通信原理虚拟仿真实验平台的设计与实现

路涵铭 孟令辉 李永乐 于平 孙如英

摘  要：为提高通信原理课程的学习效果，充分锻炼学生实验动手能力，采用MATLAB GUI开发工具设计一套可视化的虚拟仿真实验平台。该平台可实现模拟调制、数字调制、数字基带传输和模拟信号数字化等功能模块的实验教学，可视化操作界面能提升学生对通信系统的基本原理和模型的理解力，提高学生学习兴趣。该仿真平台使用方便、可靠性强，可作为传统教学的有益补充。

关键词：虚拟仿真；通信原理；图形用户界面（GUI）；数字化；频率

中图分类号：TP391.9      文献标志码：A          文章编号：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专业的专业核心课程。本课程内容丰富，知识体系繁杂，逻辑性、原理性、综合性强，抽象概念多，对于教和学都有一定的难度。虚拟仿真实验平台作为一种新型的教育教学工具用来辅助教学，可以提高学生的理解力和学习积极性，结合操作性实验可有效提高人才培养质量[1-3]。

本文以MATLAB GUI为开发工具，设计了一款可视化的通信原理虚拟仿真实验平台，该平台包含模拟调制、数字调制、数字基带传输和模拟信号数字化等功能模块，可以更加形象直观地展示通信系统的基本原理和基本概念，帮助学生理解和体会抽象难懂的物理概念和理论公式，以此提高学生们的学习兴趣。

1  实验平台整体设计

实验平台包含模拟调制、数字调制、数字基带传输和模拟信号数字化4个模块，对应通信原理这门课程的实验内容，平台的设计框图如图1所示[4]，该平台的结构设计分为主模块和子模块，在完成子模块的设计之后，先对各个子模块进行调试仿真，确保无误后将子模块加到主模块当中，由主模块对各个子模块进行调用。平台主界面如图2所示，每个按钮对应各子模块，可以跳转进入任意子模块中。

以数字基带传输模块为例，创建MATLAB GUI子界面。每个子界面以坐标窗口、弹出框、按键和动态文本框等为基本部分，并根据需要对其属性进行设置[5]，其编辑界面如图3所示。

2  系统测试

2.1  模拟调制模块

该模块能够实现模拟信号的调制与解调，调制方式包含幅度调制AM、DSB、SSB、VSB和频率调制FM，其调制方式的选择通过下拉菜单进行。通过设定基带信号及载波信号的幅度和频率，调制指数，可以输出基带信号、载波、已调信号和相干解调信号的时域和频域图像。

以AM调制与解调为例进行系统测试，AM调幅信号由原始基带信号m（t）叠加一个直流量A0后与载波信号相乘形成，其调制指数等于|m（t）|max与A0的比值。AM信号的解调使用相干解调方式，其调制解调框图如图4所示。

当输入基带振幅为2，基带频率为5 Hz，载波频率为100 Hz，调幅指数为0.5时，通过点击相应的按钮，得到基带信号、载波信号、已调信号及相干解调信号的波形及频谱，如图5所示，显然测试结果与理论结果相符。

2.2  数字调制模块

该模块能够实现二进制数字信号的调制与解调，通过下拉式菜单可以对2ASK、2PSK、2FSK和2DPSK 4种实验信号进行选择。当切换实验信号时，需要重新生成基带信号，同一实验信号下可不用重复生成基带信号。数字调制中的基带信号均为二进制随机码，载波信号均为余弦信号。其中，频谱图按键可以生成调制解调中部分流程产生的信号频谱，可以对信号进行频谱分析。

设置序列长度为10，载波频率为1 000 Hz，载波幅度为1，2FSK调制方式时系统的输出结果如图6所示。其中，2FSK信号的第二个载频的频率为设定载波频率的4倍，即为4 000 Hz。通过调节本模块的参数，可以观察不同调制方式下调制信号的波形，深入理解数字调制的概念，同时可以观察通信过程中不同环节信号的频谱，弥补了操作性实验由于缺少频谱分析仪无法观察信号频域特性的缺陷。

2.3  数字基带传输模块

数字基带传输系统仿真结构图如图7所示，由信源、发送/接收濾波器、噪声和抽样判决几部分构成。基带传输系统模块中用到的信源有单极性归零码、双极性归零码、单极性非归零码和双极性非归零码4种形式的信号，点击相应文字按钮即生成其信号波形和功率谱。发送和接收滤波器选择理性低通、升余弦滤波器、平方根升余弦滤波器3种形式，点击相应按钮即可生成发送滤波器和接收滤波器的波形和眼图。点击抽样判决按钮，弹出抽样判决界面即可进行抽样判决。

选择单极性归零码，滚降系数为0.5，升余弦滤波器时，其基带信号波形和频谱图、加入噪声和不加入噪声的发送和接收滤波器输出信号波形图分别如图8（a）、图8（b）所示。信噪比为20 时，抽样判决输出信号波形如图8（c）所示。从图8（b）可以看出，有噪声时，信号的眼图变得比较杂乱、模糊。

（a）  滚降系数0.5，不加入噪声，选择升余弦滤波器示意图

（b）  滚降系数0.5，加入噪声，选择升余弦滤波器示意图

（c）  信噪比为20时的抽样判决

2.4  模拟信号数字化模块

模拟信号数字化是将模拟信号转变为二进制数字信号的方法，也称为脉冲编码调制（PCM），其原理框图如图9所示。

在发送端，对输入的模拟信号m（t）进行抽样、量化、编码。编码后的PCM信号是一个二进制数字序列，其传输方式可以采用数字基带传输，也可以是对载波调制后的带通传输。在接收端，PCM信号经译码后还原为量化值序列（含有误差），再经低通滤波器滤除高频分量，便可得到重建的模拟信号■（t）。

该模块的界面设置及测试结果如图10所示，输入频率、幅度、采样率之后，分别点击plot、抽样、量化可以生成原始信号图像、原始信号的抽样图像、量化信号图像；点击非均匀量化按钮生成A律压缩后的信号图像、A律压缩后的抽样值和量化值对比图、A律压缩后的误差分析图；点击PCM编码生成均匀量化后的PCM编码图，同时生成编码失真度数据；点击译码按钮生成PCM编码之后的译码图。本模块图形结果有助于学生理解A律非均匀量化的概念，研究不同采样率下信号的量化误差和失真度。

3  结束语

通信原理仿真实验平台内容涵盖了课程的重要原理和概念，人机交互界面设计友好、操作方便、形象直观，能够对通信原理课堂教学及实验教学起到较好的辅助作用。通过该平台，学生可以简单便捷地输入或调节仿真实验的参数，观察波形、频谱等输出结果，从而将抽象难懂的理论变得直观可见，加深对通信原理基本概念和基本原理的理解及掌握。

参考文献：

[1] 马月红，孙晓云，刘素艳. 基于Matlab GUI“数字信号处理”实验平台设计[J].电气电子教学学报，2021，43（1）：164-167，171.

[2] 黄婷婷，冯锋.基于Matlab GUI的数字信号处理仿真系统研究与设计[J].无线互联科技，2019，16（9）：59-61.

[3] 杜世民，杨润萍.基于Matlab GUI的“信号与系统”教学仿真平台开发[J].实验技术与管理，2012，29（3）：87-90.

[4] 樊昌信，曹丽娜.通信原理[M].7版.北京：国防工业出版社，2009.

[5] 王光，邢林芳.MATLAB GUI程序设计[M].北京：清华大学出版社，2018.