數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)的GUI設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周榮花，盧繼華

（北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081）

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展以及仿真軟件的普及，數(shù)字通信原理的教學(xué)內(nèi)容結(jié)合軟硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)，越來(lái)越成為工程類專業(yè)課程教學(xué)的新模式，良好的教學(xué)效果也日益凸顯。基于軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠解決現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的緊缺問題，并能有效降低實(shí)驗(yàn)成本［1－5］。因此，設(shè)計(jì)滿足數(shù)字通信原理課程教學(xué)實(shí)踐需要、功能齊全、靈活移植和擴(kuò)展的數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)更有助于教學(xué)實(shí)踐工作的發(fā)展和提高。

本文使用Matlab的人機(jī)交互圖形用戶接口（Graphical User Interface，GUI）設(shè)計(jì)了友好的圖形界面環(huán)境，采用了Matlab語(yǔ)言編寫 M文件［6－7］。利用GUI建立的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了信道編碼和調(diào)制解調(diào)過(guò)程，且模擬真實(shí)信道引入了噪聲和衰落，并將該軟件應(yīng)用于通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)。教學(xué)實(shí)踐證明本文設(shè)計(jì)的數(shù)字通信原理軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能使學(xué)生加深對(duì)數(shù)字通信原理的掌握，并通過(guò)與數(shù)字通信原理硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試和設(shè)計(jì)結(jié)果相對(duì)比，進(jìn)一步增強(qiáng)了動(dòng)手實(shí)踐的動(dòng)力，從而有效鍛煉了學(xué)生的自主實(shí)踐和設(shè)計(jì)能力。同時(shí)，通過(guò)修改系統(tǒng)的相應(yīng)參數(shù)，可以對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)的理解。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)可作為數(shù)字通信原理教學(xué)實(shí)踐的參考。

1 傳統(tǒng)數(shù)字通信原理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀

1.1 數(shù)字通信原理硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

傳統(tǒng)的數(shù)字通信原理實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是基于數(shù)字通信原理硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展開，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)主要有以下幾個(gè)。

1.1.1 采樣基礎(chǔ)及采樣編碼類實(shí)驗(yàn)

包括：脈沖幅度調(diào)制（pulse amplitude modulation，PAM）、脈沖編碼調(diào)制（pulse code modulation，PCM）、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（adaptive differential pulse code modulation，ADPCM）和連續(xù)可變斜率增量 調(diào) 制 （continuous variable slope delta modulation，CVSD）實(shí)驗(yàn)。

1.1.2 調(diào)制解調(diào)類實(shí)驗(yàn)

包括：移頻鍵控（frequency shift keying，F(xiàn)SK）、二進(jìn)制移相鍵控（binary phase shift keying，BPSK）、差分二進(jìn)制相移鍵控（differential binary phase shift keying，DBPSK）、最小移頻鍵控（minimum shift keying，MSK）、高斯最小頻移鍵控（gaussian minimum shift keying，GMSK）、正 交 相 移 鍵 控 （quadrature phase shift keying，QPSK）、偏移四相相移鍵控（offset quadraphase shift keying，OQPSK）和正交幅度調(diào)制（quadrature amplitude modulation，QAM）實(shí)驗(yàn)。

1.1.3 編碼解碼類實(shí)驗(yàn)

包括：漢明碼實(shí)驗(yàn)、加擾碼實(shí)驗(yàn)、傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼（alternative mark inversion，AMI）／三階高密度雙極性碼（3ndorder high density bipolar，HDB3）碼型變換和傳號(hào)反轉(zhuǎn)碼（coded mark inversion，CMI）碼型變換實(shí)驗(yàn)。

1.1.4 接口類實(shí)驗(yàn)

包括：用戶環(huán)路接口實(shí)驗(yàn)、雙音多頻檢測(cè)實(shí)驗(yàn)、RS442接口實(shí)驗(yàn)和RS232接口實(shí)驗(yàn)。

1.1.5 系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)

包括：IS95擴(kuò)頻系統(tǒng) Walsh碼特性測(cè)量、IS95（CDMA／DS）系統(tǒng)信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)和移動(dòng)衰落信道通信系統(tǒng)綜合測(cè)試。

