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摘要：通信工程專業(yè)的主要課程都配有一定數(shù)量的實驗課，這些實驗課對學(xué)生的學(xué)習和掌握課程的理論知識至關(guān)重要。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)采用的是實驗箱，而實驗箱不但價格昂貴而且折舊速度較快，對高校來說是一筆很大的開銷。針對這一現(xiàn)象設(shè)計一款實驗平臺，該平臺使用MATLAB語言中的GUI設(shè)計編寫，包含通信工程專業(yè)的5門主要課程的相關(guān)實驗，教師可以通過該實驗平臺給學(xué)生上實驗課，也可以在理論課堂上進行操作，以此來輔助學(xué)生對理論知識的理解。實踐證明，該實驗平臺對學(xué)生理解理論知識和掌握編程有很大的幫助。

關(guān)鍵詞：通信工程；專業(yè)實驗平臺；MATLAB

0引言

通信工程專業(yè)是電子信息類的一個重要專業(yè)，在電子信息領(lǐng)域占用無可取代的地位。本校自2009招生通信工程專業(yè)本科專業(yè)以來，一直以立足南疆、面向兵團、服務(wù)新疆為培養(yǎng)目標。該專業(yè)主要包括《通信原理》、《信號與系統(tǒng)》、《通信電子線路》、《數(shù)字信號處理》、《移動通信》、《圖像處理》、《MATLAB仿真及應(yīng)用》和《語音信號處理》等課程，這些課程理論性強，公式較多，學(xué)生學(xué)習理解起來比較困難。另外這些課程都配有一定數(shù)量的實驗課程，實驗課程的傳統(tǒng)教學(xué)方式是采用實驗箱進行授課和操作，但是這些設(shè)備價格昂貴，而且隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，實驗箱更新速度較快，這對高校來說是一項很大的開支，并且使用實驗箱進行實驗，調(diào)試用時較長。本文針對這一情況，使用MATLAB的GUI工具開發(fā)了一個實驗平臺，該實驗平臺囊括了通信工程專業(yè)的五門課程《通信原理》、《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《圖像處理》和《語音信號處理》的所有實驗，該實驗平臺不但可以輔助教師理論教學(xué)，對學(xué)生掌握理論知識和復(fù)雜的公式有很大的幫助，對理論課上所學(xué)的抽象的知識有更加具體、直觀的認識，加深理解，而且在實驗教學(xué)上相對于實驗箱在速度方面有很大的優(yōu)勢，并且對學(xué)生掌握MATLAB語言有很大的幫助，一舉三得。

1實驗平臺展示

MATLAB語言是本校通信工程專業(yè)的學(xué)生必須掌握的一門語言，使用該語言編寫的實驗平臺學(xué)生在操作和理解方面更容易掌握。MATLAB的GUI是一款很好用的人機交互界面設(shè)計工[1]，內(nèi)含所有的GUI控件，用戶可以使用GUI提供的控件直接設(shè)計界面額FIG文件中，同時生成M文件框架，這個框架中包含了一部分和圖形回調(diào)函數(shù)，提供了管理全局數(shù)據(jù)的途徑，并支持自動回調(diào)函數(shù)原形。用戶通過修改對應(yīng)的M文件函數(shù)實現(xiàn)指定功能。圖1為該實驗平臺的設(shè)計流程，主要設(shè)計了《通信原理》、《信號與系統(tǒng)》、《數(shù)字信號處理》、《數(shù)字圖像處理》和《語音信號處理》等五門課程的實驗子平臺。這五門課程都是通信工程專業(yè)的必修課程，而且每門課程都附帶實驗課程，而這些課程的實驗基本上都是由實驗箱來完成，實驗箱的費用比較高，而且更新速度較快，這就使得高校由于經(jīng)費有限而無法滿足學(xué)生對知識的需求。使用MATLAB軟件來設(shè)計編寫的該實驗軟件平臺的優(yōu)勢就顯示出來：它不僅能滿足學(xué)生的課程實驗需求，而且在實驗的基礎(chǔ)上學(xué)生可以直接觀察和修改源代碼，這在一定程度上提高了學(xué)生的編程水平；MATLAB語言是通信及其相關(guān)專業(yè)的必修語言，對這門語言的掌握程度提高對學(xué)生的理解能力和動手能力都有很好的幫助，對學(xué)生的就業(yè)以及繼續(xù)教育也能奠定一定的基礎(chǔ)。

