通信工程专业实验平台的建立和应用

陈杰，石鲁珍，姚娜

（塔里木大学信息工程学院通信工程系，阿拉尔843300）

0 引言

通信工程专业是电子信息类的一个重要专业，在电子信息领域占用无可取代的地位。本校自2009 招生通信工程专业本科专业以来，一直以立足南疆、面向兵团、服务新疆为培养目标。该专业主要包括《通信原理》、《信号与系统》、《通信电子线路》、《数字信号处理》、《移动通信》、《图像处理》、《MATLAB 仿真及应用》和《语音信号处理》等课程，这些课程理论性强，公式较多，学生学习理解起来比较困难。另外这些课程都配有一定数量的实验课程，实验课程的传统教学方式是采用实验箱进行授课和操作，但是这些设备价格昂贵，而且随着现代信息技术的快速发展，实验箱更新速度较快，这对高校来说是一项很大的开支，并且使用实验箱进行实验，调试用时较长。本文针对这一情况，使用MATLAB 的GUI 工具开发了一个实验平台，该实验平台囊括了通信工程专业的五门课程《通信原理》、《信号与系统》、《数字信号处理》、《图像处理》和《语音信号处理》的所有实验，该实验平台不但可以辅助教师理论教学，对学生掌握理论知识和复杂的公式有很大的帮助，对理论课上所学的抽象的知识有更加具体、直观的认识，加深理解，而且在实验教学上相对于实验箱在速度方面有很大的优势，并且对学生掌握MATLAB 语言有很大的帮助，一举三得。

1 实验平台展示

MATLAB 语言是本校通信工程专业的学生必须掌握的一门语言，使用该语言编写的实验平台学生在操作和理解方面更容易掌握。MATLAB 的GUI 是一款很好用的人机交互界面设计工[1]，内含所有的GUI 控件，用户可以使用GUI 提供的控件直接设计界面额FIG 文件中，同时生成M 文件框架，这个框架中包含了一部分和图形回调函数，提供了管理全局数据的途径，并支持自动回调函数原形。用户通过修改对应的M 文件函数实现指定功能。

图1 为该实验平台的设计流程，主要设计了《通信原理》、《信号与系统》、《数字信号处理》、《数字图像处理》和《语音信号处理》等五门课程的实验子平台。这五门课程都是通信工程专业的必修课程，而且每门课程都附带实验课程，而这些课程的实验基本上都是由实验箱来完成，实验箱的费用比较高，而且更新速度较快，这就使得高校由于经费有限而无法满足学生对知识的需求。使用MATLAB 软件来设计编写的该实验软件平台的优势就显示出来：它不仅能满足学生的课程实验需求，而且在实验的基础上学生可以直接观察和修改源代码，这在一定程度上提高了学生的编程水平；MATLAB 语言是通信及其相关专业的必修语言，对这门语言的掌握程度提高对学生的理解能力和动手能力都有很好的帮助，对学生的就业以及继续教育也能奠定一定的基础。

图1 实验平台流程图

1.1 系统主界面

图2为实验平台的主界面，主窗口和各个按钮采用函数语句进行编写。

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'callback','xinhaoxitong');

该界面的5 个按钮都能到达各自的实验子平台，在使用的时候右下角的“关闭”按钮可以直接关闭该窗口，使用者也可以直接通过右上角的关闭符号来关闭窗口，背景图片可以通过修改程序来自行更换。

图2 通信工程专业实验平台主界面

1.2 通信原理实验平台

鼠标点击“通信原理实验平台”就可以进入《通信原理》课程的实验子平台，图3 为该平台的窗口。

该窗口使用了一个静态的文字编辑框来编辑平台的名称，下面使用了下拉菜单来调用该门课程的主要的四部分实验，这种分类方式是根据实验的种类来分的，每个菜单有若干个子实验，双击各个菜单即可进入；右下角的“结束系统”的功能就是关闭该窗口，回到总界面窗口。

图3 通信原理实验平台窗口

图4 2ASK实验平台

内含模拟调制、数字基带信号、升余弦滚降系统、基带信号眼图、2ASK、2FSK、2PSK、抽样定理和均匀量化[2]等9 个实验，其中2ASK 的实验平台界面如图4 所示。在该界面中，分为四个区，在“参数设置区”输入载波频率以后，点击“随机数字基带信号”按钮即可看到输入信号及其功率谱密度，点击“2ASK 信号”即可观察2ASK 波形及其功率谱密度图像。教师和学生在实验的过程中可以输入不同的参数来比较波形的区别。