1.2 數(shù)字通信原理硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面臨的問題

上述數(shù)字通信原理硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)涵蓋了無(wú)線通信領(lǐng)域的常用基礎(chǔ)技術(shù)與實(shí)踐技能、數(shù)字通信原理的核心組成以及與當(dāng)前通信標(biāo)準(zhǔn)密切關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)與技術(shù)，充分體現(xiàn)了原理基礎(chǔ)、工程實(shí)踐、新技術(shù)及系統(tǒng)綜合4個(gè)方面的有機(jī)結(jié)合。所述的通信原理硬件平臺(tái)雖然使用方便，但在實(shí)踐過(guò)程中存在若干問題有待改進(jìn)和提高：

（1）實(shí)驗(yàn)箱中的原理基礎(chǔ)模塊，如采樣原理及模擬鎖相環(huán)實(shí)驗(yàn)采用專有模擬芯片實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)方式較傳統(tǒng)，導(dǎo)致缺乏自主設(shè)計(jì)，且模擬電路容易損壞。

（2）實(shí)驗(yàn)箱中數(shù)字調(diào)制實(shí)驗(yàn)各數(shù)字環(huán)節(jié)處理不透明，尤其是解調(diào)及同步算法的中間結(jié)果無(wú)法測(cè)試和評(píng)估，導(dǎo)致學(xué)生只需按部就班地操作得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而無(wú)法進(jìn)一步深究?jī)?nèi)部原理。

（3）數(shù)字通信原理硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)受芯片容量及其處理能力的制約，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)踐環(huán)節(jié)的拓展空間受限，影響了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提高。

（4）數(shù)字通信原理硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相關(guān)設(shè)備容易受到損壞，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本很高［8］。

鑒于上述的問題，本文使用Matlab自帶的GUI工具開發(fā)數(shù)字通信原理軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與數(shù)字通信原理硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合，提高了學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)及理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，從而提高數(shù)字通信原理課程的教學(xué)效果。

1.3 Matlab GUI的優(yōu)勢(shì)

Matlab功能強(qiáng)大，可以提供可視化的結(jié)果，使用戶能夠以模塊化設(shè)計(jì)的方式完成系統(tǒng)的建模和仿真，便于學(xué)生掌握和使用。采用基于Matlab搭建的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱缺點(diǎn)的同時(shí)，還具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可以與課堂理論匹配，學(xué)生可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)課堂中所學(xué)的知識(shí)，這要求學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)有深入的理解，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀、明了，與理論學(xué)習(xí)相得益彰。

（2）實(shí)驗(yàn)環(huán)境可以是機(jī)房，也可以是學(xué)生自己的電腦，只需要安裝Matlab即可，十分方便、靈活，學(xué)生可以根據(jù)自己的喜好實(shí)現(xiàn)各種不同的功能，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣和積極性。

（3）無(wú)需進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)和購(gòu)買，減輕了實(shí)驗(yàn)成本。

2 數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字通信原理軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括發(fā)送和接收2個(gè)部分。圖1中給出了“數(shù)字通信原理軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”的各個(gè)組成部分［9］。其中虛線框中所示為硬軟件平臺(tái)的相同和擴(kuò)展環(huán)節(jié)。接收端是發(fā)送端的逆過(guò)程，在此沒有展開敘述。其中采樣模塊分為采樣／量化／編碼以及濾波／重構(gòu)2個(gè)部分；編碼和調(diào)制模塊分別包含了常用的信道編碼和調(diào)制，充分?jǐn)U展了數(shù)字通信原理硬件平臺(tái)上的信道編碼和調(diào)制實(shí)驗(yàn)。各模塊構(gòu)造好后，還要注意數(shù)據(jù)能夠從一個(gè)模塊流動(dòng)到下一個(gè)模塊，系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試時(shí)還要對(duì)具體功能的子模塊進(jìn)行修改和完善。

圖1 數(shù)字通信原理軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)框圖

2.2 數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

數(shù)字通信原理軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的界面設(shè)計(jì)采用Matlab軟件中的GUI工具，數(shù)字通信原理軟件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的界面如圖2所示。

