通信原理虛擬仿真實驗平臺的設計與實現

路涵銘 孟令輝 李永樂 于平 孫如英

摘? 要：為提高通信原理課程的學習效果，充分鍛煉學生實驗動手能力，采用MATLAB GUI開發工具設計一套可視化的虛擬仿真實驗平臺。該平臺可實現模擬調制、數字調制、數字基帶傳輸和模擬信號數字化等功能模塊的實驗教學，可視化操作界面能提升學生對通信系統的基本原理和模型的理解力，提高學生學習興趣。該仿真平臺使用方便、可靠性強，可作為傳統教學的有益補充。

關鍵詞：虛擬仿真；通信原理；圖形用戶界面（GUI）；數字化；頻率

中圖分類號：TP391.9? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）08-0106-04

Abstract： In order to improve the learning effect of the communication principle course and fully exercise the students' experimental ability， a visual virtual simulation experiment platform is designed by using MATLAB GUI development tools. The platform can realize the experimental teaching of analog modulation， digital modulation， digital baseband transmission， analog signal digitization and other functional modules， and the visual operation interface can improve students' understanding of the basic principles and models of the communication system. Improve students' interest in learning. The simulation platform is easy to use and reliable， and can be used as a useful supplement to traditional teaching.

Keywords： virtual simulation; communication principle; graphical user interface （GUI）; digitization; frequency

通信原理是電子信息工程專業的專業核心課程。本課程內容豐富，知識體系繁雜，邏輯性、原理性、綜合性強，抽象概念多，對于教和學都有一定的難度。虛擬仿真實驗平臺作為一種新型的教育教學工具用來輔助教學，可以提高學生的理解力和學習積極性，結合操作性實驗可有效提高人才培養質量[1-3]。

本文以MATLAB GUI為開發工具，設計了一款可視化的通信原理虛擬仿真實驗平臺，該平臺包含模擬調制、數字調制、數字基帶傳輸和模擬信號數字化等功能模塊，可以更加形象直觀地展示通信系統的基本原理和基本概念，幫助學生理解和體會抽象難懂的物理概念和理論公式，以此提高學生們的學習興趣。

1? 實驗平臺整體設計

實驗平臺包含模擬調制、數字調制、數字基帶傳輸和模擬信號數字化4個模塊，對應通信原理這門課程的實驗內容，平臺的設計框圖如圖1所示[4]，該平臺的結構設計分為主模塊和子模塊，在完成子模塊的設計之后，先對各個子模塊進行調試仿真，確保無誤后將子模塊加到主模塊當中，由主模塊對各個子模塊進行調用。平臺主界面如圖2所示，每個按鈕對應各子模塊，可以跳轉進入任意子模塊中。

以數字基帶傳輸模塊為例，創建MATLAB GUI子界面。每個子界面以坐標窗口、彈出框、按鍵和動態文本框等為基本部分，并根據需要對其屬性進行設置[5]，其編輯界面如圖3所示。

2? 系統測試

2.1? 模擬調制模塊

該模塊能夠實現模擬信號的調制與解調，調制方式包含幅度調制AM、DSB、SSB、VSB和頻率調制FM，其調制方式的選擇通過下拉菜單進行。通過設定基帶信號及載波信號的幅度和頻率，調制指數，可以輸出基帶信號、載波、已調信號和相干解調信號的時域和頻域圖像。

以AM調制與解調為例進行系統測試，AM調幅信號由原始基帶信號m（t）疊加一個直流量A0后與載波信號相乘形成，其調制指數等于|m（t）|max與A0的比值。AM信號的解調使用相干解調方式，其調制解調框圖如圖4所示。

當輸入基帶振幅為2，基帶頻率為5 Hz，載波頻率為100 Hz，調幅指數為0.5時，通過點擊相應的按鈕，得到基帶信號、載波信號、已調信號及相干解調信號的波形及頻譜，如圖5所示，顯然測試結果與理論結果相符。

2.2? 數字調制模塊

該模塊能夠實現二進制數字信號的調制與解調，通過下拉式菜單可以對2ASK、2PSK、2FSK和2DPSK 4種實驗信號進行選擇。當切換實驗信號時，需要重新生成基帶信號，同一實驗信號下可不用重復生成基帶信號。數字調制中的基帶信號均為二進制隨機碼，載波信號均為余弦信號。其中，頻譜圖按鍵可以生成調制解調中部分流程產生的信號頻譜，可以對信號進行頻譜分析。

