數字通信實驗軟件平臺的GUI設計

引言：此次軟件平臺的設計包括編碼和調制解調兩個方向，Matlab交互界面以及數字通信系統的原理是輔助其實現的基礎，設計后的軟件可以在啟動時清楚的展現整個通信系統的情況。在課堂講解時，不僅能方便學生快速掌握知識，還能讓學生在課堂上即興修改知識點，這樣不僅便于學生掌握基礎知識，還能幫助學生不斷拓展。Matlab教育界面的優點就是有很好的移動性和拓展性，為了便于學生學習，每個模塊可以分離出來形成單獨的個體，這樣方便學生們研究加深學習印象，最后每個單獨的個體還可以組合成為原來的整體，成為一個強大的綜合數字系統。這樣的軟件平臺對于學生從宏觀到微觀的學習都很有好處。

一、傳統數字通信原理實驗現狀

（一）數字通信原理硬件實驗平臺。1.采樣基礎及采樣編碼類實驗。包括：脈沖幅度調制、脈沖編碼調制、自適應差分脈沖編碼調制和連續可變斜率增量調制實驗。2.調制解調類實驗。包括：移頻鍵控、二進制移相鍵控、差分二進制相移鍵控、最小移頻鍵控、高斯最小頻移鍵控、正交相移鍵控、偏移四相相移鍵控和正交幅度調制實驗。3.編碼解碼類實驗。包括：漢明碼實驗、加擾碼實驗、傳號交替反轉碼/三階高密度雙極性碼碼型變換和傳號反轉碼碼型變換實驗。4.接口類實驗。包括：用戶環路接口實驗、雙音多頻檢測實驗、RS442接口實驗和RS232接口實驗。5.系統性實驗。包括：IS95擴頻系統Walsh碼特性測量、IS95（CDMA/DS）系統信號傳輸實驗和移動衰落信道通信系統綜合測試。

（二）數字通信原理硬件實驗平臺面臨的問題。前面所提到的實驗平臺集多種功能于一體，包括對無線通信常用的技術教學，幫助學生時間，里面涵蓋了數字通信的原理已經當前最現代的技術技能，此實驗平臺系統結合了數字通信硬件平臺的原理、技術、實踐多方面，可以說實用又簡便，雖然現在硬件平臺凸顯很多優點，但是還面臨很多問題需要改進實驗平臺。1.在實驗時，試驗箱中的專有模擬芯片，雖然根據數字通信原理設計，但是由于設計效果欠佳，模擬鎖相環實驗時方法比較老，所以模擬芯片的電路時常有受損情況。2.在數字調制實驗數字實驗箱鏈接的處理方式通常是很模糊的，特別是解調和同步算法的結果不能被測試和評價這個問題，使學生按照規定的順序操作得到的僅僅是實驗結論，并沒辦法進一步的研究的內部機理。3.這個硬件平臺受限于模擬芯片的容量和處理分析能力，內容和實踐具體步驟受限，發展空間也有一定的局限性，對學生的創新能力的發揮有很大影響。4.由于這個數字硬件實驗平臺的相關部件比較容易受損，這也導致實驗成本升高。針對以上陳述，本文利用Matlab的GUI工具，將用于用于數字通信原理實驗軟件平臺和數字通信原理有機結合，總之，硬件平臺的發展，對于提高學生的自主設計能力，理論與實踐相結合，以及提高數字通信理論課程的教學效果有很大幫助。

二、數字通信實驗軟件平臺設計

（一）數字通信實驗軟件平臺系統。此次根據數字通信原理設計的軟件平臺既有發送裝置，又有接收裝置，分為這兩個部分。根據圖1我們可以看出，此軟件平臺有幾個構成部分。被虛線框住的軟件部分代表的是軟件平臺增加的擴展部分。整個平臺系統分為以下一個部分：采樣、量化、編碼、重構。編碼和調制就是我們常用的信道編碼和調制，這樣不僅可以在軟件平臺上實現功能，還能在硬件平臺上實現調制實驗和信道編碼。在這些模塊都完備以后，我們還要完善其他子模塊，以便于各項數據可以在一個模塊流轉到下一模塊，圖中接收端沒有展開探討是因為接收端是發送端的逆過程，所以不予考慮。系統在具體應用調試時，還要不斷修改和完善。

圖1 數字通信原理軟件實驗平臺系統框圖

（二）數字通信實驗軟件平臺。軟件實驗平臺采用了Matlab軟件中的GUI工具，數字通信原理軟件實驗平臺系統界面見圖2。

圖2 數字通信原理軟件實驗平臺系統界面

由圖2可知，Matlab軟件中的GUI工具也有圖1中的接受和發送部分，除此之外，還有數字通信軟件平臺的參數和顯示，這些方面最終以時頻域的方式表現出來，顯示運行結果。

