用無可取代的地位。本校自2009 招生通信工程專業(yè)本科專業(yè)以來，一直以立足南疆、面向兵團、服務新疆為培養(yǎng)目標。該專業(yè)主要包括《通信原理》、《信號與系統(tǒng)》、《通信電子線路》、《數(shù)字信號處理》、《移動通信》、《圖像處理》、《MATLAB 仿真及應用》和《語音信號處理》等課程，這些課程理論性強，公式較多，學生學習理解起來比較困難。另外這些課程都配有一定數(shù)量的實驗課程，實驗課程的傳統(tǒng)教學方式是采用實驗箱進行授課和操作，但是這些設備價格昂貴，而且隨著現(xiàn)代信息技術的快速發(fā)展，實驗箱更新速度較快，這對高校來說是一項很大的開支，并且使用實驗箱進行實驗，調試用時較長。本文針對這一情況，使用MATLAB 的GUI 工具開發(fā)了一個實驗平臺，該實驗平臺囊括了通信工程專業(yè)的五門課程《通信原理》、《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《圖像處理》和《語音信號處理》的所有實驗，該實驗平臺不但可以輔助教師理論教學，對學生掌握理論知識和復雜的公式有很大的幫助，對理論課上所學的抽象的知識有更加具體、直觀的認識，加深理解，而且在實驗教學上相對于實驗箱在速度方面有很大的優(yōu)勢，并且對學生掌握MATLAB 語言有很大的幫助，一舉三得。

1 實驗平臺展示

MATLAB 語言是本校通信工程專業(yè)的學生必須掌握的一門語言，使用該語言編寫的實驗平臺學生在操作和理解方面更容易掌握。MATLAB 的GUI 是一款很好用的人機交互界面設計工[1]，內含所有的GUI 控件，用戶可以使用GUI 提供的控件直接設計界面額FIG 文件中，同時生成M 文件框架，這個框架中包含了一部分和圖形回調函數(shù)，提供了管理全局數(shù)據(jù)的途徑，并支持自動回調函數(shù)原形。用戶通過修改對應的M 文件函數(shù)實現(xiàn)指定功能。

圖1 為該實驗平臺的設計流程，主要設計了《通信原理》、《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《數(shù)字圖像處理》和《語音信號處理》等五門課程的實驗子平臺。這五門課程都是通信工程專業(yè)的必修課程，而且每門課程都附帶實驗課程，而這些課程的實驗基本上都是由實驗箱來完成，實驗箱的費用比較高，而且更新速度較快，這就使得高校由于經(jīng)費有限而無法滿足學生對知識的需求。使用MATLAB 軟件來設計編寫的該實驗軟件平臺的優(yōu)勢就顯示出來：它不僅能滿足學生的課程實驗需求，而且在實驗的基礎上學生可以直接觀察和修改源代碼，這在一定程度上提高了學生的編程水平；MATLAB 語言是通信及其相關專業(yè)的必修語言，對這門語言的掌握程度提高對學生的理解能力和動手能力都有很好的幫助，對學生的就業(yè)以及繼續(xù)教育也能奠定一定的基礎。

圖1 實驗平臺流程圖

1.1 系統(tǒng)主界面

圖2為實驗平臺的主界面，主窗口和各個按鈕采用函數(shù)語句進行編寫。

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該界面的5 個按鈕都能到達各自的實驗子平臺，在使用的時候右下角的“關閉”按鈕可以直接關閉該窗口，使用者也可以直接通過右上角的關閉符號來關閉窗口，背景圖片可以通過修改程序來自行更換。

圖2 通信工程專業(yè)實驗平臺主界面

1.2 通信原理實驗平臺

鼠標點擊“通信原理實驗平臺”就可以進入《通信原理》課程的實驗子平臺，圖3 為該平臺的窗口。

該窗口使用了一個靜態(tài)的文字編輯框來編輯平臺的名稱，下面使用了下拉菜單來調用該門課程的主要的四部分實驗，這種分類方式是根據(jù)實驗的種類來分的，每個菜單有若干個子實驗，雙擊各個菜單即可進入；右下角的“結束系統(tǒng)”的功能就是關閉該窗口，回到總界面窗口。

圖3 通信原理實驗平臺窗口

圖4 2ASK實驗平臺

內含模擬調制、數(shù)字基帶信號、升余弦滾降系統(tǒng)、基帶信號眼圖、2ASK、2FSK、2PSK、抽樣定理和均勻量化[2]等9 個實驗，其中2ASK 的實驗平臺界面如圖4 所示。在該界面中，分為四個區(qū)，在“參數(shù)設置區(qū)”輸入載波頻率以后，點擊“隨機數(shù)字基帶信號”按鈕即可看到輸入信號及其功率譜密度，點擊“2ASK 信號”即可觀察2ASK 波形及其功率譜密度圖像。教師和學生在實驗的過程中可以輸入不同的參數(shù)來比較波形的區(qū)別。

