数字通信实验软件平台的GUI设计

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引言：此次软件平台的设计包括编码和调制解调两个方向，Matlab交互界面以及数字通信系统的原理是辅助其实现的基础，设计后的软件可以在启动时清楚的展现整个通信系统的情况。在课堂讲解时，不仅能方便学生快速掌握知识，还能让学生在课堂上即兴修改知识点，这样不仅便于学生掌握基础知识，还能帮助学生不断拓展。Matlab教育界面的优点就是有很好的移动性和拓展性，为了便于学生学习，每个模块可以分离出来形成单独的个体，这样方便学生们研究加深学习印象，最后每个单独的个体还可以组合成为原来的整体，成为一个强大的综合数字系统。这样的软件平台对于学生从宏观到微观的学习都很有好处。

一、传统数字通信原理实验现状

（一）数字通信原理硬件实验平台。1.采样基础及采样编码类实验。包括：脉冲幅度调制、脉冲编码调制、自适应差分脉冲编码调制和连续可变斜率增量调制实验。2.调制解调类实验。包括：移频键控、二进制移相键控、差分二进制相移键控、最小移频键控、高斯最小频移键控、正交相移键控、偏移四相相移键控和正交幅度调制实验。3.编码解码类实验。包括：汉明码实验、加扰码实验、传号交替反转码/三阶高密度双极性码码型变换和传号反转码码型变换实验。4.接口类实验。包括：用户环路接口实验、双音多频检测实验、RS442接口实验和RS232接口实验。5.系统性实验。包括：IS95扩频系统Walsh码特性测量、IS95（CDMA/DS）系统信号传输实验和移动衰落信道通信系统综合测试。

（二）数字通信原理硬件实验平台面临的问题。前面所提到的实验平台集多种功能于一体，包括对无线通信常用的技术教学，帮助学生时间，里面涵盖了数字通信的原理已经当前最现代的技术技能，此实验平台系统结合了数字通信硬件平台的原理、技术、实践多方面，可以说实用又简便，虽然现在硬件平台凸显很多优点，但是还面临很多问题需要改进实验平台。1.在实验时，试验箱中的专有模拟芯片，虽然根据数字通信原理设计，但是由于设计效果欠佳，模拟锁相环实验时方法比较老，所以模拟芯片的电路时常有受损情况。2.在数字调制实验数字实验箱链接的处理方式通常是很模糊的，特别是解调和同步算法的结果不能被测试和评价这个问题，使学生按照规定的顺序操作得到的仅仅是实验结论，并没办法进一步的研究的内部机理。3.这个硬件平台受限于模拟芯片的容量和处理分析能力，内容和实践具体步骤受限，发展空间也有一定的局限性，对学生的创新能力的发挥有很大影响。4.由于这个数字硬件实验平台的相关部件比较容易受损，这也导致实验成本升高。针对以上陈述，本文利用Matlab的GUI工具，将用于用于数字通信原理实验软件平台和数字通信原理有机结合，总之，硬件平台的发展，对于提高学生的自主设计能力，理论与实践相结合，以及提高数字通信理论课程的教学效果有很大帮助。

二、数字通信实验软件平台设计

（一）数字通信实验软件平台系统。此次根据数字通信原理设计的软件平台既有发送装置，又有接收装置，分为这两个部分。根据图1我们可以看出，此软件平台有几个构成部分。被虚线框住的软件部分代表的是软件平台增加的扩展部分。整个平台系统分为以下一个部分：采样、量化、编码、重构。编码和调制就是我们常用的信道编码和调制，这样不仅可以在软件平台上实现功能，还能在硬件平台上实现调制实验和信道编码。在这些模块都完备以后，我们还要完善其他子模块，以便于各项数据可以在一个模块流转到下一模块，图中接收端没有展开探讨是因为接收端是发送端的逆过程，所以不予考虑。系统在具体应用调试时，还要不断修改和完善。

图1 数字通信原理软件实验平台系统框图

（二）数字通信实验软件平台。软件实验平台采用了Matlab软件中的gui工具，数字通信原理软件实验平台系统界面见图2。

图2 数字通信原理软件实验平台系统界面

由图2可知，Matlab软件中的GUI工具也有图1中的接受和发送部分，除此之外，还有数字通信软件平台的参数和显示，这些方面最终以时频域的方式表现出来，显示运行结果。

