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摘要：由于“通信原理”课程概念抽象复杂、系统性强以及大多数学生数学基础比较薄弱等原因导致教学效果不理想和学生积极性不高。为了解决这些问题，基于Matlab GUI设计了一个“通信原理”课程辅助教学系统，以交互的方式对课程中的重点和难点进行图形化演示，直观形象地反映信号处理过程，同时在每个用户图形面学生可以自行设置和修改参数，大大加深学生对概念的理解，提高动手能力，改善理论和实验教学效果。
关键词：通信原理；辅助教学系统；MATLAB；图形用户界面
本文引用格式：郭常盈，等.《通信原理》课程辅助教学系统的设计及在教学中的应用[J].教育现化,2019,6(24):146-150.
一前言
“通信原理”是电子与通信类专业的核心课程，但该课程不仅概念抽象、原理复杂，且许多学生前修课程基础知识薄弱或缺乏，导致教学效果不理想，学生也逐渐对学习失去信心；另外，目前该课程实验项目主要通过试验箱做一些验证性实验，实验设备短缺、实验内容单一。此外实验装置的长期实用性和老化,使得实验结果与理论分析不一致,甚至出现异常，这些造成了实验教学困难[1]。为了解决这些问题，利用Matlab提供的工具箱Toolbox和用户图形界面向导GUIDE设计出课程辅助教学系统。该系统一方面可以作为辅助教学平台，运用到教学环节中，能够以直观的方框图方式模拟仿真通信信号现的主要功能来确定系统结构。本文基于Matlab开发环境，分析不同版本“通信原理”课程教材，整理出典型的重点和难点内容作为平台设计的对象，利用其可视化用户界面GUI及简单易用的绘图程序语言，完成此辅助教学系统的设计。该仿真系统由模拟调制、数字调制、信源编码及信道编码等4个基本模块构成，基本上涵盖了通信原理课程的主要教学内容。本系统采用层次化设计，其模块结构如图1所示。另外，系统具有一定的可扩展性，可根据需要增添该课程的其它内容。
引导界面主界面的处理过程，并将处理结果以“实时”和动画的形式显示出来，提高学生学习的积极性，改善教学效果。
另一方面，所设计的系统界面友好，操作简单，学生可以根据需要自行设置和修改参数，解决硬件设备不足和实验内容单一的问题，提高学生的动手能力。
二系统总体设计
图形用户界面(GUI)是计算机应用界面的主要形式。Matlab GUI的设计主要使用文本框、列表框、工具栏、命令按钮等控件完成计算、绘图等功能。设计良好的界面允许用户直接在人机交互界面上操作，而不需要许多复杂的代码[2,3]。Matlab提供了功能强大的用户界面开发环境，用户在command window(命令窗口)输入GUIDE命令进入到开发环境，开发自己所需的应用程序。
三系统界面设计
（一) 引导界面的设计
根据图1所示的系统结构，使用GUIDE设计各个基本模块和子模块的图形用户界面，编写GUI对象的回调函数来响应用户的操作[2]。用户首先通过引导界面访问系统。如图2所示，它由标题、“进入”按钮组成。
（二）主界面的设计
用户点击”进入”按钮进入主界面，如图3所示。主界面由标题、功能选择列表和退出按钮等组成，功能选择列表有5个按钮设计，对应于系统的5个基本模块[2]。
用户点击主界面上的任一个按钮，即可进入对应的功能模块进行操作。例如，用户点击“模拟调制”按钮进入该模块的图形界面，如图4所示。通过该界面用户可以继续访问它所包含的子模块，或者返回主界面再选择其他的功能模块。点击“退出”按钮可退出并关闭系统的运行。
（三）子模块界面的设计
虽然各个子模块中的内容和分析过程不同，但设计思想基本相同[4]。下面仅以模拟信号的传输及模拟信号的数字传输为例进行设计说明。
进入模拟调制子界面后，通过选择菜单进入“模拟信号发送”。模拟信号发送端包括四个模块：一是信号输入模块，此模块包括四个按钮和三个可编辑文本框，其中四个按钮分别为常用信号按钮、读取语音信号按钮、打开按钮、信号输入按钮；二是信号参数设置模块，包含两个编辑文本框，可以实现调制方式的选择及载波频率的设置；三是发送端控制模块，包含一个可编辑文本框，进行采样频率的设定。四是图像显示模块，由三个坐标图组成，主要显示基带信号、已调信号的时域波形及频域频谱。在上述四个模块中，可以修改信号的各项参数并进行时域和频域分析。另外此模块具有调制回放功能，事先预先存储了处理过程中的信号图形，用户可以随时观看。
