基于GUI 的通信原理輔助教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

雷錫騫，胥田田，包理群，金 慧

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州工業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

通信原理課程是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)非常重要的專(zhuān)業(yè)課，具有概念抽象、理論性強(qiáng)、與實(shí)踐聯(lián)系緊密等特點(diǎn)[1-2]，目前對(duì)該門(mén)課程的安排，各院校一般都是理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合。課堂講授以理論知識(shí)、公式推導(dǎo)為主，傳統(tǒng)的先課堂理論后實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的授課方式將理論和實(shí)踐教學(xué)隔離，學(xué)生難以獲得直觀理解，不能學(xué)以致用，容易失去學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)力[3-4]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生很難深入理解編碼、抽樣等技術(shù)原理，且教學(xué)更多地依賴(lài)于硬件實(shí)驗(yàn)箱，一方面開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是指定的，學(xué)生按部就班進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，難以深層次地提升實(shí)踐創(chuàng)新能力；另一方面實(shí)驗(yàn)箱和示波器調(diào)試觀測(cè)導(dǎo)致學(xué)生“知其然，而不知其所以然”，影響教學(xué)效果[5-6]。因此，開(kāi)發(fā)師生能夠共同操作、輔助課堂教學(xué)的通信原理演示平臺(tái)非常必要。

近年來(lái)，高校在推動(dòng)課程課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方面的探索、改革與實(shí)踐取得了豐碩成果。李博[7]結(jié)合LabVIEW促進(jìn)課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革，提升學(xué)生對(duì)于課程內(nèi)容的理解程度，理論聯(lián)系實(shí)際并加以應(yīng)用，提升實(shí)踐能力，滿(mǎn)足社會(huì)對(duì)應(yīng)用型人才的需求。傅志中等人[8]通過(guò)構(gòu)建“實(shí)踐問(wèn)道、知行合一”的挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，以培養(yǎng)目標(biāo)為基準(zhǔn)，構(gòu)建以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，明確實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；實(shí)際效果表明，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高協(xié)作能力，使學(xué)生具備解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。李文瑞等人[9]為促進(jìn)教學(xué)中學(xué)生對(duì)復(fù)雜公式的理解，設(shè)計(jì)MATLAB/GUI 仿真演示平臺(tái)，以MIMO 系統(tǒng)信道容量為例，有效地補(bǔ)充了傳統(tǒng)教學(xué)手段，達(dá)到輔助教學(xué)的作用。課程選用的教材是張輝、曹麗娜主編的《現(xiàn)代通信原理與技術(shù)》（第四版），根據(jù)教材內(nèi)容進(jìn)行輔助教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)[10]。

1 輔助教學(xué)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

輔助教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)主要利用MATLAB GUI 的可視化設(shè)計(jì)功能。首先利用編輯面板上的組件、菜單工具、界面設(shè)計(jì)等工具完成操作界面的總體布局，再通過(guò)回調(diào)函數(shù)的編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)界面中窗口、菜單、對(duì)話框等圖形元素的功能，最后對(duì)界面中各模塊逐項(xiàng)進(jìn)行功能檢測(cè)，測(cè)試并調(diào)整輔助平臺(tái)實(shí)際應(yīng)用的可行性。

該輔助教學(xué)平臺(tái)需要幾個(gè)GUI 界面之間互相調(diào)用。首先設(shè)置登錄界面，在登錄界面中輸入相應(yīng)的賬號(hào)、密碼再進(jìn)入，人機(jī)界面友好，軟件安全性較高；其次在輔助教學(xué)平臺(tái)中將理論與實(shí)踐充分結(jié)合，相輔相成，引導(dǎo)學(xué)生選擇“課堂教學(xué)”或“實(shí)踐操作”進(jìn)行功能演示，實(shí)現(xiàn)不同GUI 之間的調(diào)用；最后在兩種功能對(duì)應(yīng)的窗口中，設(shè)計(jì)課堂教學(xué)或?qū)嶒?yàn)操作的功能執(zhí)行區(qū)，結(jié)合回調(diào)函數(shù)進(jìn)行參數(shù)輸入、按鈕點(diǎn)擊等操作?；谏鲜鲈瓌t和步驟，本文根據(jù)實(shí)際需要對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖1 所示，登錄界面及功能選擇界面如圖2 所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程

圖2 登錄界面及功能選擇界面

2 功能設(shè)計(jì)

