陳杰，石魯珍，姚娜

（塔里木大學(xué)信息工程學(xué)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(gè)重要專業(yè)，在電子信息領(lǐng)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(tuán)、服務(wù)新疆為培養(yǎng)目標(biāo)。該專業(yè)主要包括《通信原理》、《信號(hào)與系統(tǒng)》、《通信電子線路》、《數(shù)字信號(hào)處理》、《移動(dòng)通信》、《圖像處理》、《MATLAB 仿真及應(yīng)用》和《語音信號(hào)處理》等課程，這些課程理論性強(qiáng)，公式較多，學(xué)生學(xué)習(xí)理解起來比較困難。另外這些課程都配有一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式是采用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行授課和操作，但是這些設(shè)備價(jià)格昂貴，而且隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)箱更新速度較快，這對(duì)高校來說是一項(xiàng)很大的開支，并且使用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，調(diào)試用時(shí)較長(zhǎng)。本文針對(duì)這一情況，使用MATLAB 的GUI 工具開發(fā)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)囊括了通信工程專業(yè)的五門課程《通信原理》、《信號(hào)與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號(hào)處理》、《圖像處理》和《語音信號(hào)處理》的所有實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不但可以輔助教師理論教學(xué)，對(duì)學(xué)生掌握理論知識(shí)和復(fù)雜的公式有很大的幫助，對(duì)理論課上所學(xué)的抽象的知識(shí)有更加具體、直觀的認(rèn)識(shí)，加深理解，而且在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上相對(duì)于實(shí)驗(yàn)箱在速度方面有很大的優(yōu)勢(shì)，并且對(duì)學(xué)生掌握MATLAB 語言有很大的幫助，一舉三得。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展示

MATLAB 語言是本校通信工程專業(yè)的學(xué)生必須掌握的一門語言，使用該語言編寫的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)學(xué)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(jī)交互界面設(shè)計(jì)工[1]，內(nèi)含所有的GUI 控件，用戶可以使用GUI 提供的控件直接設(shè)計(jì)界面額FIG 文件中，同時(shí)生成M 文件框架，這個(gè)框架中包含了一部分和圖形回調(diào)函數(shù)，提供了管理全局?jǐn)?shù)據(jù)的途徑，并支持自動(dòng)回調(diào)函數(shù)原形。用戶通過修改對(duì)應(yīng)的M 文件函數(shù)實(shí)現(xiàn)指定功能。

圖1 為該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程，主要設(shè)計(jì)了《通信原理》、《信號(hào)與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號(hào)處理》、《數(shù)字圖像處理》和《語音信號(hào)處理》等五門課程的實(shí)驗(yàn)子平臺(tái)。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(shí)驗(yàn)課程，而這些課程的實(shí)驗(yàn)基本上都是由實(shí)驗(yàn)箱來完成，實(shí)驗(yàn)箱的費(fèi)用比較高，而且更新速度較快，這就使得高校由于經(jīng)費(fèi)有限而無法滿足學(xué)生對(duì)知識(shí)的需求。使用MATLAB 軟件來設(shè)計(jì)編寫的該實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)就顯示出來：它不僅能滿足學(xué)生的課程實(shí)驗(yàn)需求，而且在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上學(xué)生可以直接觀察和修改源代碼，這在一定程度上提高了學(xué)生的編程水平；MATLAB 語言是通信及其相關(guān)專業(yè)的必修語言，對(duì)這門語言的掌握程度提高對(duì)學(xué)生的理解能力和動(dòng)手能力都有很好的幫助，對(duì)學(xué)生的就業(yè)以及繼續(xù)教育也能奠定一定的基礎(chǔ)。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)流程圖

1.1 系統(tǒng)主界面

圖2為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主界面，主窗口和各個(gè)按鈕采用函數(shù)語句進(jìn)行編寫。

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該界面的5 個(gè)按鈕都能到達(dá)各自的實(shí)驗(yàn)子平臺(tái)，在使用的時(shí)候右下角的“關(guān)閉”按鈕可以直接關(guān)閉該窗口，使用者也可以直接通過右上角的關(guān)閉符號(hào)來關(guān)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面

1.2 通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

鼠標(biāo)點(diǎn)擊“通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”就可以進(jìn)入《通信原理》課程的實(shí)驗(yàn)子平臺(tái)，圖3 為該平臺(tái)的窗口。

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

圖3 通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)窗口

圖4 2ASK實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

內(nèi)含模擬調(diào)制、數(shù)字基帶信號(hào)、升余弦滾降系統(tǒng)、基帶信號(hào)眼圖、2ASK、2FSK、2PSK、抽樣定理和均勻量化[2]等9 個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中2ASK 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面如圖4 所示。在該界面中，分為四個(gè)區(qū)，在“參數(shù)設(shè)置區(qū)”輸入載波頻率以后，點(diǎn)擊“隨機(jī)數(shù)字基帶信號(hào)”按鈕即可看到輸入信號(hào)及其功率譜密度，點(diǎn)擊“2ASK 信號(hào)”即可觀察2ASK 波形及其功率譜密度圖像。教師和學(xué)生在實(shí)驗(yàn)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(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

