基于MatlabGUI的通信原理演示系統(tǒng)設計綜述

1、論文題目：基于Matlab GUI的通信原理演示系統(tǒng)設計專 業(yè)：通信工程學 生:指導教師：簽名：簽名：摘要通信原理是通信工程、電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)基礎課程，也是許多學校通信、 信息專業(yè)研究生入學考試的必考科目。 在傳統(tǒng)的教學和設計中，主要采用的方法是手工 分析與電路板試驗，而該課程大部分是較為繁瑣的理論和推導，因此容易使學生感到乏味和難以接受。利用Matlab/GUI為平臺設計開發(fā)的通信原理演示系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)方 法的局限性。該系統(tǒng)具有可視化、交互性良好、操作便捷等優(yōu)點，是未來教學和設計運 用的趨勢。本文在介紹模擬線性調(diào)制解調(diào)、 模擬信號數(shù)字化、二進制數(shù)字調(diào)制解調(diào)、和信道編 碼理論的基礎上

2、，利用 Matlab語言進行GUI編程，實現(xiàn)交互式實時動態(tài)演示系統(tǒng)的設 計，并對該平臺進行測試及結果分析。設計出的演示系統(tǒng)參數(shù)可變，測試結果正確，各 模塊間邏輯結構清晰，整體運行穩(wěn)定，更有利于教師的授課講解和學生的學習理解?！娟P鍵詞】 通信原理 演示系統(tǒng) Matlab 圖形用戶界面（GUI）【論文類型】設計型Title : The Research and Impleme nt of Dem on strati on System AboutCommuni cati on Theory Based on Matlab GUIMajor: Communication EngineeringNam

3、e Dua n YiSig nature： Supervisor : Zhang MingSig nature： ABSTRACTCommuni catio n Theory is a com muni cati on engin eeri ng, electro nic in formatio n professi onal foun dati on courses, many schools in com muni catio n and in formatio n professi on als compulsory subjects of the Graduate Record Exa

4、m in ati on. In the traditi onal method of teachi ng and desig n, manual an alysis and circuit board test are curre ntly used, and more than that, a lot of theoretical knowledge and complicated reasoning often make the stude nts feel con fused. In order to solve these problems, we in troduce a GUI s

5、ystem which is based on Matlab platform. It can provide more demo content and help stude nts un dersta nd the theory more easily and in tuitive. In additi on, it is simple to operate, in teract well and can return accurate result quickly. We all think it is the trend of development and will be widel

6、y used.This paper we in troduce some theoretical kno wledge first, which in clude an alog lin ear modulation and demodulation, Digitization of analog signals, Binary digital modulation and demodulatio n and cha nnel cod ing theory ,and the n we impleme nt a simulati on system based on Matlab GUI. We

7、 can provide the test parameters and system will return the result correctly. What is more the logical structure of each module is clear and the system running stable. All of that are con ductive to either the teach ing of teacher or study ing of stude nts.【Key words Communi catio n TheoryDem on str

8、ati on systemMatlab GraphicalUser In terface (GUI)【Type of Thesis Design隨著我國高等教育逐步實現(xiàn)了大眾化以及產(chǎn)業(yè)結構進一步調(diào)整，社會對人才的需求也出現(xiàn)了多樣化和層次化的改變，這樣反應到高等學校的教學要求與定位中，必然會帶來教學內(nèi)容上的差異和教學方式上的多樣化。當代，科學技術突飛猛進，日新月異，突 出各個學科的特色，培養(yǎng)有競爭力的人才已經(jīng)成為各大高等院校的迫切任務。如何花較少的時間讓學生獲得較多的知識， 是一個值得探討的問題。為此，尋求更好的學習工具 已成為完成這一項任務的關鍵。通信原理是一門介紹信息傳輸基本原理包括理論、技

