基于Matlab的通信原理可視化教學(xué)平臺(tái)

摘 要：本文以推動(dòng)通信原理課程的教學(xué)改革為目標(biāo)，采用Matlab仿真平臺(tái)及Java Web混合編程技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了B/S結(jié)構(gòu)的通信原理可視化輔助教學(xué)平臺(tái)。本平臺(tái)采用在線可調(diào)的典型參數(shù)設(shè)計(jì)方式，提供實(shí)時(shí)在線仿真功能，包括調(diào)制和編碼等復(fù)雜過程的通信流程，以及各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的信號(hào)時(shí)頻域波形的講解等。本平臺(tái)可以輔助通信原理課程的關(guān)鍵概念和主要通信過程，能夠提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，并使學(xué)生能夠更好地對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：通信原理；可視化；教學(xué)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP391.9

通信原理是通信工程、電子信息工程等專業(yè)的一門專業(yè)必修課，其概念多、理論抽象、數(shù)學(xué)和概率知識(shí)要求高。獨(dú)立學(xué)院學(xué)生的數(shù)學(xué)和邏輯能力普遍較弱，自學(xué)能力較差，在學(xué)習(xí)過程中普遍感覺吃力，學(xué)習(xí)效果不明顯。在通信原理教學(xué)過程中，過多強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論分析，無疑使學(xué)生產(chǎn)生畏難心理，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

在當(dāng)前的多媒體教學(xué)中，很多教師只是將課本內(nèi)容搬到屏幕上，一般都是文字說明與公式推導(dǎo)輔以簡(jiǎn)單的圖表說明，沒有從根本上解決該課程直觀性差、趣味性低的缺點(diǎn)[1，2]。

基于以上背景，本文針對(duì)通信原理關(guān)鍵內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了在線參數(shù)可調(diào)的可視化仿真演示，使學(xué)生能夠直觀地觀察信號(hào)在通信過程中的變換及特點(diǎn)。

1 通信原理輔助教學(xué)平臺(tái)分析

本平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是針對(duì)通信原理理論教學(xué)中概念抽象、不易理解的特點(diǎn)，提供可視化的實(shí)時(shí)演示，針對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中情況多變的特點(diǎn)，提供仿真結(jié)果用于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)分析。

1.1 通信原理教學(xué)內(nèi)容?，F(xiàn)行的通信原理理論課課程安排側(cè)重于通信原理的關(guān)鍵基礎(chǔ)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)課側(cè)重于通信流程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)性知識(shí)，其內(nèi)容如圖1。

1.2 Matlab支持下的仿真平臺(tái)流程。本文以Matlab為仿真平臺(tái)，采用Matlab Builder JA和Java Web混合編程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于B/S結(jié)構(gòu)的輔助教學(xué)平臺(tái)。

Matlab和Java Web混合編程的一般流程[5]，通過使用Matlab的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)MCR Installer、Java Web與Matlab Builder JA[3，4，5]的開放接口進(jìn)行交互，把Web界面中的數(shù)據(jù)傳遞給HTTP后臺(tái)服務(wù)；然后這些數(shù)據(jù)依次傳遞給Matweb、Matlab server、Matlab進(jìn)行仿真運(yùn)算；之后，Matlab把運(yùn)算結(jié)果以及圖形返回給HTTP后臺(tái)服務(wù)；最后，HTTP后臺(tái)服務(wù)把數(shù)據(jù)和圖形顯示在Java Web頁(yè)面中。

2 通信原理輔助教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通信原理可視化輔助教學(xué)平臺(tái)主要支持圖1所示的信號(hào)源、模擬信號(hào)數(shù)字化、基帶信號(hào)碼型、數(shù)字調(diào)制和同步技術(shù)等六部分。本系統(tǒng)充分利用Matlab的計(jì)算仿真能力和Java Web的網(wǎng)絡(luò)通信能力及界面顯示，采用Matlab實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算和仿真，解決信號(hào)調(diào)制與解調(diào)中的巨大運(yùn)算量問題，采用Java Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信流程和信號(hào)時(shí)頻波形的顯示，解決數(shù)據(jù)的輸入輸出和效果展示等問題。

2.2 功能設(shè)計(jì)。通信原理知識(shí)點(diǎn)的仿真要求通過可視化、參數(shù)可調(diào)節(jié)的方式，演示信號(hào)在調(diào)制、解調(diào)、編碼過程中的時(shí)頻域波形及其變化。

以模擬調(diào)制（AM）的幅度調(diào)制為例，在如圖2所示的AM調(diào)制頁(yè)面上，提供AM調(diào)制解調(diào)的流程、AM調(diào)制解調(diào)原理的訪問鏈接和調(diào)制解調(diào)過程中的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，顯示AM通信過程中每個(gè)節(jié)點(diǎn)處信號(hào)時(shí)頻域波形。

