《通信原理》實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教學(xué)中的應(yīng)用

陳杰，姚娜，呂海芳

（1.塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院通信工程系，阿拉爾843300；2.塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)算機(jī)系，阿拉爾843300）

0 引言

各高校針對(duì)通信工程及相關(guān)專業(yè)開設(shè)的《通信原理》課程不但實(shí)用性強(qiáng)，而且涉及面非常廣闊，該課程對(duì)通信電子類學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)非常重要[1]。但是，教師在《通信原理》課程授課過(guò)程中，容易出現(xiàn)因理論知識(shí)深?yuàn)W、公式復(fù)雜而導(dǎo)致的學(xué)生接受困難的現(xiàn)象[2]。而此課程的實(shí)驗(yàn)部分，一般都是在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行，這就造成了實(shí)驗(yàn)課和理論課分離授課的現(xiàn)象，而且通信原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、折舊速度快、維護(hù)費(fèi)用較高[3]。為此，利用MATLAB 各種函數(shù)庫(kù)和GUI 圖形界面設(shè)計(jì)一款實(shí)驗(yàn)軟件。教師可以利用該軟件進(jìn)行輔助教學(xué)和實(shí)驗(yàn)演示，使課堂講授與仿真軟件相結(jié)合，不僅能達(dá)到更好的教學(xué)效果。而且對(duì)于一些較難講解的內(nèi)容、一些抽象的概念、難以觀察的某些現(xiàn)象及發(fā)展過(guò)程，利用MATLAB的計(jì)算功能和圖形處理功能，可使其準(zhǔn)確、形象、直觀地表現(xiàn)出來(lái)，從而加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，起到了事半功倍的教學(xué)效果[4]。

MATLAB 中的GUI 即圖形用戶界面，是Graphical User Interface 簡(jiǎn)稱，是由各種圖形對(duì)象，如圖形窗口、圖軸、菜單、按鈕、文本框等構(gòu)建的用戶界面,是人機(jī)交互的有效工具和方法[5]。用戶通過(guò)GUIDE 可以很方便地設(shè)計(jì)出各種符合要求的圖形用戶界面，給人非常直觀、清晰易懂的特點(diǎn)，在界面設(shè)計(jì)上被廣泛采用[6]。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展示

本系統(tǒng)是基于MATLAB 的GUI 進(jìn)行設(shè)計(jì)的，MATLAB 是通信類專業(yè)學(xué)生必須掌握的一門語(yǔ)言，學(xué)生在操作方面有一定的基礎(chǔ)，相對(duì)于實(shí)驗(yàn)箱更容易接受。在通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)每個(gè)子系統(tǒng)時(shí)，都需要遵循以下步驟：

（1）GUI 界面設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)配套的《通信原理》書籍，針對(duì)需要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)并手動(dòng)繪制草圖；然后使用MATLAB 自帶的用戶界面開發(fā)環(huán)境GUI 提供的眾多對(duì)象創(chuàng)建出用戶所需要的圖形用戶界面，將設(shè)計(jì)好的主界面和各個(gè)子界面都制作出來(lái)；最后，對(duì)界面進(jìn)行對(duì)象排列、間距調(diào)整、界面美化以及背景設(shè)置。

（2）界面中各個(gè)對(duì)象的回調(diào)函數(shù)的設(shè)計(jì)。根據(jù)前面所設(shè)計(jì)好的圖形用戶界面，對(duì)各個(gè)對(duì)象分別進(jìn)行程序和函數(shù)回調(diào)，讓界面能夠?qū)崿F(xiàn)之前所設(shè)計(jì)的各個(gè)功能。

根據(jù)上述原則和步驟，本文根據(jù)實(shí)際需要對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了界面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

該系統(tǒng)主要由1 個(gè)一級(jí)界面、四個(gè)二級(jí)子界面和10 個(gè)三級(jí)子界面組成。在該系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)主界面對(duì)各子界面的調(diào)用，各個(gè)子界面也能夠通過(guò)相關(guān)的按鈕逐步返回到主界面。本系統(tǒng)平臺(tái)基本包括了《通信原理》課程所需要的所有的必做實(shí)驗(yàn)。

