基于GUI 的通信原理輔助教學平臺設計

雷錫騫，胥田田，包理群，金 慧

（1.蘭州工業學院 電子信息工程學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州工業學院 汽車工程學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

通信原理課程是電子信息類專業非常重要的專業課，具有概念抽象、理論性強、與實踐聯系緊密等特點[1-2]，目前對該門課程的安排，各院校一般都是理論教學與實驗教學相結合。課堂講授以理論知識、公式推導為主，傳統的先課堂理論后實驗實踐的授課方式將理論和實踐教學隔離，學生難以獲得直觀理解，不能學以致用，容易失去學習興趣與動力[3-4]。實驗教學多以驗證性實驗為主，學生很難深入理解編碼、抽樣等技術原理，且教學更多地依賴于硬件實驗箱，一方面開設實驗項目是指定的，學生按部就班進行實驗，難以深層次地提升實踐創新能力；另一方面實驗箱和示波器調試觀測導致學生“知其然，而不知其所以然”，影響教學效果[5-6]。因此，開發師生能夠共同操作、輔助課堂教學的通信原理演示平臺非常必要。

近年來，高校在推動課程課堂教學及實驗教學等方面的探索、改革與實踐取得了豐碩成果。李博[7]結合LabVIEW促進課程實驗的教學改革，提升學生對于課程內容的理解程度，理論聯系實際并加以應用，提升實踐能力，滿足社會對應用型人才的需求。傅志中等人[8]通過構建“實踐問道、知行合一”的挑戰性實驗教學方案，以培養目標為基準，構建以學生為中心的實驗教學體系，明確實驗內容；實際效果表明，該實驗教學方案能有效激發學生學習興趣、提高協作能力，使學生具備解決復雜工程問題的能力。李文瑞等人[9]為促進教學中學生對復雜公式的理解，設計MATLAB/GUI 仿真演示平臺，以MIMO 系統信道容量為例，有效地補充了傳統教學手段，達到輔助教學的作用。課程選用的教材是張輝、曹麗娜主編的《現代通信原理與技術》（第四版），根據教材內容進行輔助教學平臺設計[10]。

1 輔助教學平臺總體設計

輔助教學平臺設計主要利用MATLAB GUI 的可視化設計功能。首先利用編輯面板上的組件、菜單工具、界面設計等工具完成操作界面的總體布局，再通過回調函數的編寫實現界面中窗口、菜單、對話框等圖形元素的功能，最后對界面中各模塊逐項進行功能檢測，測試并調整輔助平臺實際應用的可行性。

該輔助教學平臺需要幾個GUI 界面之間互相調用。首先設置登錄界面，在登錄界面中輸入相應的賬號、密碼再進入，人機界面友好，軟件安全性較高；其次在輔助教學平臺中將理論與實踐充分結合，相輔相成，引導學生選擇“課堂教學”或“實踐操作”進行功能演示，實現不同GUI 之間的調用；最后在兩種功能對應的窗口中，設計課堂教學或實驗操作的功能執行區，結合回調函數進行參數輸入、按鈕點擊等操作。基于上述原則和步驟，本文根據實際需要對系統平臺進行界面設計，設計流程如圖1 所示，登錄界面及功能選擇界面如圖2 所示。

圖1 設計流程

圖2 登錄界面及功能選擇界面

2 功能設計

2.1 輔助課堂教學模塊

使用者通過賬號密碼登錄進入功能選擇界面，點擊“課堂教學”按鈕進入輔助課堂教學界面。該模塊包括信息量的計算、連續信道容量的計算、數字通信系統主要性能指標的計算，主要應用eval（）函數獲取可編輯文本中輸入的內容，點擊相應按鈕，并通過set（）函數在對應的文本框中顯示計算結果。在信息量計算中，可實現信息量及平均信息量的計算；在信道容量計算中，根據輸入帶寬及信噪比，計算并顯示連續信道容量結果；在通信系統主要性能指標計算中，劃分為有效性和可靠性計算，如計算有效性，輸入碼元長度10-4s，進制數M=2，分別點擊“碼元傳輸速率RB(B)”和“信息傳輸速率Rb(b/s)”按鈕，顯示計算結果分別為104 B 和104 b/s，既能讓學生通過輔助教學平臺驗證理論計算結果，將課程知識點整合到GUI 界面中，使碎片化的知識連成系統化的知識體系，又能引導學生關注知識點的承接關系，幫助學生掌握知識點之間的聯系，使學生在后續學習中能觸類旁通。通過課堂輔助教學功能，有效激發學生創新熱情，培養學生自我學習能力、創新思維，激發學生應用專業知識進行創新實踐的熱情，促進創新創業教育與應用研發互動互促。課堂教學演示界面如圖3 所示。

圖3 課堂教學演示界面

2.2 實驗操作模塊

使用者點擊“實驗操作”按鈕進入實驗操作界面，該界面包括模擬調制、數字基帶傳輸過程中的碼型變換、數字頻帶傳輸系統二進制調制解調、模擬信號數字化。在碼型變換中，在可編輯文本框中輸入矩陣形式的消息代碼，如“[1 0 0 0 0 1 0 0 1]”，分別點擊“AMI 編碼”和“HDB3 編碼”按鈕，在圖形窗口顯示消息代碼、編碼、譯碼結果。實驗操作界面如圖4 所示，測試結果如圖5 所示，測試結果與理論相符，學生可直觀地觀察AMI 和HDB3 編譯碼過程，驗證編譯碼規則，理解兩種方式的異同，鞏固課堂教學效果。

圖4 實驗操作演示界面

圖5 AMI 及HDB3 編譯碼測試結果

在模擬調制過程中，以幅度調制（AM）信號為例進行測試，當輸入直流分量為2、載波頻率為1 kHz 時，點擊“幅度調制（AM）”按鈕，在彈出的圖形窗口中顯示調制信號、載波信號、已調信號、解調信號波形及頻譜，如圖6 所示，測試結果與理論結果相符。

圖6 幅度調制測試結果

在數字頻帶傳輸系統中，以二進制振幅鍵控（2ASK）調制解調為例，消息代碼通過可編輯文本框以矩陣形式輸入，如“[1 0 0 0 1 0 0 0 1 1]”，點擊“2ASK”按鈕后，在圖形窗口中顯示基帶信號、載波信號、已調信號波形，與理論結果相符；再在已調信號的基礎上，添加隨機噪聲，按照相干解調法進行解調，與本地載波相乘后進行抽樣判決，得到抽樣判決后的波形如圖7 所示，與理論結果相符。數字頻帶傳輸系統的研究是以數字基帶傳輸系統為基礎的，通過輔助教學系統的演示，引導學生溫故知新、理論聯系實踐，培養學生有目標、有方法、有條理地進行課程學習的能力。

圖7 2ASK 調制解調測試結果

3 結 語

通信原理輔助教學平臺可作為傳統課堂教學與實驗教學的有效補充，在日常課程建設和課程教學中落實應用。使用者可通過該平臺直觀觀測波形并對理論進行驗證，或在此基礎上對GUI 界面功能進行擴展，既可提高學生學習的主觀能動性，也可促使學生從知識學習向能力培養轉化，促進學生創新思維、創新能力的雙重提高。