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2〇2〇年第19卷第
22期
浅谈Python 语言在通信原理教学中的应用
□刘琼吴慢王连成柴一峰刘明伟
【内容摘要】根据通信原理课程的特点，探讨了 Python 语言在通信原理课程中的教学应用，完成了 2ASK 调制解调系统的演示
实例。并且利用PyQt ，设计了一个2ASK 调制解调的图形界面系统。结果证明：这种方式能够将通信原理的重要 知识点以图形的方式直观地展现在学生的面前，能够激发他们的学习兴趣，从而改善教学效果，提高教学质量。
【关键词】Python ；通信原理；图形用户界面；2ASK
【基金项目】本文为2019年度湖南省教育厅“普通高等学校教学改革研究项目”（编号：G 21916)和2018年度湖南科技大学“教
学研究与改革项目”（编号：G 31819)研究成果。
【作者简介】刘琼（丨983.4 ~ )，男，湖南衡阳人，湖南科技大学物理与电子科学学院讲师，博士；研究方向：二维材料、微纳光子学
吴熳，王连成，柴一峰，刘明伟；湖南科技大学物理与电子科学学院
本文将Python 语言引人到通信原理教学中来，结合通信 原理中2ASK 数字调制系统的调制和解调框图，利用Python  语言进行设计与仿真，给出调制和解调过程中信号的波形， 便于学生掌握和应用基本知识，使学生更加直观地了解调制 和解调过程。
_、2ASK 调制信号产生
相对于基带传输，数字调制传输具有抗噪声能力强、可 以减小天线尺寸以及可以实现多路复用等优点，被广泛应用 于高质量长距离数字通信系统中。因此，让学生理解和掌握 数字调制以及解调原理是通信原理课程教学中的一个重点。 数字调制方式中的ASK 调制类似于模拟调制中的AM 调制， 是一种正弦载波的幅度随数字基带信号的变化而变化的一 种数字调制技术。当数字基带信号是二进制时，即为2ASK 。 2ASK 调制信号可表示为：
e 2A S K (0 =s (t )c
〇SO)et
(1)
其中,S (t ) = Z a …g(t  -nT .)是单极性数字基带信号，a …n
的取值是〇或者1。2ASK 的调制信号产生方法有两种，一种 是键控法，另一种是模拟相乘法。模拟相乘法产生2ASK 调 制信号的方法如图1所示。
二进制
非归零信号
2 A SK 调制
信号，
e 2A S K ⑴
图1模拟相乘法
使用Python 语言产生2ASK 调制信号的程序如下所示:
im port  numpy  as  np
im port  matplotlib . pyplot  as  pit
im port  m ath sampling  =0. 01
t  = np . arange ( 0, code _num /Rs , sampling/Rs  )
Data_length  = len ( t )code  = np . random . randint (0,2,code _num )Ask_base  = np . zeros  ( Data _lenglh ) for  i  in  range  ( Data _length )：
Ask _base [ i ] = code [ math , floor (t [ i ] * Rs )] carrier  = np . cos (2 * math , pi  * Rc  * t )Ask 一ni  = np . multiply ( carrier , Ask 一base ) fig  = pit . figure ( figsize  = (8 ,6))ASK _3 = fig . add 一subplot  ()
pit . plot (t , Ask _m ," b ")
Python 语言专用的科学计算扩展库很多，在2ASK 调制
信号的产生过程中，我们主要使用了 NU mpy 、matP l 〇tlib 以及random在python中的意思
math 三个扩展科学计算库。其中NumPy 是Python 语言中的
一种开源数值计算库，主要是用来做快速数组处理，它比Py ­thon  语言本身的列表结构更高效，并且支持髙维数组和矩阵 运算。math 用来做数学计算,matplotlib 主要用来做绘图。在 我们的仿真中，码元数t t 设定为20个，码元传输速率为 1,000 Baud ，载波频率为2, 000Hz 。仿真结果如图2所示，从 图中可以清楚的了解2ASK 信号的产生过程。
二、2ASK 相干解调
2ASK 信号有两种基本的解调方式，分别为非相干解调 (包络检波法）和相干解调（同步检测法）。其中相干解调比 非相干解调的抗噪声能力更好，因此，在本文中，主要考虑相 干解调。在这一部分，主要采用Python 语言来实现ASK 相千 解调过程，展示解调过程中各个节点处的波形。相干解调的 原理框图如图3所示。
使用Python 语言实现2ASK 信号相干解调的程序如下所code_num  = 20示：
Rs  = 1000 Rc  = 2 * Rs
from  scipy  im port  signal
Ask _de_m  = np . multiply (carrier , Ask _m )
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.