9、術的課程。主要研究對象是通信系統(tǒng)。研究的目的是利用盡可能小的通信資源，獲得盡可能高的通信質量。研究方法是在系統(tǒng)級、模塊級層次上將實際通信系統(tǒng)抽象成數(shù)字模型，采用數(shù)學分析和計算機模 擬的方法進行研究，得到系統(tǒng)性能與系統(tǒng)參數(shù)之間的定量關系。在給定系統(tǒng)性能要求的 情況下，設計和優(yōu)化系統(tǒng)的參數(shù)。在系統(tǒng)的數(shù)學模型比較復雜，用數(shù)學分析方法獲得系 統(tǒng)性能與系統(tǒng)參數(shù)之間的定量關系有困難的時候，可以采用計算機仿真的方法獲得這些參數(shù)之間的關系，達到優(yōu)化通信系統(tǒng)的目的。在通信原理的教學和設計中，傳統(tǒng)的方法主要是手工分析與電路板試驗，通信系統(tǒng) 中所有變量相互之間是非線性的關系，大部分是較為繁瑣的理論和推導，容易使學生

10、感 到乏味和難以接受。實際的通信系統(tǒng)是一個功能結構相當復雜的系統(tǒng)，對系統(tǒng)做出的任 何改變都可能影響到整個系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定。使用 Matlab GUI可以設計出適合教學使 用的更直觀方便的仿真系統(tǒng)。在通信原理課程教學中，其友好的人機界面能夠直觀地顯 示出信號在通信系統(tǒng)中各部分的波形，包括時域或者頻域的波形，有利于學習者理解和掌握完整的通信系統(tǒng)的概念，對教師教學產(chǎn)生有益的幫助。Matlab可以方便地進行通信 系統(tǒng)的分析和仿真，直觀清楚，對于比較難理解的概念和原理有非常大的指導作用。配 合GUI可以改善現(xiàn)行仿真方案的局限性。本文主要研究了通信原理課程的交互式實時動態(tài)演示系統(tǒng)的設計，其中包括模擬線性調(diào)

11、制解調(diào)系統(tǒng)、模擬信號數(shù)字化系統(tǒng)、二進制數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)和信道編解碼系統(tǒng)， 進行了演示系統(tǒng)的界面設計和系統(tǒng)測試。設計出的演示系統(tǒng)參數(shù)可變，測試結果正確， 達到了預期效果。1緒論1.1.1課題研究背景及意義 1.1.2 Matlab GUI 簡介2.1.3本文的主要內(nèi)容3.2通信原理演示系統(tǒng)設計5.2.1演示系統(tǒng)主界面設計 6.2.2模擬線性調(diào)制解調(diào)演示系統(tǒng)設計82.2.1模擬線性調(diào)制解調(diào)原理 .8.2.2.2設計思路及步驟.102.3模擬信號數(shù)字化演示系統(tǒng)設計132.3.1模擬信號數(shù)字化基本原理142.3.2抽樣子系統(tǒng)設計162.3.3量化子系統(tǒng)設計172.3.4編碼子系統(tǒng)設計182.4二進制數(shù)

12、字調(diào)制解調(diào)演示系統(tǒng)設計 1.92.4.1二進制數(shù)字調(diào)制解調(diào)原理192.4.2 2ASK子系統(tǒng)設計222.4 3 2FSK子系統(tǒng)設計 242.4.4 2PSK子系統(tǒng)設計242.5信道編碼和解碼演示系統(tǒng)設計 252.5.1信道編碼和解碼的基本原理252.5.2線性分組碼編解碼子系統(tǒng)設計 272.5.3循環(huán)碼編解碼子系統(tǒng)設計282.6本章小結293系統(tǒng)測試30.3.1模擬線性調(diào)制解調(diào)子系統(tǒng)測試303.2模擬信號數(shù)字化子系統(tǒng)測試323.2.1抽樣子系統(tǒng)測試32322量化子系統(tǒng)測試34323編碼子系統(tǒng)測試 343.3二進制調(diào)制解調(diào)子系統(tǒng)測試353.3.1 2ASK調(diào)制解調(diào)子系統(tǒng)測試353.3.2 2FS

