路涵銘 孟令輝 李永樂 于平 孫如英

摘? 要：為提高通信原理課程的學(xué)習(xí)效果，充分鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，采用MATLAB GUI開發(fā)工具設(shè)計(jì)一套可視化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、數(shù)字基帶傳輸和模擬信號(hào)數(shù)字化等功能模塊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可視化操作界面能提升學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)的基本原理和模型的理解力，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。該仿真平臺(tái)使用方便、可靠性強(qiáng)，可作為傳統(tǒng)教學(xué)的有益補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；通信原理；圖形用戶界面（GUI）；數(shù)字化；頻率

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）08-0106-04

Abstract： In order to improve the learning effect of the communication principle course and fully exercise the students' experimental ability， a visual virtual simulation experiment platform is designed by using MATLAB GUI development tools. The platform can realize the experimental teaching of analog modulation， digital modulation， digital baseband transmission， analog signal digitization and other functional modules， and the visual operation interface can improve students' understanding of the basic principles and models of the communication system. Improve students' interest in learning. The simulation platform is easy to use and reliable， and can be used as a useful supplement to traditional teaching.

Keywords： virtual simulation; communication principle; graphical user interface （GUI）; digitization; frequency

通信原理是電子信息工程專業(yè)的專業(yè)核心課程。本課程內(nèi)容豐富，知識(shí)體系繁雜，邏輯性、原理性、綜合性強(qiáng)，抽象概念多，對(duì)于教和學(xué)都有一定的難度。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為一種新型的教育教學(xué)工具用來輔助教學(xué)，可以提高學(xué)生的理解力和學(xué)習(xí)積極性，結(jié)合操作性實(shí)驗(yàn)可有效提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[1-3]。

本文以MATLAB GUI為開發(fā)工具，設(shè)計(jì)了一款可視化的通信原理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)包含模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、數(shù)字基帶傳輸和模擬信號(hào)數(shù)字化等功能模塊，可以更加形象直觀地展示通信系統(tǒng)的基本原理和基本概念，幫助學(xué)生理解和體會(huì)抽象難懂的物理概念和理論公式，以此提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。

1? 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、數(shù)字基帶傳輸和模擬信號(hào)數(shù)字化4個(gè)模塊，對(duì)應(yīng)通信原理這門課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，平臺(tái)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示[4]，該平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為主模塊和子模塊，在完成子模塊的設(shè)計(jì)之后，先對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行調(diào)試仿真，確保無誤后將子模塊加到主模塊當(dāng)中，由主模塊對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行調(diào)用。平臺(tái)主界面如圖2所示，每個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)各子模塊，可以跳轉(zhuǎn)進(jìn)入任意子模塊中。

以數(shù)字基帶傳輸模塊為例，創(chuàng)建MATLAB GUI子界面。每個(gè)子界面以坐標(biāo)窗口、彈出框、按鍵和動(dòng)態(tài)文本框等為基本部分，并根據(jù)需要對(duì)其屬性進(jìn)行設(shè)置[5]，其編輯界面如圖3所示。

2? 系統(tǒng)測(cè)試

2.1? 模擬調(diào)制模塊

該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，調(diào)制方式包含幅度調(diào)制AM、DSB、SSB、VSB和頻率調(diào)制FM，其調(diào)制方式的選擇通過下拉菜單進(jìn)行。通過設(shè)定基帶信號(hào)及載波信號(hào)的幅度和頻率，調(diào)制指數(shù)，可以輸出基帶信號(hào)、載波、已調(diào)信號(hào)和相干解調(diào)信號(hào)的時(shí)域和頻域圖像。

以AM調(diào)制與解調(diào)為例進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，AM調(diào)幅信號(hào)由原始基帶信號(hào)m（t）疊加一個(gè)直流量A0后與載波信號(hào)相乘形成，其調(diào)制指數(shù)等于|m（t）|max與A0的比值。AM信號(hào)的解調(diào)使用相干解調(diào)方式，其調(diào)制解調(diào)框圖如圖4所示。

當(dāng)輸入基帶振幅為2，基帶頻率為5 Hz，載波頻率為100 Hz，調(diào)幅指數(shù)為0.5時(shí)，通過點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，得到基帶信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)及相干解調(diào)信號(hào)的波形及頻譜，如圖5所示，顯然測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果相符。

2.2? 數(shù)字調(diào)制模塊

該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，通過下拉式菜單可以對(duì)2ASK、2PSK、2FSK和2DPSK 4種實(shí)驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行選擇。當(dāng)切換實(shí)驗(yàn)信號(hào)時(shí)，需要重新生成基帶信號(hào)，同一實(shí)驗(yàn)信號(hào)下可不用重復(fù)生成基帶信號(hào)。數(shù)字調(diào)制中的基帶信號(hào)均為二進(jìn)制隨機(jī)碼，載波信號(hào)均為余弦信號(hào)。其中，頻譜圖按鍵可以生成調(diào)制解調(diào)中部分流程產(chǎn)生的信號(hào)頻譜，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。

