GUI在通信原理课程实验的应用

GUI在通信原理课程实验的应用

刘思洋，（ 通讯作者： 吕美妮）

梧州学院 广西 梧州 543002

摘要：目前通信专业学生在进行MQAM仿真实验时，涉及到的概念原理比较抽象难懂，数学公式多，比较枯燥，所采用到实验方式比较传统，难以使学生理解。MATLAB软件的GUI 是一个仿真实验演示类平台，本次实验设计的平台界面可根据码元速率、不同进制的调制解调和信噪比、滤波器参数设计，给出系统中不同功能模块输出的仿真和测试结果，实现基础的调制解调及进制间的切换，在此基础上能够点击按钮观察到每个节点上对应信号的波形，并且计算实际误码率和理论误码率。平台能够直观地显示系统中信号在时域上的变化，使得学生对MQAM系统有着更深入的理解 。本文是基于MATLAB中图形用户界面（GUI）设计并实现了MQAM信号调制解调系统，重点体现了GUI界面下MQAM的灵活实现。

关键词：MATLAB GUI； MQAM； 演示系统； 调制解调

Application of GUI in experiment of communication principle course

LiuSiYang,LvMeiNi

（Wuzhou College）

Abstract: At present, MQAM involves many abstract concepts, which makes it difficult for students to understand the traditional communication experiments. The GUI of MATLAB software is a simulation experiment demonstration platform. The platform interface designed in this experiment can give the simulation and test results output by different functional modules in the system according to the symbol rate, modulation and demodulation, signal-to-noise ratio and filter parameter design, so as to realize the basic modulation and demodulation and the switching between systems. On this basis, you can click the button to observe the waveform of the corresponding signal on each node, The actual bit error rate and theoretical bit error rate are calculated. The platform can intuitively display the changes of signals in the system in time domain, which makes students have a deeper understanding of MQAM system. This paper designs and implements the MQAM signal modulation and demodulation system based on the graphical user interface (GUI) in MATLAB, which focuses on the flexible implementation of MQAM under the GUI interface.

Key words: MATLAB GUI； MQAM； demonstration system； modulation and demodulation；

1 前言

在通信原理的教学和仿真实验中，传统的方法大多为手动记录实验数据和用电子箱进行试验，由于MQAM系统中大多数变量和公式之间大部分是较为繁琐的理论和推导，使学生感到乏味和难以接受。在现实生活中MQAM系统是一个功能结构相对复杂的系统，系统参数的设置都会对整个系统的可靠性和稳定性造成影响。使用 GUI界面可以设计出更适合教学使用的MQAM系统。在通信原理课程教学中，其清晰的功能和灵活的界面切换可以直观地展示信号在MQAM系统中各阶段的时域波形和频域波形，有利于学习者理解和掌握完整的MQAM系统的概念，对教师教学产生有益的帮助

^[1]。

2 MQAM系统

MQAM信号的调制原理过程如下：进行串/并转换。输入的二进制比特流分成I、Q两路信号。进行进制的转换。将输入的I、Q两路二进制信号转换为两路M进制信号。进行正交调制。两路信号相加输

出。

调制步骤如下：（1）将随机输入的二进制比特流经过串/并转换形成两路I、Q信号。

（2）根据I、Q两路信号进行2到 进制的转换。

（3）将两路进制转换后的I、Q信号分别与两个正交载波 和 相乘，相加得到MQAM信号。

MQAM系统解调为调制的逆过程。实际仿真运行中主要用到的三种解调方式为：模拟相干解调、数字相干解调、全数字解调^[2]。此次用到相干解调的方法对MQAM信号进行解调。

将通过AWGN信道叠加了高斯噪声的MQAM信号分别与两个载波相乘,然后经过升余弦滚降滤 波器滤除乘法器产生的高频分量，然后用门限电平为(L-1)的抽样判决器，恢复出两路M进制的信号，将两路信号进行L-2进制的转换，最后经过并/串变换器将两路二进制信号结合为一路二进制信号。

3 教学演示平台及案例分析

3.1 教学演示平台

GUI(Graphical User Interface) 人机交互图形化用户界面设计。MATLAB的GUI是由各种图形和控件对象构成的用户界面，是现代科学水平中较为成熟的一个界面，能够做到实时修改实时展示的效果，根据界面的提示和控件的放置，就能够完成实验。用户通过自主选择按键将请求的按钮绘制到目的位置，GUI界面设计就完成。此外，这种方法在保存代码文件时十分人性化，允许设计者在进行修改设计时快速找到回调函数，更改对应代码，完成编写，故GUI驱动程序简单高效。