1.1 系統(tǒng)主界面

主界面的設(shè)計(jì)中，主要選取了一個(gè)“List box”對(duì)象，添加一個(gè)“Push Button”對(duì)象。其中，把“List box”里面的String 改為四個(gè)二級(jí)子界面的名字：模擬調(diào)制、數(shù)字基帶傳輸、數(shù)字頻帶傳輸、模擬信號(hào)的數(shù)字化；在“Push Button”對(duì)象的屬性中，F(xiàn)ontSize 設(shè)置為10，String 改為“結(jié)束系統(tǒng)”；設(shè)計(jì)并添加背景圖片，運(yùn)行后界面如圖2所示。

圖2 《通信原理》實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面

1.2 模擬調(diào)制子系統(tǒng)

本子部分要實(shí)現(xiàn)的功能為在圖形界面輸入各參數(shù)，輸出該時(shí)段的信號(hào)波形、解調(diào)信號(hào)與輸入信號(hào)的比較和信號(hào)功率譜。本界面設(shè)計(jì)了一個(gè)說(shuō)明部分，里面對(duì)調(diào)制和解調(diào)參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的說(shuō)明，對(duì)于理論知識(shí)不牢固的學(xué)生起到提醒和注釋的作用；幅度調(diào)制區(qū)有載波信號(hào)、調(diào)制信號(hào)、DSB-SC 信號(hào)、AM 信號(hào)、VSB 信號(hào)、和SSB 上邊帶信號(hào)，幅度調(diào)制區(qū)的參數(shù)手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)框，進(jìn)行設(shè)置以后，通過(guò)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鈕可以在左邊的圖區(qū)看到相應(yīng)的圖形；角度調(diào)制區(qū)設(shè)置了調(diào)頻信號(hào)的按鈕，對(duì)角度參數(shù)設(shè)置之后，可以通過(guò)此按鈕在左邊對(duì)應(yīng)的圖形區(qū)域查看相應(yīng)的調(diào)頻曲線；左下角的返回按鈕可以直接回到系統(tǒng)主界面。圖3 所示為設(shè)置了參數(shù)之后的顯示SSB 相關(guān)信號(hào)的波形模擬調(diào)制子系統(tǒng)的界面。

圖3 模擬調(diào)制系統(tǒng)

1.3 基帶信號(hào)調(diào)制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在該子系統(tǒng)中，分為基帶信號(hào)眼圖、升余弦滾降系統(tǒng)和數(shù)字基帶信號(hào)三個(gè)子界面。如圖4 所示。在基帶信號(hào)眼圖界面中，通過(guò)區(qū)域已可以觀察滾將系數(shù)為1的基帶信號(hào)及其眼圖；在區(qū)域2 中進(jìn)行了精簡(jiǎn)的說(shuō)明提按鈕示信息，并可以設(shè)置兩路濾波器，通過(guò)點(diǎn)擊本區(qū)的“眼圖”按鈕，可以觀看經(jīng)過(guò)兩路濾波之后的眼圖。在升余弦滾降系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一個(gè)參數(shù)區(qū)，可以同時(shí)輸入兩個(gè)滾降系數(shù)，通過(guò)“輸出”按鈕可以輸出升余弦滾降頻譜和波形；如果不輸入滾降系數(shù)，就會(huì)以系數(shù)為0的方式輸出滾降波形及其頻譜。在所設(shè)計(jì)的數(shù)字基帶信號(hào)系統(tǒng)中，手動(dòng)輸入信號(hào)抽樣值（量化單位），通過(guò)點(diǎn)擊單極性不歸零碼（NRZ）、單極性歸零碼（RZ）、雙極性不歸零碼（BNRZ）和雙極性歸零碼（BNZ）相關(guān)按鈕就可以在對(duì)應(yīng)的圖形窗口觀察波形，抽樣值所對(duì)應(yīng)的PCM 編碼值也在相應(yīng)的窗口生成。為了讓學(xué)生能更好更直觀地理解實(shí)驗(yàn)過(guò)程里面添加一部分說(shuō)明信息，這部分也可以根據(jù)授課需要添加實(shí)驗(yàn)報(bào)告的整個(gè)過(guò)程和理論說(shuō)明。