圖2 數(shù)字通信原理軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)界面

由圖2可以看出GUI界面除包括圖1中所示的發(fā)送和接收各環(huán)節(jié)，還包含參數(shù)設(shè)計(jì)和顯示環(huán)節(jié)，將各環(huán)節(jié)運(yùn)行結(jié)果從時(shí)頻域多形式顯示出來(lái)。此外，還配有存儲(chǔ)模塊用來(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)通信過(guò)程中的信號(hào)（也可以將臨時(shí)信號(hào)存在文件中）。本軟件系統(tǒng)中的發(fā)送模塊包括采樣、輸入碼序列、信道編碼、數(shù)字調(diào)制和擴(kuò)頻。采樣即按一定間隔對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽取，變?yōu)閿?shù)字序列，并存入文件；輸入碼序列從文件中讀?。恍诺谰幋a主要用來(lái)引入差錯(cuò)控制，這里主要對(duì)CRC碼、卷積碼這2種常見編碼方式進(jìn)行了仿真［10］；調(diào)制包含了不同進(jìn)制的ASK、FSK、PSK、DPSK以及 MSK和QASK，并且將調(diào)制后信號(hào)時(shí)域波形以及功率譜繪制出來(lái)［11］；擴(kuò)頻是用一組高速偽隨機(jī)序列作為信息對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，由于偽隨機(jī)序列速率遠(yuǎn)高于原信號(hào)碼元速率，所以信號(hào)頻率得到擴(kuò)展。擴(kuò)頻通信可以提高抗窄帶干擾的能力，并且可以防止竊聽。

此外，由于不同用戶采用相互正交的不同擴(kuò)譜碼作為相互區(qū)分的依據(jù)，所以多個(gè)用戶可以占用同一個(gè)頻帶，將DS－CDMA原理、GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)中與擴(kuò)頻相關(guān)的技術(shù)加入軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行有效跟蹤［12］。接收模塊主要仿真了對(duì)發(fā)送信號(hào)引入高斯白噪聲的過(guò)程，并分別繪制了引入噪聲后的時(shí)域波形和功率譜，此外，還包括解擴(kuò)、解調(diào)、譯碼、誤碼率分析和采樣恢復(fù)。

3 數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)驗(yàn)證

利用Matlab的GUI設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)時(shí)，按照?qǐng)D1構(gòu)造整體系統(tǒng)，再分模塊編程實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)上大部分的實(shí)驗(yàn)功能，同時(shí)還有許多擴(kuò)展，如編碼部分中的AMI／CMI／HDB3和漢明編碼以及調(diào)制部分中的BASK、BFSK、D／BPSK調(diào)制是硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)的。因此，軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái)的運(yùn)行及測(cè)試波形可以進(jìn)行比對(duì)。

圖3是利用GUI工具產(chǎn)生的FSK波形和實(shí)際硬件平臺(tái)上示波器測(cè)試的FSK圖形對(duì)比。

編碼、調(diào)制、擴(kuò)頻3個(gè)主要環(huán)節(jié)都進(jìn)行了有效擴(kuò)展：其中編碼環(huán)節(jié)增加了奇偶校驗(yàn)碼、循環(huán)碼、BCH碼、RS碼、卷積碼、Turbo碼；調(diào)制環(huán)節(jié)增加了16QAM和256QAM；擴(kuò)頻環(huán)節(jié)增加了擴(kuò)頻碼設(shè)計(jì)。

3.2 數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)各模塊

仿真技術(shù)在通信原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性，提高課程教學(xué)效果。以數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)為例介紹平臺(tái)構(gòu)成的各個(gè)模塊及運(yùn)行過(guò)程。

GUI運(yùn)行后，如果要模擬信源進(jìn)行仿真，則首先點(diǎn)擊“采樣”按鈕，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，并將抽樣結(jié)果存入“＊.txt”格式文件，如果是數(shù)字信源則無(wú)需這一步；點(diǎn)擊“輸入碼序列”按鈕，打開一個(gè)存有數(shù)據(jù)的“＊.txt”格式文件，并將數(shù)據(jù)顯示在相應(yīng)位置；然后選擇合適的信道編碼方式，點(diǎn)擊“信道編碼”按鈕進(jìn)行編碼，并將編碼后信號(hào)顯示在左側(cè)顯示模塊中。源數(shù)字信號(hào)和CRC編碼后信號(hào)如圖4所示，圖4（a）是從文件中讀取輸入碼序列波形圖，圖4（b）是CRC編碼結(jié)果。