13、K調(diào)制解調(diào)子系統(tǒng)測試363.3.3 2PSK調(diào)制解調(diào)子系統(tǒng)測試373.4信道編碼和解碼子系統(tǒng)測試383.4.1線性分組碼編碼和解碼子系統(tǒng)測試 383.4.2循環(huán)碼編碼和解碼子系統(tǒng)測試383.5本章小結394結論40.4.1工作總結404.2存在的問題404.3工作展望41致謝42.參考文獻43.1.1課題研究背景及意義自十九世紀初電信技術問世以來，短短的一百年多年時間里，通信技術的發(fā)展可謂 日新月異。從通信的發(fā)展歷史進程看，按照人類交流方式的不同分為三個階段：第一階 段，人們只能通過語言、手勢、烽火臺等方法簡單交流消息；第二階段是隨著文字、印 刷術、由瞰的出現(xiàn)，可以記錄、傳遞更多的消息；第三階

14、段是人們認識和開始使用電能 的同時，利用電信號進行復雜信息的傳遞。今天，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，通信技 術在各種工程領域，特別是新興高科技術產(chǎn)業(yè)內(nèi)也獲得了越來越廣泛的應用。通信技術 領域的更新與發(fā)展都是以通信基本原理為基礎的，因此，作為通信行業(yè)的工程技術人員， 只有掌握了通信系統(tǒng)的基本原理和基礎理論，才能適應通信技術的飛速發(fā)展。通信原理 屬于電子信息類各專業(yè)的專業(yè)基礎課程，它不僅是通信工程、電子信息工程專業(yè)學生的 必修課，還是相關專業(yè)碩士研究生入學考試的科目之一。隨著現(xiàn)代通信技術的發(fā)展和深 入，計算機科學與技術、自動控制以及光電子等專業(yè)也紛紛開設通信原理課程。通信原理”課程涉及概率與統(tǒng)計、隨

15、機過程、信號與系統(tǒng)分析、數(shù)字電路、模擬電路、通信電路 等多門先修的課程，具有理論性強、知識面廣的特點。作為一門專業(yè)基礎課，通信原理 是學習其他后續(xù)專業(yè)課程的基礎，因此學好通信原理課程具有非常重要的意義。從近幾年通信原理的教學情況調(diào)查和學生反映來看，當前高等院校在教學方法上的 負面效應越來越突出：第一，通信原理課程的特點是教學要求高，理論結果基本來源于 復雜的數(shù)學運算、推導，導致學生將大量時間用于數(shù)學運算，沒有真正理解通信原理每 個知識點在實際中的應用。第二，教學中，以教師為主以課堂為中心，缺乏教與學的互 動性，沒有充分調(diào)動學生的主動性和積極性。教師對學生通常采用黑板式教學及題式練 習，對于課程

16、中大量信號的結果沒有直觀的表現(xiàn)出來，學生只能手工繪制波形圖，對于 復雜信號手工來繪制其波形圖更顯得困難。此外，由于被動學習，學生學習熱情不高， 缺乏構造學生知識層次、人文層次等。第三，從實際環(huán)節(jié)來看，傳統(tǒng)的通信原理實驗室驗 證性的實驗。學生進入實驗室的時間有限，有時實驗時結果沒有顯示，但自己還沒有時 間去理解就得從實驗室出來。甚至，有的高校，實驗器材有限，許多實驗都無法進行。 傳統(tǒng)的實驗要求學生完成一些軟件實現(xiàn)的算法也是基于 C語言的，許多學生由于C語言 編程能力有限，不能有效地完成實驗，難以達到教學要求。第四，新知識不斷出現(xiàn)，教材 內(nèi)容偏重理論，相關理論的最新應用實例不足，導致學生難以理解理

