基于GUI 的通信原理辅助教学平台设计

雷锡骞，胥田田，包理群，金 慧

（1.兰州工业学院 电子信息工程学院，甘肃 兰州 730050；2.兰州工业学院 汽车工程学院，甘肃 兰州 730050）

0 引 言

通信原理课程是电子信息类专业非常重要的专业课，具有概念抽象、理论性强、与实践联系紧密等特点[1-2]，目前对该门课程的安排，各院校一般都是理论教学与实验教学相结合。课堂讲授以理论知识、公式推导为主，传统的先课堂理论后实验实践的授课方式将理论和实践教学隔离，学生难以获得直观理解，不能学以致用，容易失去学习兴趣与动力[3-4]。实验教学多以验证性实验为主，学生很难深入理解编码、抽样等技术原理，且教学更多地依赖于硬件实验箱，一方面开设实验项目是指定的，学生按部就班进行实验，难以深层次地提升实践创新能力；另一方面实验箱和示波器调试观测导致学生“知其然，而不知其所以然”，影响教学效果[5-6]。因此，开发师生能够共同操作、辅助课堂教学的通信原理演示平台非常必要。

近年来，高校在推动课程课堂教学及实验教学等方面的探索、改革与实践取得了丰硕成果。李博[7]结合LabVIEW促进课程实验的教学改革，提升学生对于课程内容的理解程度，理论联系实际并加以应用，提升实践能力，满足社会对应用型人才的需求。傅志中等人[8]通过构建“实践问道、知行合一”的挑战性实验教学方案，以培养目标为基准，构建以学生为中心的实验教学体系，明确实验内容；实际效果表明，该实验教学方案能有效激发学生学习兴趣、提高协作能力，使学生具备解决复杂工程问题的能力。李文瑞等人[9]为促进教学中学生对复杂公式的理解，设计MATLAB/GUI 仿真演示平台，以MIMO 系统信道容量为例，有效地补充了传统教学手段，达到辅助教学的作用。课程选用的教材是张辉、曹丽娜主编的《现代通信原理与技术》（第四版），根据教材内容进行辅助教学平台设计[10]。

1 辅助教学平台总体设计

辅助教学平台设计主要利用MATLAB GUI 的可视化设计功能。首先利用编辑面板上的组件、菜单工具、界面设计等工具完成操作界面的总体布局，再通过回调函数的编写实现界面中窗口、菜单、对话框等图形元素的功能，最后对界面中各模块逐项进行功能检测，测试并调整辅助平台实际应用的可行性。

该辅助教学平台需要几个GUI 界面之间互相调用。首先设置登录界面，在登录界面中输入相应的账号、密码再进入，人机界面友好，软件安全性较高；其次在辅助教学平台中将理论与实践充分结合，相辅相成，引导学生选择“课堂教学”或“实践操作”进行功能演示，实现不同GUI 之间的调用；最后在两种功能对应的窗口中，设计课堂教学或实验操作的功能执行区，结合回调函数进行参数输入、按钮点击等操作。基于上述原则和步骤，本文根据实际需要对系统平台进行界面设计，设计流程如图1 所示，登录界面及功能选择界面如图2 所示。

图1 设计流程

图2 登录界面及功能选择界面

2 功能设计

2.1 辅助课堂教学模块

使用者通过账号密码登录进入功能选择界面，点击“课堂教学”按钮进入辅助课堂教学界面。该模块包括信息量的计算、连续信道容量的计算、数字通信系统主要性能指标的计算，主要应用eval（）函数获取可编辑文本中输入的内容，点击相应按钮，并通过set（）函数在对应的文本框中显示计算结果。在信息量计算中，可实现信息量及平均信息量的计算；在信道容量计算中，根据输入带宽及信噪比，计算并显示连续信道容量结果；在通信系统主要性能指标计算中，划分为有效性和可靠性计算，如计算有效性，输入码元长度10-4s，进制数M=2，分别点击“码元传输速率RB(B)”和“信息传输速率Rb(b/s)”按钮，显示计算结果分别为104 B 和104 b/s，既能让学生通过辅助教学平台验证理论计算结果，将课程知识点整合到GUI 界面中，使碎片化的知识连成系统化的知识体系，又能引导学生关注知识点的承接关系，帮助学生掌握知识点之间的联系，使学生在后续学习中能触类旁通。通过课堂辅助教学功能，有效激发学生创新热情，培养学生自我学习能力、创新思维，激发学生应用专业知识进行创新实践的热情，促进创新创业教育与应用研发互动互促。课堂教学演示界面如图3 所示。

图3 课堂教学演示界面

2.2 实验操作模块

使用者点击“实验操作”按钮进入实验操作界面，该界面包括模拟调制、数字基带传输过程中的码型变换、数字频带传输系统二进制调制解调、模拟信号数字化。在码型变换中，在可编辑文本框中输入矩阵形式的消息代码，如“[1 0 0 0 0 1 0 0 1]”，分别点击“AMI 编码”和“HDB3 编码”按钮，在图形窗口显示消息代码、编码、译码结果。实验操作界面如图4 所示，测试结果如图5 所示，测试结果与理论相符，学生可直观地观察AMI 和HDB3 编译码过程，验证编译码规则，理解两种方式的异同，巩固课堂教学效果。

图4 实验操作演示界面

图5 AMI 及HDB3 编译码测试结果

在模拟调制过程中，以幅度调制（AM）信号为例进行测试，当输入直流分量为2、载波频率为1 kHz 时，点击“幅度调制（AM）”按钮，在弹出的图形窗口中显示调制信号、载波信号、已调信号、解调信号波形及频谱，如图6 所示，测试结果与理论结果相符。

图6 幅度调制测试结果

在数字频带传输系统中，以二进制振幅键控（2ASK）调制解调为例，消息代码通过可编辑文本框以矩阵形式输入，如“[1 0 0 0 1 0 0 0 1 1]”，点击“2ASK”按钮后，在图形窗口中显示基带信号、载波信号、已调信号波形，与理论结果相符；再在已调信号的基础上，添加随机噪声，按照相干解调法进行解调，与本地载波相乘后进行抽样判决，得到抽样判决后的波形如图7 所示，与理论结果相符。数字频带传输系统的研究是以数字基带传输系统为基础的，通过辅助教学系统的演示，引导学生温故知新、理论联系实践，培养学生有目标、有方法、有条理地进行课程学习的能力。

图7 2ASK 调制解调测试结果

3 结 语

通信原理辅助教学平台可作为传统课堂教学与实验教学的有效补充，在日常课程建设和课程教学中落实应用。使用者可通过该平台直观观测波形并对理论进行验证，或在此基础上对GUI 界面功能进行扩展，既可提高学生学习的主观能动性，也可促使学生从知识学习向能力培养转化，促进学生创新思维、创新能力的双重提高。