在Matlab軟件中還有相對應的存儲模塊來存放通信信號以及臨時通信信號，在數字通信實驗軟件平臺中發送信號要經歷采集樣本、輸入序碼，以及整個數字信道的編碼和數字調制的全過程，在采集樣本時要實現將信號化為數字數列這樣的形式，只有轉變成為數字序列，才能將其存入文件；輸入序碼指的就是文件中抽取序碼讀??；信道編碼就是仿真常見的編碼方式，比如CRC碼和卷積碼，以此進行差錯控制；數字調制采用的不同進制的調制方法，調制后會將信號繪制成波形或功率譜，主要運用的進制方法有ASK、FSK、PSK或者MSK等等；擴頻指的是對載波的調制方式，主要是運用高速偽隨機的序列方式，因為他的速率遠遠大于原來我們說的元新號碼的速率，方便信號的充分擴展。他的優點就是可以預防被竊聽，具備一定的防干擾能力。由于每個用戶擁有不同的擴譜碼，所以可以將相互正交的擴譜碼做為根據，這樣就將移動通信系統和數字通信原理、DS-CDMA原理很好的糅合在一起，運用相關技術，將先進技術融入到現在的軟件平臺中，每個用戶可以用同一個頻帶。接收裝置是對發送信號的仿真，引入了高斯白噪聲的過程，也是以波形和功率譜的形式繪制出來。

三、數字通信實驗軟件平臺實現

（一）數字通信實驗軟件平臺驗證。在進行數字通信實驗軟件平臺驗證的時候，要根據圖一的整體構造對模塊編程，軟件實驗平臺的功能更加完善，比硬件平臺的功能更加完善，也能實現大部分實驗功能，在同一時間，有更多的擴展，如AMI/ CMI / HDB3編碼部分和漢明碼的編碼和調制部分，BFSK，D /BASK調制技術也是一種可以實現硬件實驗平臺的技術。因此，操作和測試對于波形的硬件平臺和軟件平臺是可以比較的。圖3是FSK圖形示波器測試和實際使用的GUI工具硬件平臺的比較。

圖3 軟件仿真與實測對比（以FSK調制為例）

編碼、調制、擴頻3個主要環節都進行了有效擴展：其中編碼環節增加了奇偶校驗碼、循環碼、BCH碼、RS碼、卷積碼、Turbo碼；調制環節增加了16QaM和256QaM；擴頻環節增加了擴頻碼設計。

（二）數字通信實驗軟件平臺各模塊。為了讓學生更加清晰掌握整個操作，在數字通信實驗軟件平臺的GUI運行后，要先在軟件實驗平臺上點擊“采樣”，這樣就可以提取信號，并將信號以文本格式保存在文件中，假如信號是數字就不需要這樣的步驟。然后點擊“輸入碼序列”，打開剛才的文本文件，可以看到數據就在相對應的位置，我們可以根據圖4所顯示的，對信道編碼進行編碼，選擇最恰當的編碼方式，圖4就是從文件中讀取輸入碼序列，然后表現編碼結果，根據相對應的參數，點擊“調制”，然后信號同樣是以波形和功率譜的形式表現出來，圖5就是演示此過程，調制方式為FSK。

圖4 數字信源及其CRC信道編碼波形 圖5 BFSK調制信號波形及功率譜

然后對信號進行擴頻，點擊“擴頻”按鈕。輸入一個信噪比值，點擊“噪聲”按鈕，加入噪聲。擴頻以及加入噪聲后的波形和頻譜如圖6所示（圖中所加噪聲，其信噪比為5dB）。再點擊“解擴”按鈕可從擴頻信號中恢復原信號，然后點擊“解調”按鈕，對信號進行解調，然后譯碼得到有用信號，最后將其與輸入信號進行比較。

另外需要說明的是噪聲雖然在信道中存在，但實際上是在接收端引入的，所以將引入噪聲這一步歸在接收模塊。在做卷積碼仿真時，由于所用方法譯碼時不能將原數據全部恢復，所以需要在編碼時補零，這樣譯碼得到的才是完整的初始碼序列。這次設計的GUI只包含了通信的一些基本步驟，實際情況要復雜得多。比如實際信道中還包括衰減、延遲、多徑、多普勒頻移等很多問題，此外，在接收端還要考慮濾波器設計、均衡、同步等問題。

參考文獻

[1]皮宇鋒，郭杰榮.信息通信教學軟件的開發設計[J].中國電力教育，2010，15：84-86.

[2]自動化技術、計算機技術[J].中國無線電電子學文摘，2007，03：183-248.

（作者單位：呼倫貝爾學院物理與電子信息學院）

作者簡介：麗娜（1980.7-），性別：女，籍貫：遼寧阜新，民族：達斡爾，職稱：講師，學歷：研究生，工作單位：呼倫貝爾學院物理與電子信息學院，研究方向：電子信息。