信號(hào)與系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)共包括6 個(gè)實(shí)驗(yàn)，如圖5所示，分別為序列基本運(yùn)算、基本信號(hào)產(chǎn)生、LTI 系統(tǒng)的時(shí)域分析、信號(hào)頻域分析、連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的復(fù)頻域分析和離散時(shí)間系統(tǒng)的Z 域分析[3]，包括了本門課程所有的實(shí)驗(yàn)。單擊即可進(jìn)入相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)。

圖5 信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖6 離散時(shí)間系統(tǒng)的Z域分析實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該平臺(tái)的離散時(shí)間系統(tǒng)的Z 域分析實(shí)驗(yàn)如圖6 所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)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(diǎn)擊相應(yīng)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(hào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該課程的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖7 所示。該課程的界面設(shè)計(jì)相對(duì)于前面兩門課程較人性化，在首頁增加了三個(gè)常見函數(shù)和波形展示區(qū)，波形的橫縱坐標(biāo)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(xué)生對(duì)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(gè)大實(shí)驗(yàn)，分別是M 序列的基本運(yùn)算、信號(hào)的產(chǎn)生、離散傅里葉變換、卷積運(yùn)算、數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)和巴特沃斯濾波器[4]。

圖7 數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖8 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)平臺(tái)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)字濾波器的實(shí)驗(yàn)窗口如圖8 所示。在各個(gè)參數(shù)窗口輸入?yún)?shù)之后，點(diǎn)擊相應(yīng)的濾波器按鈕，學(xué)生則可以觀察到濾波器的濾波情況，同時(shí)設(shè)計(jì)多個(gè)濾波器，可以給學(xué)生比較和觀察的空間，這對(duì)理解和記憶專業(yè)知識(shí)有很大的幫助。

1.5 數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)數(shù)字圖像處理的實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行設(shè)計(jì)，共七個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是圖像灰度級(jí)修正、圖像的平濾波、圖像的銳化處理、圖像的統(tǒng)計(jì)特性、方塊編碼、JPEG壓縮編碼和運(yùn)動(dòng)估計(jì)[5]。通過這七個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)生能掌握整門課程的要點(diǎn)和重點(diǎn)。學(xué)生可以變做實(shí)驗(yàn)變理解理論知識(shí)，對(duì)課本中大篇幅的公式推導(dǎo)和理論知識(shí)的理解能起到很好的輔助作用。

圖9 圖像處理課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖10 圖像灰度級(jí)修正的實(shí)驗(yàn)界面

圖10 位該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)圖像灰度級(jí)修正的實(shí)驗(yàn)界面，該界面主要包括兩部分，左邊為實(shí)驗(yàn)區(qū)，右邊為說明區(qū)。能實(shí)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(tái)，教師和學(xué)生通過點(diǎn)擊各個(gè)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(tái)總結(jié)出參數(shù)對(duì)圖片起到的影響，最后加深學(xué)生對(duì)均衡的認(rèn)識(shí)和理解。

1.6 語音信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根據(jù)《語音信號(hào)處理》課程的需求設(shè)置了六個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是語音信號(hào)的短時(shí)間分析、同態(tài)分析、線性分析、基音估計(jì)、語音合成和語音增強(qiáng)[6]。這六個(gè)實(shí)驗(yàn)貫穿本門課程，對(duì)學(xué)生的理解和記憶專業(yè)術(shù)語起到很好的輔助效果。

圖11 語音信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖12 語音增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖12 位該門課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的“語音增強(qiáng)”實(shí)驗(yàn)界面，該實(shí)驗(yàn)中可以通過“原始信號(hào)”按鈕選擇一個(gè)語音信號(hào)、觀察其波形和聽到該段語音；通過“語音加噪”按鈕可以對(duì)原始信號(hào)進(jìn)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(qiáng)”按鈕可以觀察語音增強(qiáng)之后的波形、聽到增強(qiáng)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(duì)學(xué)生理解語音的增強(qiáng)技術(shù)有很好的幫助，在提高學(xué)生對(duì)課程的感興趣程度方面也有很好的幫助。

1.7 平臺(tái)通用化

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過一定的步驟可以轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行安裝文件EXE 格式，在沒有安裝MATLAB 的計(jì)算機(jī)上仍然可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。

2 結(jié)語

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(gè)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)看似獨(dú)立又相互相關(guān)，一門知識(shí)的掌握對(duì)后面課程的學(xué)習(xí)都能起到積極的作用。事實(shí)證明，這些實(shí)驗(yàn)的操作和展示對(duì)學(xué)生理解理論知識(shí)和掌握專業(yè)知識(shí)能起到很好的輔助作用；通過實(shí)驗(yàn)和理論的結(jié)合，使得枯燥的課堂變得生動(dòng)，學(xué)生對(duì)專業(yè)課程的興趣也有所提高；學(xué)生對(duì)MATLAB 編程語言掌握水平有很大程度的提高；相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)箱，這款實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能起到更好的作用。