圖5 圖6 和圖7 分別為基帶信號(hào)眼圖、升余弦滾降系統(tǒng)和數(shù)字基帶信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)行界面。

圖5 基帶信號(hào)眼圖界面

圖6 升余弦滾降系統(tǒng)界面

圖7 數(shù)字基帶信號(hào)系統(tǒng)界面

1.4 數(shù)字頻帶傳輸子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字頻帶信號(hào)也稱數(shù)字調(diào)制信號(hào)，它的信號(hào)頻譜一般為帶通型的，主要適應(yīng)于帶通信號(hào)信道中傳輸[5]。此處主要對(duì)2ASK、2FSK、2PSK 進(jìn)行了子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

在2ASK 的設(shè)計(jì)界面，對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行說(shuō)明，學(xué)生可以很直觀地了解到載波頻率對(duì)整個(gè)載波起到什么樣的影響；在參數(shù)設(shè)置區(qū)，學(xué)生通過(guò)輸入?yún)?shù)載波頻率來(lái)查看輸出輸入信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的功率譜密度波形、2ASK信號(hào)以及其對(duì)應(yīng)的功率譜密度波形。2PSK 與2ASK設(shè)計(jì)界面完全一樣，內(nèi)部關(guān)聯(lián)函數(shù)稍有區(qū)別。在2FSK的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，“2FSK”按鈕能直接觀察基帶及其反碼的波形，通過(guò)在“參數(shù)設(shè)置區(qū)”設(shè)置兩路參數(shù)，可以觀察原碼及其反碼、兩路載波和2FSK 的波形；另外在“說(shuō)明”區(qū)對(duì)兩路載波進(jìn)行了說(shuō)明。

圖8 數(shù)字頻帶傳輸子系統(tǒng)界面

圖9 2ASK調(diào)制子系統(tǒng)界面

圖10 2PSK調(diào)制系統(tǒng)界面

圖11 2FSK調(diào)制系統(tǒng)界面

1.5 模擬信號(hào)的數(shù)字化子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)的數(shù)字化子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了抽樣和非均勻量化。在抽樣子系統(tǒng)，輸入低通信號(hào)的幅度、頻率和抽樣速度，就可以在繪圖區(qū)觀察到原始信號(hào)、抽樣信號(hào)和抽樣恢復(fù)信號(hào)的波形。在非均勻量化子系統(tǒng)，對(duì)量化區(qū)間和壓縮特性進(jìn)行了說(shuō)明，通過(guò)“輸出”按鈕，可以觀察A 律和U 律壓縮特性曲線。圖12-14 分別為數(shù)字化子系統(tǒng)界面、抽樣定理仿真界面和非均勻量化界面。

圖12 模擬信號(hào)的數(shù)字化子系統(tǒng)

圖13 抽樣界面

圖14 非均勻量化界面

1.6 平臺(tái)通用化

此平臺(tái)建立后通過(guò)一定的步驟可將其轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行安裝文件EXE 格式，在沒(méi)有安裝MATLAB 的計(jì)算機(jī)上仍然可以進(jìn)行演示。

2 結(jié)語(yǔ)

此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基本囊括了學(xué)生通過(guò)通信原理試驗(yàn)箱所要完成的所有實(shí)驗(yàn)，并且可以根據(jù)需要可以隨時(shí)增加實(shí)驗(yàn)。事實(shí)證明，基于MATLAB GUI 的通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加入實(shí)際教學(xué)中解決了通信原理課程實(shí)驗(yàn)完全依賴實(shí)驗(yàn)箱的現(xiàn)狀，對(duì)學(xué)生理解理論知識(shí)起到很好的輔助作用；由于系統(tǒng)所展示的波形和曲線比實(shí)驗(yàn)箱直觀和可操作性，更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且節(jié)省時(shí)間也節(jié)省力氣；通過(guò)分析程序代碼，對(duì)學(xué)生本編程興趣和編程能力也有一定的提高，得到教師和學(xué)生的一致認(rèn)可。