1.1系統(tǒng)主系統(tǒng)主界面

圖2為實驗平臺的主界面，主窗口和各個按鈕采用函數(shù)語句進行編寫。該界面的5個按鈕都能到達各自的實驗子平臺，在使用的時候右下角的“關(guān)閉”按鈕可以直接關(guān)閉該窗口，使用者也可以直接通過右上角的關(guān)閉符號來關(guān)閉窗口，背景圖片可以通過修改程序來自行更換。

1.2通信原理通信原理實驗平臺

鼠標點擊“通信原理實驗平臺”就可以進入《通信原理》課程的實驗子平臺，圖3為該平臺的窗口。該窗口使用了一個靜態(tài)的文字編輯框來編輯平臺的名稱，下面使用了下拉菜單來調(diào)用該門課程的主要的四部分實驗，這種分類方式是根據(jù)實驗的種類來分的，每個菜單有若干個子實驗，雙擊各個菜單即可進入；右下角的“結(jié)束系統(tǒng)”的功能就是關(guān)閉該窗口，回到總界面窗口。內(nèi)含模擬調(diào)制、數(shù)字基帶信號、升余弦滾降系統(tǒng)、基帶信號眼圖、2ASK、2FSK、2PSK、抽樣定理和均勻量化[2]等9個實驗，其中2ASK的實驗平臺界面如圖4所示。在該界面中，分為四個區(qū)，在“參數(shù)設(shè)置區(qū)”輸入載波頻率以后，點擊“隨機數(shù)字基帶信號”按鈕即可看到輸入信號及其功率譜密度，點擊“2ASK信號”即可觀察2ASK波形及其功率譜密度圖像。教師和學(xué)生在實驗的過程中可以輸入不同的參數(shù)來比較波形的區(qū)別。

1.3信號與系統(tǒng)實驗平臺

信號與系統(tǒng)的實驗平臺共包括6個實驗，如圖5所示，分別為序列基本運算、基本信號產(chǎn)生、LTI系統(tǒng)的時域分析、信號頻域分析、連續(xù)時間系統(tǒng)的復(fù)頻域分析和離散時間系統(tǒng)的Z域分析[3]，包括了本門課程所有的實驗。單擊即可進入相應(yīng)的實驗系統(tǒng)平臺。該平臺的離散時間系統(tǒng)的Z域分析實驗如圖6所示，實驗時只需在參數(shù)區(qū)輸入分母系數(shù)a和分子系數(shù)b，之后點擊相應(yīng)的按鈕就可在繪圖區(qū)觀察波形，改變參數(shù)，可以觀察波形變換。

1.4數(shù)字信號處理實驗平臺

該課程的實驗平臺設(shè)計如圖7所示。該課程的界面設(shè)計相對于前面兩門課程較人性化，在首頁增加了三個常見函數(shù)和波形展示區(qū)，波形的橫縱坐標也可以由操作者自行選擇，另外添加了網(wǎng)格線的操作，這在一定程度上可以增加學(xué)生對該門課程的感興趣的程度。除此之外，該門課程主要包括六個大實驗，分別是M序列的基本運算、信號的產(chǎn)生、離散傅里葉變換、卷積運算、數(shù)字濾波器設(shè)計和巴特沃斯濾波器。該實驗平臺的數(shù)字濾波器的實驗窗口如圖8所示。在各個參數(shù)窗口輸入?yún)?shù)之后，點擊相應(yīng)的濾波器按鈕，學(xué)生則可以觀察到濾波器的濾波情況，同時設(shè)計多個濾波器，可以給學(xué)生比較和觀察的空間，這對理解和記憶專業(yè)知識有很大的幫助。