基于 GUI的通信MQAM仿真平台的主要功能是：对MQAM系统进行调制解调，并加入不同信噪比噪声分析实际误码率和理论误码率，点击相应波形展示各个步骤的时域波形图。系统主界面如图1所示。用户可通过GUI主界面设置参数：输入的进制模式、信噪比、码元速率等各类参数后进行效能仿真，点击运行按钮实现调制解调过程。点击对应的阶段按钮可直接观察各种方式下不同MQAM信号的调制解调过程，直观感受MQAM的每个步骤。

图1 系统总界面

3.2仿真流程

平台仿真流程步骤如下：

Step1：设置调制进制数。本次使用到的M进制为4、16、64、256的QAM进行调制解调，可以根据需求任意输入。

Step2：设置码元速率。码元速率的大小决定了码元个数，抽样判决等，在本次调制中信号的码元速率可以选择：1.2kbps,，4.8kbps，9.6kbps

Step3：设置信噪比参数。信噪比参数设置可设置各种不同干扰信号的参数。使用到了常见的高斯白噪声叠加，设置的信噪比为0，5，10，20

Step4：设置滤波器参数。根据奈奎斯特原理，选用到了升余弦滚降滤波器，使用不同滚降因子对信号进行滤波，设置的参数有：0，0.25，0.5，0.75，1

Step5：软件仿真。按下“开始仿真”按钮后，根据界面的选择参数设置调用GUI里的代码实验整个MQAM系统的调制解调，并计算该模式下的误码率。可以点击界面的上方的“restart”按钮，可以重新开始，当完成全部内容时点击“关闭”按钮即可退出系统。

3.3 仿真案例分析

调制模式选择“16QAM”，码元速率选择“9.6kb/s”，信噪比选择“20dB”，旋转因子为“0.25”， 的仿真实现系统为例，展示部分仿真图形。输入信号的时域图形如图2所示。调制之后，信号经过高斯白噪声（AWGN）信道后，对加了噪声后的信号进行滤波，分别与两路本地相互正交的载波相乘之后进行抽样判决，抽样判决后进行4-2进制的转换，最后经过并/串转换输出二进制比特流信号如图3所示。

图2输入比特流

图3解调恢复的二进制比特流

从解调后的信号可以看出，时域信号图2与图3相比大致吻合。根据系统的实际运算我们可以的到最准确的本次系统的总码元个数、误码个数并算出实际误码率

点击理论误码率曲线，可以跳转到另一个计算展示理论的误码率的界面，在此界面中对同等参数下的MQAM系统计算理论误码率，通过理论误码率和实际误码率的对比，学生可直接理解其中的原理。

4 结束语

对多进制正交幅度调制技术系统（MQAM）设计进行了研究，利用了Matlab下 GUI开发设计了一款多进制正交幅度调制技术演示系统。在以往的实验课程中，学生会由于繁琐的数学表达式和波形图难住，通过本系统演示的界面进行实验，能够实现简洁明了，动态的展示调制过程中的步骤与具体图像。利用GUI界面进行MQAM的教学，能够解决学生在学习通信仿真系统时的“难点”，便于分析，但存在一些不足，影响教学效果。故在今后的学习和应用中不断完善、更新，展示更为优质，高效的互动平台。

参考文献

[1]樊昌信,曹丽娜.通信原理 (第七版)[M]. 北京:国防工业出版社 ,2013.09.

[2] 任景光.QAM 通信系统的设计与仿真 [J]. 电子制作 ,2017(Z1): 5-6.

[3]王怡,涂宇,谭泽涛,吕雅婷.基于Simulink的16QAM调制解调系统的设计与仿真[J].电子技术与软件工程,2020(17):83-84.

[4]王正林.精通MATLAB GUI设计[M].北京:电子工业出版社，2008

[5]贾墨林.MQAM调制解调系统设计[D]．北京:北京化工大学，2009.

[7] 梁先国. 城市污水监测系统中的无线视频传输研究与关键技术实现[D].江苏大学,2010.

[8] 张长青. 面向5G的高阶基带调制解调器MQAM技术[C]//5G网络创新研讨会（2018）论文集.,2018:157-164.

[9]胡培勤.Matlab在数字通信系统仿真中的应用[J].佛山科学技术学院学报(自然科学版),2007(04):24-2