设定输入信号为已存在的语音信号，点击“打开”按钮,单击“打开”按钮来选择在弹出对话框中要处理的语音文件，文件地址返回到左侧的静态文本框中，点击“信号输入”，语音信号波形显示在右侧“信号图像”中，选择DSB-SC调制，载波频率为10000Hz，采样频率为30000Hz，点击“开始通信”按钮，得到DSB-SC调制的仿真结果，如图5所示。
进入模拟调制子界面后，通过选择菜单进入“模拟信号接收”。此界面包含三个模块：一是解调控制模块，有三个按钮，分别执行信号的接收、解调、回放[5]；二是解调参数显示，有四个静态文本框，分别显示调制方式、基带信号频率、载波频率及采样频率等信息；三是接收波形显示模块，显示通过AWGN后解调解码的结果。同时点击对比按钮，可以对发送端和接收端信号的时域及频域波形进行比较分析[5]。图5信号通过加性高斯白噪声信道及解调后得到的仿真结果，如图6所示。
进入数字传输子界面后，通过选择菜单进入“数字信号发送”。数字信号发送子界面包括四个模块：一是信号输入模块，包括四个按钮和三个可编辑文本框，其中四个按钮分别为常用信号按钮、读取语音信号按钮、Browse按钮、信号输入按钮；二是编码模块，实现对输入信号的信源编码和信道编码。其中信源编码完成模数转换，而信道编码完成差错控制编码。因此信源编码模块由三个可编辑文本框和一个编码按钮组成；三是数字信号传输模式选择，进行基带传输或频带传输选择，而且带通传输系统的调制方式又分为ASK、PSK、FSK、MSK及QAM等，因此此模块由基带传输、频带传输、调制方式三个按钮和一个可编辑文本框组成；第四个模块为显示模块，显示输入信号时域波形、频域频谱和编译码后的码组。因此此模块由三个坐标图组成。
数字信号完成传输后达到接收端。接收子界面包括三个模块：一是解调控制模块，通过五个按钮控件完成信号的接收、解调、解码、信号时域分析和PCM码流图形对比。二是接收信息显示，通过五个静态文本框实现传输方式、解调方式、输入信号频率、采样频率及解码方式等信息的显示；三是显示模块，显示通过AWGN后解调解码的仿真结果。
并且通过选择回放按钮可以随时观察处理过程。通过选择对比按钮可以比对收发信号时域频域的不同。最后，设计好的系统如果想独立于MATLAB环境运行，可以使用MATLAB中的MCC编译器函数来实现[4]。编译成功后，将在原始路径下生成相应的EXE文件，点击此文件后直接运行。
四在教学中的应用
如何在教学过程中使用所设计的辅助教学系统呢？通信原理课程理论内容分为模拟通信和数字通信两部分，由于数字通信技术已成为主流技术，数字通信将作为重点详细讲解。对于数字通信系统，根据课程章节安排，按照“信源编码”、“数字基带传输”、“数字频带传输”“信道编译码”等顺序进行理论知识的讲解。一般通过基本理论的讲解和课后习题的练习之后，尽管大多数学生对概念原理和分析方法有了自己的理解，但是他们不能够将理论和实践进行充分结合，容易忽略一些概念或性质所隐含的物理涵义以及它们在工程中的应用，对一些实际问题“系统参数如何设置及为什么要这样设置”等缺乏工程性理解和解决。为了提高学生知识的实际运用能力，基于辅助教学系统和各章节所学内容布置一些简单设计题目，比如在“信源编译码”这一章中可以布置“模拟信号的PCM编译码实现”、“模拟信号的DPCM编译码实现”等题目，在“数字频带传输”这一章中可以布置“数字信号的ASK/FSK/PSK传输”、“数字信号的QAM传输”等题目。每章内容学完之后，将相应的题目布置下去，学生利用所学的理论知识，在辅助教学系统上自行操作，选择编码或调制方式、设置参数及观察图形。通过不同的参数设置及修改，比如模拟信号频率幅值的设置、采样信号的设定及编译码方式的选择等等，可以加深学生对这些参数物理含义的理解。参数设置不同，实现过程不同，图形显示不同，学生观察、分析并比对这些不同。这一系列的操作，可以将整个实现过程以动画的形式直观演示，加深学生了对一些抽象概念和分析方法的理解，同时也提高了学习的自主性。