3 通信原理輔助教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

以AM模擬調(diào)制和基帶信號(hào)碼型為例，說明平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法和效果。

3.1 AM模擬調(diào)制的實(shí)現(xiàn)。按照AM通信流程，在圖2中把信號(hào)的整個(gè)傳輸過程劃分為信源及調(diào)制、信號(hào)的傳輸、相干解調(diào)、非相干解調(diào)、查看頻譜等五個(gè)部分。每部分可以獨(dú)立地顯示相應(yīng)的信號(hào)時(shí)頻域波形，AM仿真提供可調(diào)的參數(shù)選項(xiàng)，并設(shè)置了典型值，包括仿真運(yùn)行時(shí)間、調(diào)制信號(hào)（正弦波）的頻率、載波頻率等四個(gè)可調(diào)參數(shù)及其典型值。

單擊查看頻譜功能，可以查看已調(diào)信號(hào)頻譜，如圖3（a）。在AM已調(diào)信號(hào)傳輸過程中，為已調(diào)信號(hào)添加30dB的隨機(jī)噪聲，如圖3（b）。在AM解調(diào)模塊中，用戶可以選擇“相干解調(diào)”與“包絡(luò)解調(diào)”[6，7，8，9]兩種解調(diào)方法，解調(diào)效果分別如圖3（c）和3（d）。用戶可以通過對(duì)比兩種解調(diào)方法在處理受噪聲干擾已調(diào)傳輸信號(hào)過程中信號(hào)變化的情況，從而對(duì)比并理解兩種解調(diào)方式的特點(diǎn)和性能。

3.2 基帶信號(hào)碼型的實(shí)現(xiàn)?；鶐鬏斚到y(tǒng)對(duì)常用的基帶信號(hào)碼型的編碼規(guī)則與基帶傳輸系統(tǒng)的基本原理[10]進(jìn)行描述，包括單極性非歸零碼、單極性歸零碼、雙極性非歸零碼、雙極性歸零碼、差分碼、數(shù)字雙相碼、傳號(hào)交替反轉(zhuǎn)碼（AMI碼）、三階高密度雙極性碼（HDB3碼）等。例如，HDB3碼是AMI碼的改進(jìn)碼型，輸入碼組中如果出現(xiàn)4個(gè)連“0”，就用特定碼組（取代節(jié)）來替代，這種碼型具有較強(qiáng)檢錯(cuò)能力與較好的抗干擾性能。HDB3有兩種取代節(jié)：B00V與000V，其中B是符合交替規(guī)律的傳號(hào)，V是不符合交替規(guī)律的傳號(hào)（破壞節(jié)）。取代節(jié)的替換規(guī)則要求兩個(gè)破壞節(jié)之間的B是奇數(shù)。圖4給出了碼型變換的界面效果，以在用戶給定的消息碼情況下AMI碼和HDB3碼的編碼情況。

4 結(jié)束語

《通信原理》可視化輔助教學(xué)平臺(tái)是對(duì)通信原理教學(xué)改革的一次實(shí)質(zhì)性的探索。本文通過Matlab和Java Web混合編程技術(shù)，構(gòu)建了基于Matlab的B/S結(jié)構(gòu)可視化仿真演示平臺(tái)。本平臺(tái)用于理論教學(xué)，可以彌補(bǔ)理論講解過程中缺少直觀效果、理論講解過于枯燥的缺點(diǎn)，給教師提供了一個(gè)通信原理知識(shí)講解的輔助手段，同時(shí)為學(xué)生提供了一種與時(shí)俱進(jìn)的學(xué)習(xí)方式。本平臺(tái)還可以用于輔助通信原理實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供直觀的、可驗(yàn)證的仿真結(jié)果，使之與物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)照，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)積極性和實(shí)驗(yàn)效果。通過教學(xué)實(shí)踐表明，采用實(shí)時(shí)可視化地演示方式，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，可以使教與學(xué)達(dá)到事半功倍的教學(xué)效果。在今后的教學(xué)改革中，本平臺(tái)將在用戶體驗(yàn)、網(wǎng)上互動(dòng)等方面進(jìn)行改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐升槐，范勤儒.通信原理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011（01）：65-66.

[2]張鳴，李白萍，殷曉虎.《通信原理》多維教學(xué)的探索實(shí)踐[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2012（S2）：92-94.

[3]程賽.基于Web的通信信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].云南大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)介：苑俊英（1980-），女，講師，碩士，研究方向：數(shù)據(jù)挖掘、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、圖像處理。

作者單位：中山大學(xué)南方學(xué)院 電子通信與軟件工程系，廣州 510970；中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣州 510006

基金項(xiàng)目：廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2013LYM0123）。