1.5數(shù)字圖像處理實驗平臺

該實驗平臺根據(jù)數(shù)字圖像處理的實驗課程進行設(shè)計，共七個實驗，分別是圖像灰度級修正、圖像的平濾波、圖像的銳化處理、圖像的統(tǒng)計特性、方塊編碼、JPEG壓縮編碼和運動估計[5]。通過這七個實驗學(xué)生能掌握整門課程的要點和重點。學(xué)生可以變做實驗變理解理論知識，對課本中大篇幅的公式推導(dǎo)和理論知識的理解能起到很好的輔助作用。圖10位該實驗平臺的第一個實驗圖像灰度級修正的實驗界面，該界面主要包括兩部分，左邊為實驗區(qū)，右邊為說明區(qū)。能實現(xiàn)的功能是打開一副圖像、觀察圖像的線性拉伸、觀察一副圖像的反比效果、觀察伽馬在大于一、等于一和小于一的情況下的圖像、繪制圖像的直方圖，觀察均衡后的圖像和觀察均衡后圖像的直方圖。通過該平臺，教師和學(xué)生通過點擊各個按鈕就能選定原始圖片，可以觀察到原始圖像在經(jīng)過各種操作之后的明顯區(qū)別，也可以根據(jù)此平臺總結(jié)出參數(shù)對圖片起到的影響，最后加深學(xué)生對均衡的認識和理解。

1.6語音信號處理實驗平臺

該實驗平臺根據(jù)《語音信號處理》課程的需求設(shè)置了六個實驗，分別是語音信號的短時間分析、同態(tài)分析、線性分析、基音估計、語音合成和語音增強[6]。這六個實驗貫穿本門課程，對學(xué)生的理解和記憶專業(yè)術(shù)語起到很好的輔助效果。圖12位該門課程實驗平臺的“語音增強”實驗界面，該實驗中可以通過“原始信號”按鈕選擇一個語音信號、觀察其波形和聽到該段語音；通過“語音加噪”按鈕可以對原始信號進行加噪、觀察到加噪后的波形和聽到加噪后的語音；通過“語音增強”按鈕可以觀察語音增強之后的波形、聽到增強之后的聲音。視覺上的觀察圖像和聽覺上的語音雙層感受對學(xué)生理解語音的增強技術(shù)有很好的幫助，在提高學(xué)生對課程的感興趣程度方面也有很好的幫助。

1.7平臺通用化

該實驗平臺通過一定的步驟可以轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行安裝文件EXE格式，在沒有安裝MATLAB的計算機上仍然可以進行實驗演示。

2結(jié)語

該實驗平臺包括了通信工程專業(yè)的五門主要課程，每門課程都有5-8個實驗，這些實驗看似獨立又相互相關(guān)，一門知識的掌握對后面課程的學(xué)習都能起到積極的作用。事實證明，這些實驗的操作和展示對學(xué)生理解理論知識和掌握專業(yè)知識能起到很好的輔助作用；通過實驗和理論的結(jié)合，使得枯燥的課堂變得生動，學(xué)生對專業(yè)課程的興趣也有所提高；學(xué)生對MAT⁃LAB編程語言掌握水平有很大程度的提高；相對于傳統(tǒng)實驗的試驗箱，這款實驗平臺能起到更好的作用。

參考文獻：

[1]劉衛(wèi)國.MATLAB程序設(shè)計教程(第二版)[M].北京:中國水利水電出版社，2010.

[2]樊昌信，曹麗娜.通信原理(第七版)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2016.

[3]吳大正，楊林耀，張永瑞.信號與線性系統(tǒng)(第四版)[M].北京:高等教育出版社，2005.

[4]高西全，丁玉美.數(shù)字信號處理(第三版)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[5]孫正.數(shù)字圖像處理[M].北京:機械工業(yè)出版社，2014.

[6]趙力.語音信號處理[M].北京:機械工業(yè)出版社，2016.

作者:陳杰 石魯珍 姚娜 單位:塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院通信工程系