当然在实际中，大多数学生按照顺序学习完这些内容后往往只能掌握一个个孤立的知识点，仅仅局限于对各个章节知识的掌握，缺乏对知识点之间内在关联性的理解。在运用理论知识解决问题时缺乏系统意识，不能综合性地去分析问题和解决问题。这时可以布置一些综合性的设计题目，这些题目整合了课本多章内容。例如，题目“模拟信号如何在数字通信系统的传输？”可以实现对“信源编码与译码、信道编码与译码、数字调制与解调及数字信道”课本四章知识点的整合。教师布置题目后，学生可以两两自由结合，根据任务要求，会提出一系列问题“模拟信号数字化采用哪一种模数转换方式才能兼顾有有效性和可靠性？”“数字信号选用哪种调制方式采用满足传输要求？”“信道编码采用哪种方式采用提高通信质量？”，并利用所学知识提出不同解决方案。然后根据解决方案设计传输模型，设计完成之后可以使用辅助教学系统进行参数设置和仿真验证。基于设计模型，学生进入数字传输子界面后，点击按钮进入“数字信号发送”，选择输入信号为正弦波，其频率为100Hz，采样频率为8000Hz，点击“信号输入”，读取基带信号。然后选择信源编码方式为64Kb/s的PCM编码，信道编码方式为（7，4）汉明码，数字调制方式为16FSK，调制符号频率为700Hz，采样频率为7000Hz，按下“开始通信”按钮，通过高斯白噪声信道（AWGN）进行传输，弹出“信噪比”输入对话框，设定信噪比为30，点击“OK”进行数字信号的发送，其结果如图7所示。通过这些操作，学生能够理解模拟信号若要在数字通信系统中传输，必须在发送端进行一系列处理，否则无法传输。信号经过信道传输后达到接收端。在接收端再进行对应的逆处理，得到如图8所示的结果。学生根据所学知识通过自由结合、独立解决、自行设计、仿真验证等完成这些综合性的设计题目。
另外，在实践教学环节，也可以充分利用课程辅助教学系统。通信原理课程的实践教学环节包括10个学时的实验教学和两周的课程设计。实验教学存在着实验内容单一、操作手段落后等问题。学生走进实验室，一般打开试验箱，按照实验指导书连一连信号线、测一测测试点及观察一下波形，并不去分析其电路工作的基本原理。有些实验装置由于长期实用性，逐渐老化，使得实验结果与理论分析不一致,甚至出现了异常，达不到实验验证的预期要求。此外，通信原理课程设计一般采用两种方式，电路验证或软件仿真。采用硬件电路能够增加学生的感性认识但实验内容简单，而采用仿真设计难度较大综合性较强但缺乏直观性，学生参与的积极性都不高。所以，久而久之在实践教学环节中学生越来越不愿意动手操作，工程实践能力逐减弱，这些都增加了教学中的困难，导致实践教学效果比较差。因此，基于课程辅助教学系统，每章节学完后就可以布置针对本章内容的一两个题目，这些要求学生必须独立完成。学生先根据要求设计方案，搭建电路，然后借助辅助系统进行仿真实现；在两章或三章学完之后可以布置一些综合题目，学生可以组队共同完成。通过这一个个任务，提高了学生学习的积极性，锻炼了学生分析问题和解决问题的能力，也增强学生团队协作能力。
五结束语
针对当前通信原理课程教学中存在的问题，基于MATLAB GUI设计了一个通信原理课程辅助教学系统，为课程的教与学提供了一个良好的平台，解决了教学中“教师教不好和学生学不会”的问题。大量的应用实例说明，将此系统引入教学环节中，提高了教学的可视化和趣味性，激发学生学习的积极性和创造性，从而大大改善了教学效果。
参考文献：
[1]张小凤,金永幸，马珊等.基于Matlab的信号与系统综合实验系统研发[J].现代电子技术，2011.10:24-26
[2]杜世民，杨润萍.基于Matlab GUI的“信号与系统”教学仿真平台开发[J].实验技术与管理，2012,29(3)：87-90
[3]成利敏，田宁宁，刘军芳.基于GUI的“信号与系统”仿真平台的设计与实现[J].廊坊师范学院学报(自然科学版)，2016,16（2）：32-35
[4]李念念,张红梅.基于MATLAB GUI的信号与系统分析软件开发[J].工业控制计算机,2011,24(3)：19-21
[5]常乐，辛化梅，薛林.无线通信系统的GUI设计与仿真实现[J].现代电子技术，2010.01:64-68
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