基于Matlab的通信原理可视化教学平台

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摘 要:本文以推动通信原理课程的教学改革为目标,采用Matlab仿真平台及JaWeb混合编程技术,设计并实现了B/S结构的通信原理可视化辅助教学平台.本平台采用在线可调的典型参数设计方式,提供实时在线仿真功能,包括调制和编码等复杂过程的通信流程,以及各个通信节点的信号时频域波形的讲解等.本平台可以辅助通信原理课程的关键概念和主要通信过程,能够提高教学效果和学生的学习积极性,并使学生能够更好地对比实验结果和仿真结果.

关 键 词:通信原理;可视化;教学平台

中图分类号:TP391.9

通信原理是通信工程、电子信息工程等专业的一门专业必修课,其概念多、理论抽象、数学和概率知识要求高.独立学院学生的数学和逻辑能力普遍较弱,自学能力较差,在学习过程中普遍感觉吃力,学习效果不明显.在通信原理教学过程中,过多强调数学推导和理论分析,无疑使学生产生畏难心理,难以激发学生的学习兴趣.


在当前的多媒体教学中,很多教师只是将课本内容搬到屏幕上,一般都是文字说明与公式推导辅以简单的图表说明,没有从根本上解决该课程直观性差、趣味性低的缺点[1,2].

基于以上背景,本文针对通信原理关键内容实现了在线参数可调的可视化仿真演示,使学生能够直观地观察信号在通信过程中的变换及特点.

1通信原理辅助教学平台分析

本平台的设计目标是针对通信原理理论教学中概念抽象、不易理解的特点,提供可视化的实时演示,针对实验过程中情况多变的特点,提供仿真结果用于指导实验分析.

1.1通信原理教学内容.现行的通信原理理论课课程安排侧重于通信原理的关键基础知识,实验课侧重于通信流程中各个节点的基础性知识,其内容如图1.

1.2Matlab支持下的仿真平台流程.本文以Matlab为仿真平台,采用MatlabBuilderJA和JaWeb混合编程技术,实现基于B/S结构的辅助教学平台.

Matlab和JaWeb混合编程的一般流程[5],通过使用Matlab的动态链接库MCRInstaller、JaWeb与MatlabBuilderJA[3,4,5]的开放接口进行交互,把Web界面中的数据传递给HTTP后台服务;然后这些数据依次传递给Matweb、Matlabserver、Matlab进行仿真运算;之后,Matlab把运算结果以及图形返回给HTTP后台服务;最后,HTTP后台服务把数据和图形显示在JaWeb页面中.

2通信原理辅助教学平台设计

2.1系统结构.通信原理可视化辅助教学平台主要支持图1所示的信号源、模拟信号数字化、基带信型、数字调制和同步技术等六部分.本系统充分利用Matlab的计算仿真能力和JaWeb的网络通信能力及界面显示,采用Matlab实现实时计算和仿真,解决信号调制与解调中的巨大运算量问题,采用JaWeb技术实现通信流程和信号时频波形的显示,解决数据的输入输出和效果展示等问题.

2.2功能设计.通信原理知识点的仿真要求通过可视化、参数可调节的方式,演示信号在调制、解调、编码过程中的时频域波形及其变化.

以模拟调制(AM)的幅度调制为例,在如图2所示的AM调制页面上,提供AM调制解调的流程、AM调制解调原理的访问链接和调制解调过程中的关键参数设置,显示AM通信过程中每个节点处信号时频域波形.

3通信原理辅助教学平台实现

以AM模拟调制和基带信型为例,说明平台的实现方法和效果.

3.1AM模拟调制的实现.按照AM通信流程,在图2中把信号的整个传输过程划分为信源及调制、信号的传输、相干解调、非相干解调、查看频谱等五个部分.每部分可以独立地显示相应的信号时频域波形,AM仿真提供可调的参数选项,并设置了典型值,包括仿真运行时间、调制信号(正弦波)的频率、载波频率等四个可调参数及其典型值.

单击查看频谱功能,可以查看已调信号频谱,如图3(a).在AM已调信号传输过程中,为已调信号添加30dB的随机噪声,如图3(b).在AM解调模块中,用户可以选择“相干解调”与“包络解调”[6,7,8,9]两种解调方法,解调效果分别如图3(c)和3(d).用户可以通过对比两种解调方法在处理受噪声干扰已调传输信号过程中信号变化的情况,从而对比并理解两种解调方式的特点和性能.

3.2基带信型的实现.基带传输系统对常用的基带信型的编码规则与基带传输系统的基本原理[10]进行描述,包括单极性非归零码、单极性归零码、双极性非归零码、双极性归零码、差分码、数字双相码、传号交替反转码(AMI码)、三阶高密度双极性码(HDB3码)等.例如,HDB3码是AMI码的改进码型,输入码组中如果出现4个连“0”,就用特定码组(取代节)来替代,这种码型具有较强检错能力与较好的抗干扰性能.HDB3有两种取代节:B00V与000V,其中B是符合交替规律的传号,V是不符合交替规律的传号(破坏节).取代节的替换规则要求两个破坏节之间的B是奇数.图4给出了码型变换的界面效果,以在用户给定的消息码情况下AMI码和HDB3码的编码情况.

4结束语

《通信原理》可视化辅助教学平台是对通信原理教学改革的一次实质性的探索.本文通过Matlab和JaWeb混合编程技术,构建了基于Matlab的B/S结构可视化仿真演示平台.本平台用于理论教学,可以弥补理论讲解过程中缺少直观效果、理论讲解过于枯燥的缺点,给教师提供了一个通信原理知识讲解的辅助手段,同时为学生提供了一种与时俱进的学习方式.本平台还可以用于辅助通信原理实验,为学生提供直观的、可验证的仿真结果,使之与物理实验结果相对照,提高学生实验积极性和实验效果.通过教学实践表明,采用实时可视化地演示方式,能够提高学生的学习效率,可以使教与学达到事半功倍的教学效果.在今后的教学改革中,本平台将在用户体验、网上互动等方面进行改进.

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