設(shè)置序列長度為10，載波頻率為1 000 Hz，載波幅度為1，2FSK調(diào)制方式時(shí)系統(tǒng)的輸出結(jié)果如圖6所示。其中，2FSK信號(hào)的第二個(gè)載頻的頻率為設(shè)定載波頻率的4倍，即為4 000 Hz。通過調(diào)節(jié)本模塊的參數(shù)，可以觀察不同調(diào)制方式下調(diào)制信號(hào)的波形，深入理解數(shù)字調(diào)制的概念，同時(shí)可以觀察通信過程中不同環(huán)節(jié)信號(hào)的頻譜，彌補(bǔ)了操作性實(shí)驗(yàn)由于缺少頻譜分析儀無法觀察信號(hào)頻域特性的缺陷。

2.3? 數(shù)字基帶傳輸模塊

數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，由信源、發(fā)送/接收濾波器、噪聲和抽樣判決幾部分構(gòu)成?；鶐鬏斚到y(tǒng)模塊中用到的信源有單極性歸零碼、雙極性歸零碼、單極性非歸零碼和雙極性非歸零碼4種形式的信號(hào)，點(diǎn)擊相應(yīng)文字按鈕即生成其信號(hào)波形和功率譜。發(fā)送和接收濾波器選擇理性低通、升余弦濾波器、平方根升余弦濾波器3種形式，點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕即可生成發(fā)送濾波器和接收濾波器的波形和眼圖。點(diǎn)擊抽樣判決按鈕，彈出抽樣判決界面即可進(jìn)行抽樣判決。

選擇單極性歸零碼，滾降系數(shù)為0.5，升余弦濾波器時(shí)，其基帶信號(hào)波形和頻譜圖、加入噪聲和不加入噪聲的發(fā)送和接收濾波器輸出信號(hào)波形圖分別如圖8（a）、圖8（b）所示。信噪比為20 時(shí)，抽樣判決輸出信號(hào)波形如圖8（c）所示。從圖8（b）可以看出，有噪聲時(shí)，信號(hào)的眼圖變得比較雜亂、模糊。

（a）? 滾降系數(shù)0.5，不加入噪聲，選擇升余弦濾波器示意圖

（b）? 滾降系數(shù)0.5，加入噪聲，選擇升余弦濾波器示意圖

（c）? 信噪比為20時(shí)的抽樣判決

2.4? 模擬信號(hào)數(shù)字化模塊

模擬信號(hào)數(shù)字化是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字信號(hào)的方法，也稱為脈沖編碼調(diào)制（PCM），其原理框圖如圖9所示。

在發(fā)送端，對(duì)輸入的模擬信號(hào)m（t）進(jìn)行抽樣、量化、編碼。編碼后的PCM信號(hào)是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字序列，其傳輸方式可以采用數(shù)字基帶傳輸，也可以是對(duì)載波調(diào)制后的帶通傳輸。在接收端，PCM信號(hào)經(jīng)譯碼后還原為量化值序列（含有誤差），再經(jīng)低通濾波器濾除高頻分量，便可得到重建的模擬信號(hào)■（t）。

該模塊的界面設(shè)置及測(cè)試結(jié)果如圖10所示，輸入頻率、幅度、采樣率之后，分別點(diǎn)擊plot、抽樣、量化可以生成原始信號(hào)圖像、原始信號(hào)的抽樣圖像、量化信號(hào)圖像；點(diǎn)擊非均勻量化按鈕生成A律壓縮后的信號(hào)圖像、A律壓縮后的抽樣值和量化值對(duì)比圖、A律壓縮后的誤差分析圖；點(diǎn)擊PCM編碼生成均勻量化后的PCM編碼圖，同時(shí)生成編碼失真度數(shù)據(jù)；點(diǎn)擊譯碼按鈕生成PCM編碼之后的譯碼圖。本模塊圖形結(jié)果有助于學(xué)生理解A律非均勻量化的概念，研究不同采樣率下信號(hào)的量化誤差和失真度。

3? 結(jié)束語

通信原理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)容涵蓋了課程的重要原理和概念，人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)友好、操作方便、形象直觀，能夠?qū)νㄐ旁碚n堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到較好的輔助作用。通過該平臺(tái)，學(xué)生可以簡單便捷地輸入或調(diào)節(jié)仿真實(shí)驗(yàn)的參數(shù)，觀察波形、頻譜等輸出結(jié)果，從而將抽象難懂的理論變得直觀可見，加深對(duì)通信原理基本概念和基本原理的理解及掌握。

參考文獻(xiàn)：

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