1.3 信號與系統(tǒng)實驗平臺

信號與系統(tǒng)的實驗平臺共包括6 個實驗，如圖5所示，分別為序列基本運算、基本信號產(chǎn)生、LTI 系統(tǒng)的時域分析、信號頻域分析、連續(xù)時間系統(tǒng)的復頻域分析和離散時間系統(tǒng)的Z 域分析[3]，包括了本門課程所有的實驗。單擊即可進入相應的實驗系統(tǒng)平臺。

圖5 信號與系統(tǒng)實驗平臺

圖6 離散時間系統(tǒng)的Z域分析實驗平臺

該平臺的離散時間系統(tǒng)的Z 域分析實驗如圖6 所示，實驗時只需在參數(shù)區(qū)輸入分母系數(shù)a 和分子系數(shù)b，之后點擊相應的按鈕就可在繪圖區(qū)觀察波形，改變參數(shù)，可以觀察波形變換。

1.4 數(shù)字信號處理實驗平臺

該課程的實驗平臺設計如圖7 所示。該課程的界面設計相對于前面兩門課程較人性化，在首頁增加了三個常見函數(shù)和波形展示區(qū)，波形的橫縱坐標也可以由操作者自行選擇，另外添加了網(wǎng)格線的操作，這在一定程度上可以增加學生對該門課程的感興趣的程度。除此之外，該門課程主要包括六個大實驗，分別是M 序列的基本運算、信號的產(chǎn)生、離散傅里葉變換、卷積運算、數(shù)字濾波器設計和巴特沃斯濾波器[4]。

圖7 數(shù)字信號處理實驗平臺

圖8 數(shù)字濾波器的設計平臺

該實驗平臺的數(shù)字濾波器的實驗窗口如圖8 所示。在各個參數(shù)窗口輸入?yún)?shù)之后，點擊相應的濾波器按鈕，學生則可以觀察到濾波器的濾波情況，同時設計多個濾波器，可以給學生比較和觀察的空間，這對理解和記憶專業(yè)知識有很大的幫助。

1.5 數(shù)字圖像處理實驗平臺

該實驗平臺根據(jù)數(shù)字圖像處理的實驗課程進行設計，共七個實驗，分別是圖像灰度級修正、圖像的平濾波、圖像的銳化處理、圖像的統(tǒng)計特性、方塊編碼、JPEG壓縮編碼和運動估計[5]。通過這七個實驗學生能掌握整門課程的要點和重點。學生可以變做實驗變理解理論知識，對課本中大篇幅的公式推導和理論知識的理解能起到很好的輔助作用。

圖9 圖像處理課程實驗平臺

圖10 圖像灰度級修正的實驗界面

圖10 位該實驗平臺的第一個實驗圖像灰度級修正的實驗界面，該界面主要包括兩部分，左邊為實驗區(qū)，右邊為說明區(qū)。能實現(xiàn)的功能是打開一副圖像、觀察圖像的線性拉伸、觀察一副圖像的反比效果、觀察伽馬在大于一、等于一和小于一的情況下的圖像、繪制圖像的直方圖，觀察均衡后的圖像和觀察均衡后圖像的直方圖。通過該平臺，教師和學生通過點擊各個按鈕就能選定原始圖片，可以觀察到原始圖像在經(jīng)過各種操作之后的明顯區(qū)別，也可以根據(jù)此平臺總結出參數(shù)對圖片起到的影響，最后加深學生對均衡的認識和理解。

1.6 語音信號處理實驗平臺

該實驗平臺根據(jù)《語音信號處理》課程的需求設置了六個實驗，分別是語音信號的短時間分析、同態(tài)分析、線性分析、基音估計、語音合成和語音增強[6]。這六個實驗貫穿本門課程，對學生的理解和記憶專業(yè)術語起到很好的輔助效果。

圖11 語音信號處理實驗平臺

圖12 語音增強實驗平臺

圖12 位該門課程實驗平臺的“語音增強”實驗界面，該實驗中可以通過“原始信號”按鈕選擇一個語音信號、觀察其波形和聽到該段語音；通過“語音加噪”按鈕可以對原始信號進行加噪、觀察到加噪后的波形和聽到加噪后的語音；通過“語音增強”按鈕可以觀察語音增強之后的波形、聽到增強之后的聲音。視覺上的觀察圖像和聽覺上的語音雙層感受對學生理解語音的增強技術有很好的幫助，在提高學生對課程的感興趣程度方面也有很好的幫助。

1.7 平臺通用化

該實驗平臺通過一定的步驟可以轉換成可執(zhí)行安裝文件EXE 格式，在沒有安裝MATLAB 的計算機上仍然可以進行實驗演示。

2 結語

該實驗平臺包括了通信工程專業(yè)的五門主要課程，每門課程都有5-8 個實驗，這些實驗看似獨立又相互相關，一門知識的掌握對后面課程的學習都能起到積極的作用。事實證明，這些實驗的操作和展示對學生理解理論知識和掌握專業(yè)知識能起到很好的輔助作用；通過實驗和理論的結合，使得枯燥的課堂變得生動，學生對專業(yè)課程的興趣也有所提高；學生對MATLAB 編程語言掌握水平有很大程度的提高；相對于傳統(tǒng)實驗的試驗箱，這款實驗平臺能起到更好的作用。