2.1 輔助課堂教學(xué)模塊

使用者通過(guò)賬號(hào)密碼登錄進(jìn)入功能選擇界面，點(diǎn)擊“課堂教學(xué)”按鈕進(jìn)入輔助課堂教學(xué)界面。該模塊包括信息量的計(jì)算、連續(xù)信道容量的計(jì)算、數(shù)字通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)的計(jì)算，主要應(yīng)用eval（）函數(shù)獲取可編輯文本中輸入的內(nèi)容，點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，并通過(guò)set（）函數(shù)在對(duì)應(yīng)的文本框中顯示計(jì)算結(jié)果。在信息量計(jì)算中，可實(shí)現(xiàn)信息量及平均信息量的計(jì)算；在信道容量計(jì)算中，根據(jù)輸入帶寬及信噪比，計(jì)算并顯示連續(xù)信道容量結(jié)果；在通信系統(tǒng)主要性能指標(biāo)計(jì)算中，劃分為有效性和可靠性計(jì)算，如計(jì)算有效性，輸入碼元長(zhǎng)度10-4s，進(jìn)制數(shù)M=2，分別點(diǎn)擊“碼元傳輸速率RB(B)”和“信息傳輸速率Rb(b/s)”按鈕，顯示計(jì)算結(jié)果分別為104 B 和104 b/s，既能讓學(xué)生通過(guò)輔助教學(xué)平臺(tái)驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，將課程知識(shí)點(diǎn)整合到GUI 界面中，使碎片化的知識(shí)連成系統(tǒng)化的知識(shí)體系，又能引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注知識(shí)點(diǎn)的承接關(guān)系，幫助學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，使學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)中能觸類(lèi)旁通。通過(guò)課堂輔助教學(xué)功能，有效激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新熱情，培養(yǎng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生應(yīng)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐的熱情，促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與應(yīng)用研發(fā)互動(dòng)互促。課堂教學(xué)演示界面如圖3 所示。

圖3 課堂教學(xué)演示界面

2.2 實(shí)驗(yàn)操作模塊

使用者點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)操作”按鈕進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作界面，該界面包括模擬調(diào)制、數(shù)字基帶傳輸過(guò)程中的碼型變換、數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)二進(jìn)制調(diào)制解調(diào)、模擬信號(hào)數(shù)字化。在碼型變換中，在可編輯文本框中輸入矩陣形式的消息代碼，如“[1 0 0 0 0 1 0 0 1]”，分別點(diǎn)擊“AMI 編碼”和“HDB3 編碼”按鈕，在圖形窗口顯示消息代碼、編碼、譯碼結(jié)果。實(shí)驗(yàn)操作界面如圖4 所示，測(cè)試結(jié)果如圖5 所示，測(cè)試結(jié)果與理論相符，學(xué)生可直觀地觀察AMI 和HDB3 編譯碼過(guò)程，驗(yàn)證編譯碼規(guī)則，理解兩種方式的異同，鞏固課堂教學(xué)效果。

圖4 實(shí)驗(yàn)操作演示界面

圖5 AMI 及HDB3 編譯碼測(cè)試結(jié)果

在模擬調(diào)制過(guò)程中，以幅度調(diào)制（AM）信號(hào)為例進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)輸入直流分量為2、載波頻率為1 kHz 時(shí)，點(diǎn)擊“幅度調(diào)制（AM）”按鈕，在彈出的圖形窗口中顯示調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)、解調(diào)信號(hào)波形及頻譜，如圖6 所示，測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果相符。

圖6 幅度調(diào)制測(cè)試結(jié)果

在數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)中，以二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）調(diào)制解調(diào)為例，消息代碼通過(guò)可編輯文本框以矩陣形式輸入，如“[1 0 0 0 1 0 0 0 1 1]”，點(diǎn)擊“2ASK”按鈕后，在圖形窗口中顯示基帶信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)波形，與理論結(jié)果相符；再在已調(diào)信號(hào)的基礎(chǔ)上，添加隨機(jī)噪聲，按照相干解調(diào)法進(jìn)行解調(diào)，與本地載波相乘后進(jìn)行抽樣判決，得到抽樣判決后的波形如圖7 所示，與理論結(jié)果相符。數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)的研究是以數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，通過(guò)輔助教學(xué)系統(tǒng)的演示，引導(dǎo)學(xué)生溫故知新、理論聯(lián)系實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生有目標(biāo)、有方法、有條理地進(jìn)行課程學(xué)習(xí)的能力。

圖7 2ASK 調(diào)制解調(diào)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

通信原理輔助教學(xué)平臺(tái)可作為傳統(tǒng)課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充，在日常課程建設(shè)和課程教學(xué)中落實(shí)應(yīng)用。使用者可通過(guò)該平臺(tái)直觀觀測(cè)波形并對(duì)理論進(jìn)行驗(yàn)證，或在此基礎(chǔ)上對(duì)GUI 界面功能進(jìn)行擴(kuò)展，既可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，也可促使學(xué)生從知識(shí)學(xué)習(xí)向能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力的雙重提高。