接下來(lái)選擇調(diào)制方式并輸入相應(yīng)的參數(shù)，點(diǎn)擊“調(diào)制”按鈕，進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制信號(hào)波形或功率譜顯示出來(lái)（顯示模塊中可選時(shí)域或頻域），如圖5所示。圖5中的調(diào)制方式為FSK調(diào)制，圖5（a）是時(shí)域信號(hào)波形，圖5（b）是其頻譜。

圖4 數(shù)字信源及其CRC信道編碼波形

圖5 BFSK調(diào)制信號(hào)波形及功率譜

然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻，點(diǎn)擊“擴(kuò)頻”按鈕。輸入一個(gè)信噪比值，點(diǎn)擊“噪聲”按鈕，加入噪聲。擴(kuò)頻以及加入噪聲后的波形和頻譜如圖6所示（圖中所加噪聲，其信噪比為5dB）。

再點(diǎn)擊“解擴(kuò)”按鈕可從擴(kuò)頻信號(hào)中恢復(fù)原信號(hào)，然后點(diǎn)擊“解調(diào)”按鈕，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，然后譯碼得到有用信號(hào)，最后將其與輸入信號(hào)進(jìn)行比較。

由圖2中的信號(hào)顯示部分可以看出：發(fā)送端和接收端獲得信息一致，表明解碼、解調(diào)及解擴(kuò)程序正確。整個(gè)傳輸系統(tǒng)的誤碼率通過(guò)統(tǒng)計(jì)也可得出。對(duì)于發(fā)送端產(chǎn)生模擬信源的情況，點(diǎn)擊“恢復(fù)”按鈕可重構(gòu)出原始的模擬信號(hào)，并可將相關(guān)信息存入文件。一次仿真結(jié)束后點(diǎn)擊“清除”按鈕可恢復(fù)至初始狀態(tài)，進(jìn)行下一次仿真。需要結(jié)束時(shí)點(diǎn)擊“退出”按鈕即可退出GUI界面，如圖2所示。

另外需要說(shuō)明的是噪聲雖然在信道中存在，但實(shí)際上是在接收端引入的，所以將引入噪聲這一步歸在接收模塊。在做卷積碼仿真時(shí)，由于所用方法譯碼時(shí)不能將原數(shù)據(jù)全部恢復(fù)，所以需要在編碼時(shí)補(bǔ)零，這樣譯碼得到的才是完整的初始碼序列。這次設(shè)計(jì)的GUI只包含了通信的一些基本步驟，實(shí)際情況要復(fù)雜得多。比如實(shí)際信道中還包括衰減、延遲、多徑、多普勒頻移等很多問題，此外，在接收端還要考慮濾波器設(shè)計(jì)、均衡、同步等問題。

圖6 擴(kuò)頻后信號(hào)時(shí)域波形及功率譜

4 結(jié)論

本文是基于數(shù)字通信系統(tǒng)的基本原理和Matlab交互界面設(shè)計(jì)了主要包含編碼和調(diào)制解調(diào)兩部分的數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)軟件，啟動(dòng)軟件就可以清楚地看到數(shù)字通信系統(tǒng)的各個(gè)部分。整個(gè)界面簡(jiǎn)潔、明了，可以幫助學(xué)生順利掌握課堂所學(xué)的知識(shí)，同時(shí)學(xué)生也可以根據(jù)自己的興趣在本軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，進(jìn)一步拓展自己所學(xué)的知識(shí)；由于Matlab具有優(yōu)良的可移植性和可擴(kuò)展性，隨著學(xué)生學(xué)習(xí)的深入，本軟件的每一個(gè)模塊還可以進(jìn)一步地分離出來(lái)，形成單獨(dú)的一個(gè)整體以供學(xué)生進(jìn)行更加深入的研究；最后，各個(gè)完整的整體還可以連接到本軟件上，形成一個(gè)功能強(qiáng)大的綜合系統(tǒng)。采用軟件的方法可以使學(xué)生對(duì)于整個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)有一個(gè)更清楚的認(rèn)識(shí)，對(duì)于系統(tǒng)中的每一部分及其作用建立一種更加結(jié)構(gòu)化的觀念。

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