在Matlab软件中还有相对应的存储模块来存放通信信号以及临时通信信号，在数字通信实验软件平台中发送信号要经历采集样本、输入序码，以及整个数字信道的编码和数字调制的全过程，在采集样本时要实现将信号化为数字数列这样的形式，只有转变成为数字序列，才能将其存入文件；输入序码指的就是文件中抽取序码读取；信道编码就是仿真常见的编码方式，比如CRC码和卷积码，以此进行差错控制；数字调制采用的不同进制的调制方法，调制后会将信号绘制成波形或功率谱，主要运用的进制方法有ASK、FSK、PSK或者MSK等等；扩频指的是对载波的调制方式，主要是运用高速伪随机的序列方式，因为他的速率远远大于原来我们说的元新号码的速率，方便信号的充分扩展。他的优点就是可以预防被窃听，具备一定的防干扰能力。由于每个用户拥有不同的扩谱码，所以可以将相互正交的扩谱码做为根据，这样就将移动通信系统和数字通信原理、DS-CDMA原理很好的糅合在一起，运用相关技术，将先进技术融入到现在的软件平台中，每个用户可以用同一个频带。接收装置是对发送信号的仿真，引入了高斯白噪声的过程，也是以波形和功率谱的形式绘制出来。

三、数字通信实验软件平台实现

（一）数字通信实验软件平台验证。在进行数字通信实验软件平台验证的时候，要根据图一的整体构造对模块编程，软件实验平台的功能更加完善，比硬件平台的功能更加完善，也能实现大部分实验功能，在同一时间，有更多的扩展，如AMI/ CMI / HDB3编码部分和汉明码的编码和调制部分，BFSK，D /BASK调制技术也是一种可以实现硬件实验平台的技术。因此，操作和测试对于波形的硬件平台和软件平台是可以比较的。图3是FSK图形示波器测试和实际使用的GUI工具硬件平台的比较。

图3 软件仿真与实测对比（以FSK调制为例）

编码、调制、扩频3个主要环节都进行了有效扩展：其中编码环节增加了奇偶校验码、循环码、BCH码、RS码、卷积码、Turbo码；调制环节增加了16QaM和256QaM；扩频环节增加了扩频码设计。

（二）数字通信实验软件平台各模块。为了让学生更加清晰掌握整个操作，在数字通信实验软件平台的GUI运行后，要先在软件实验平台上点击“采样”，这样就可以提取信号，并将信号以文本格式保存在文件中，假如信号是数字就不需要这样的步骤。然后点击“输入码序列”，打开刚才的文本文件，可以看到数据就在相对应的位置，我们可以根据图4所显示的，对信道编码进行编码，选择最恰当的编码方式，图4就是从文件中读取输入码序列，然后表现编码结果，根据相对应的参数，点击“调制”，然后信号同样是以波形和功率谱的形式表现出来，图5就是演示此过程，调制方式为FSK。

图4 数字信源及其CRC信道编码波形 图5 BFSK调制信号波形及功率谱

然后对信号进行扩频，点击“扩频”按钮。输入一个信噪比值，点击“噪声”按钮，加入噪声。扩频以及加入噪声后的波形和频谱如图6所示（图中所加噪声，其信噪比为5dB）。再点击“解扩”按钮可从扩频信号中恢复原信号，然后点击“解调”按钮，对信号进行解调，然后译码得到有用信号，最后将其与输入信号进行比较。

另外需要说明的是噪声虽然在信道中存在，但实际上是在接收端引入的，所以将引入噪声这一步归在接收模块。在做卷积码仿真时，由于所用方法译码时不能将原数据全部恢复，所以需要在编码时补零，这样译码得到的才是完整的初始码序列。这次设计的GUI只包含了通信的一些基本步骤，实际情况要复杂得多。比如实际信道中还包括衰减、延迟、多径、多普勒频移等很多问题，此外，在接收端还要考虑滤波器设计、均衡、同步等问题。

参考文献

[1]皮宇锋，郭杰荣.信息通信教学软件的开发设计[J].中国电力教育，2010，15：84-86.

[2]自动化技术、计算机技术[J].中国无线电电子学文摘，2007，03：183-248.

（作者单位：呼伦贝尔学院物理与电子信息学院）

作者简介：丽娜（1980.7-），性别：女，籍贯：辽宁阜新，民族：达斡尔，职称：讲师，学历：研究生，工作单位：呼伦贝尔学院物理与电子信息学院，研究方向：电子信息。