設置序列長度為10，載波頻率為1 000 Hz，載波幅度為1，2FSK調制方式時系統的輸出結果如圖6所示。其中，2FSK信號的第二個載頻的頻率為設定載波頻率的4倍，即為4 000 Hz。通過調節本模塊的參數，可以觀察不同調制方式下調制信號的波形，深入理解數字調制的概念，同時可以觀察通信過程中不同環節信號的頻譜，彌補了操作性實驗由于缺少頻譜分析儀無法觀察信號頻域特性的缺陷。

2.3? 數字基帶傳輸模塊

數字基帶傳輸系統仿真結構圖如圖7所示，由信源、發送/接收濾波器、噪聲和抽樣判決幾部分構成。基帶傳輸系統模塊中用到的信源有單極性歸零碼、雙極性歸零碼、單極性非歸零碼和雙極性非歸零碼4種形式的信號，點擊相應文字按鈕即生成其信號波形和功率譜。發送和接收濾波器選擇理性低通、升余弦濾波器、平方根升余弦濾波器3種形式，點擊相應按鈕即可生成發送濾波器和接收濾波器的波形和眼圖。點擊抽樣判決按鈕，彈出抽樣判決界面即可進行抽樣判決。

選擇單極性歸零碼，滾降系數為0.5，升余弦濾波器時，其基帶信號波形和頻譜圖、加入噪聲和不加入噪聲的發送和接收濾波器輸出信號波形圖分別如圖8（a）、圖8（b）所示。信噪比為20 時，抽樣判決輸出信號波形如圖8（c）所示。從圖8（b）可以看出，有噪聲時，信號的眼圖變得比較雜亂、模糊。

（a）? 滾降系數0.5，不加入噪聲，選擇升余弦濾波器示意圖

（b）? 滾降系數0.5，加入噪聲，選擇升余弦濾波器示意圖

（c）? 信噪比為20時的抽樣判決

2.4? 模擬信號數字化模塊

模擬信號數字化是將模擬信號轉變為二進制數字信號的方法，也稱為脈沖編碼調制（PCM），其原理框圖如圖9所示。

在發送端，對輸入的模擬信號m（t）進行抽樣、量化、編碼。編碼后的PCM信號是一個二進制數字序列，其傳輸方式可以采用數字基帶傳輸，也可以是對載波調制后的帶通傳輸。在接收端，PCM信號經譯碼后還原為量化值序列（含有誤差），再經低通濾波器濾除高頻分量，便可得到重建的模擬信號■（t）。

該模塊的界面設置及測試結果如圖10所示，輸入頻率、幅度、采樣率之后，分別點擊plot、抽樣、量化可以生成原始信號圖像、原始信號的抽樣圖像、量化信號圖像；點擊非均勻量化按鈕生成A律壓縮后的信號圖像、A律壓縮后的抽樣值和量化值對比圖、A律壓縮后的誤差分析圖；點擊PCM編碼生成均勻量化后的PCM編碼圖，同時生成編碼失真度數據；點擊譯碼按鈕生成PCM編碼之后的譯碼圖。本模塊圖形結果有助于學生理解A律非均勻量化的概念，研究不同采樣率下信號的量化誤差和失真度。

3? 結束語

通信原理仿真實驗平臺內容涵蓋了課程的重要原理和概念，人機交互界面設計友好、操作方便、形象直觀，能夠對通信原理課堂教學及實驗教學起到較好的輔助作用。通過該平臺，學生可以簡單便捷地輸入或調節仿真實驗的參數，觀察波形、頻譜等輸出結果，從而將抽象難懂的理論變得直觀可見，加深對通信原理基本概念和基本原理的理解及掌握。

參考文獻：

[1] 馬月紅，孫曉云，劉素艷. 基于Matlab GUI“數字信號處理”實驗平臺設計[J].電氣電子教學學報，2021，43（1）：164-167，171.

[2] 黃婷婷，馮鋒.基于Matlab GUI的數字信號處理仿真系統研究與設計[J].無線互聯科技，2019，16（9）：59-61.

[3] 杜世民，楊潤萍.基于Matlab GUI的“信號與系統”教學仿真平臺開發[J].實驗技術與管理，2012，29（3）：87-90.

[4] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].7版.北京：國防工業出版社，2009.

[5] 王光，邢林芳.MATLAB GUI程序設計[M].北京：清華大學出版社，2018.