图3 2ASK 信号的相干解调方法
b , a  = signal . butter  (10,0. 05 ," lowpass  〇 Ask _de_m  = signal .
b ,a ,tuple ( Ask _de _m ))
v_decision  = 0. 25
Ask_dec  = np . zeros  (code _num ) for  i  in  range (20)：
n  = int  ( ( i  + 1/2 ) /sampling  ) if  Ask _de_m  [ n  ] > v_decision  ：Ask_dec  [ i  ] =1.0
else ：
Ask_dec  [ i  ] =0.0
Ask_decision  = np . zeros ( Data _length ) for  i  in  range  ( Data_length  )：
Ask_decision  [ i  ] = Ask_dec  [ math , floor  (t  [ i  ] *
Rs )]
fig 2 = pit . figure  (figsize  = (8,6))ASK _d _3 = fig 2. add _subplot () pit . plot (t , Ask _decision,x  b 〇
在这里，需要使用另一个科学计算扩展库SciPy。SciPy  是构建在Numpy 基础之上的一款方便、易于使用、专为科学 和工程设计使用的扩展库。它包括了统计、傅里叶变换以及 信号处理等模块。主要是使用其中的信号处理模块（scipy . signal )来设计滤波器，由于在仿真中没有考虑噪声，因此只 需要考虑低通滤波器，使用的滤波器为高阶巴特沃斯滤波器 (Butterworth  filter )，巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种，它 也被称作最大平坦滤波器。巴特沃斯滤波器的特点是通频 带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有纹波，而在阻频带 则逐渐下降为零。解调过程中的波形如图4所示。从图中 可以看出，经过相干解调器以后的信号波形与数字基带二进 制信号完全一致。
三、2ASK 调制解调GU 丨设计
GUI ( Graphical  User  Interface )是指采用图形方式显示的
计算机操作用户界面，是一种可视化交互式的工具。采用
0.0000 0.0026 0.0050 0.0075 0.0100 0.0125 0.0160 0.0175 0.0200图2基于Python 语言的2ASK 调制信号的产生0.0000 0.0025 0.0050 0.0075 0.0100 0.0125 0.0150 0.0175 0.0200
图4基于Python 语言的2ASK 信号解调
GU 丨的方式具有可视化、交互性良好、操作便捷等优势。Py ­thon  提供了多个图形开发界面库，包
括 Tkinter 、wxPython 、Jy - thon 以及PyQt 等。在这一部分，基于PyQt 设计了一个2A SK
调制解调的图形界面系统，其结果如图5所示。从图中可以
看出，参数设置区可以输人载波频率，二进制信号按钮用来 随机产生二进制基带信号，载波信号、2ASK 调制信号以及 2ASK 解调信号按钮分别用来绘制载波、调制信号以及解调 信号波形。
图5基于Q t  Designer 的2ASK 信号调制解调G U I 四、结语
在本文中，首次将Python 语言引人到通信原理课程教学 中来，探讨Python 语言在通信原理中的教学应用。利用Py ­
thon  语言完成了 2ASK  调制解调系统的演示， 在教学中通过
直观的图形方式展现通信原理课程中的复杂数学模型。该 系统直观性强，结果正确，能使学生更加直观的了解2ASK 调 制和解调过程，激发他们的学习兴趣，从而改善教学效果，提 高教学质量。
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