1.3 信号与系统实验平台

信号与系统的实验平台共包括6 个实验，如图5所示，分别为序列基本运算、基本信号产生、LTI 系统的时域分析、信号频域分析、连续时间系统的复频域分析和离散时间系统的Z 域分析[3]，包括了本门课程所有的实验。单击即可进入相应的实验系统平台。

图5 信号与系统实验平台

图6 离散时间系统的Z域分析实验平台

该平台的离散时间系统的Z 域分析实验如图6 所示，实验时只需在参数区输入分母系数a 和分子系数b，之后点击相应的按钮就可在绘图区观察波形，改变参数，可以观察波形变换。

1.4 数字信号处理实验平台

该课程的实验平台设计如图7 所示。该课程的界面设计相对于前面两门课程较人性化，在首页增加了三个常见函数和波形展示区，波形的横纵坐标也可以由操作者自行选择，另外添加了网格线的操作，这在一定程度上可以增加学生对该门课程的感兴趣的程度。除此之外，该门课程主要包括六个大实验，分别是M 序列的基本运算、信号的产生、离散傅里叶变换、卷积运算、数字滤波器设计和巴特沃斯滤波器[4]。

图7 数字信号处理实验平台

图8 数字滤波器的设计平台

该实验平台的数字滤波器的实验窗口如图8 所示。在各个参数窗口输入参数之后，点击相应的滤波器按钮，学生则可以观察到滤波器的滤波情况，同时设计多个滤波器，可以给学生比较和观察的空间，这对理解和记忆专业知识有很大的帮助。

1.5 数字图像处理实验平台

该实验平台根据数字图像处理的实验课程进行设计，共七个实验，分别是图像灰度级修正、图像的平滤波、图像的锐化处理、图像的统计特性、方块编码、JPEG压缩编码和运动估计[5]。通过这七个实验学生能掌握整门课程的要点和重点。学生可以变做实验变理解理论知识，对课本中大篇幅的公式推导和理论知识的理解能起到很好的辅助作用。

图9 图像处理课程实验平台

图10 图像灰度级修正的实验界面

图10 位该实验平台的第一个实验图像灰度级修正的实验界面，该界面主要包括两部分，左边为实验区，右边为说明区。能实现的功能是打开一副图像、观察图像的线性拉伸、观察一副图像的反比效果、观察伽马在大于一、等于一和小于一的情况下的图像、绘制图像的直方图，观察均衡后的图像和观察均衡后图像的直方图。通过该平台，教师和学生通过点击各个按钮就能选定原始图片，可以观察到原始图像在经过各种操作之后的明显区别，也可以根据此平台总结出参数对图片起到的影响，最后加深学生对均衡的认识和理解。

1.6 语音信号处理实验平台

该实验平台根据《语音信号处理》课程的需求设置了六个实验，分别是语音信号的短时间分析、同态分析、线性分析、基音估计、语音合成和语音增强[6]。这六个实验贯穿本门课程，对学生的理解和记忆专业术语起到很好的辅助效果。

图11 语音信号处理实验平台

图12 语音增强实验平台

图12 位该门课程实验平台的“语音增强”实验界面，该实验中可以通过“原始信号”按钮选择一个语音信号、观察其波形和听到该段语音；通过“语音加噪”按钮可以对原始信号进行加噪、观察到加噪后的波形和听到加噪后的语音；通过“语音增强”按钮可以观察语音增强之后的波形、听到增强之后的声音。视觉上的观察图像和听觉上的语音双层感受对学生理解语音的增强技术有很好的帮助，在提高学生对课程的感兴趣程度方面也有很好的帮助。

1.7 平台通用化

该实验平台通过一定的步骤可以转换成可执行安装文件EXE 格式，在没有安装MATLAB 的计算机上仍然可以进行实验演示。

2 结语

该实验平台包括了通信工程专业的五门主要课程，每门课程都有5-8 个实验，这些实验看似独立又相互相关，一门知识的掌握对后面课程的学习都能起到积极的作用。事实证明，这些实验的操作和展示对学生理解理论知识和掌握专业知识能起到很好的辅助作用；通过实验和理论的结合，使得枯燥的课堂变得生动，学生对专业课程的兴趣也有所提高；学生对MATLAB 编程语言掌握水平有很大程度的提高；相对于传统实验的试验箱，这款实验平台能起到更好的作用。