17、論知識，使理論與 實際相分離?；谝陨犀F(xiàn)狀，我們尋求到一個解決方案，那就是結合計算機進行虛擬實驗，應用 Matlab軟件來進行設計和研究通信原理中眾多抽象的概念。實踐表明，學生可以在短時 間學會Matlab的基本知識，經(jīng)過短時間的學習可以很快入門，可以對其進行操作和使用。 Matlab軟件具有高效的數(shù)值計算及符號計算功能，可以使學生擺脫復雜的數(shù)學運算分析，此外，其圖形處理能力，實現(xiàn)了編程和計算結果的可視化，其功能豐富的工具箱提供了 大量使用方便的處理工具，加上其友好的界面及自然化語言，便于學生學習和掌握。用 Matlab圖形用戶界面（GUI）設計出的通信原理演示系統(tǒng)，將通信原理課程中較難掌握

18、和理解的重點理論和方法通過概念瀏覽，動態(tài)演示實例分析等方式生動地展現(xiàn)出來，使 學生能夠更透徹地理解所學的知識，讓學生有更多的時間去思考和理解通信原理中的基 本概念和基本方法?？梢?，研究如何利用 Matlab圖形用戶界面設計、開發(fā)出合理的通信 原理演示系統(tǒng)，具有重大意義。1.2 Matlab GUI 簡介Matlab是由Math Works公司于1984年推出的一套高性能的數(shù)值計算可視化軟件， 集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，被稱為第四代計算機語言，是目 前國際上最流行、應用最廣泛的科學與工程計算軟件，具有強大的計算、仿真、繪圖等 功能。Matlab中包括被稱作工具箱的各類應用問

19、題的求解工具。工具箱實際上是對Matlab進行擴展應用的一系列 Matlab函數(shù)（即M文件），可以用來求解各類學科的問題，包括 控制系統(tǒng)識別、神經(jīng)網(wǎng)絡、圖像處理、信號處理等。隨著Matlab版本的不斷升級，其所含的工具箱的功能越來越豐富，應用范圍也越來越廣泛。它具有運算符豐富、程序環(huán)境 高級并且簡單、設計自由、可移植性好、圖形功能強大、使用方便靈活、具有強大的工 具箱、源程序開放等優(yōu)點，現(xiàn)被廣泛應用于自動控制、航天工業(yè)、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學 工程、語音處理和雷達工程等行業(yè)，也是國內(nèi)外高校和研究部門進行許多科學研究的重 要工具。目前許多大學的實驗室都安裝有 Matlab供學習和研究之用。Matla

20、b在科研和高 ?；A課教學中具有明顯優(yōu)勢，是理工科大學生必不可少的工具。Matlab以其強大的科學計算及圖像生成功能著稱，它同時也提供了圖形用戶界面的 設計和開發(fā)功能。GUI即圖形用戶界面，是Graphical User In terface簡稱，又稱圖形用戶 接口。它包含圖形對象，如窗口、圖標、菜單和文本的用戶界面，是用戶和計算機之間 交流的工具。Matlab 7.X為了方便制作圖形用戶界面 GUI，提供了一個交互式的設計工 具GUIDE。通過GUIDE可以很方便地設計出各種符合要求的圖形用戶界面。用戶通過 一定的方法如鼠標、鍵盤等選擇、激活這些圖形對象，使計算機產(chǎn)生某種動作或者變化（比如計

21、算、繪圖等）。GUI設計既能以Matlab程序設計為主，也能以鼠標為主，利用 GUIDE工具進行設計，也可以結合以上兩種方法進行設計。Matlab將所有GUI支持的用 戶控件都集成在這個環(huán)境中并提供界面外觀、屬性和行為響應方式的設置方法，隨著版 本的提高，這種能力還會不斷加強。GUIDE將用戶保存設計好的圖形用戶界面保存在一 個FIG資源文件中，F(xiàn)IG文件是一個二進制文件，包含系列化的圖形窗口對象，所有對 象的屬性都是用戶創(chuàng)建圖形窗口時保存的屬性，該文件最主要的功能是對象句柄的保存。同時自動生成包含圖形用戶界面初始化和組件界面布局控制代碼的M文件，這個M文件為實現(xiàn)回調(diào)函數(shù)的編寫提供了一個參考框

22、架。M文件包含GUI設計、控制函數(shù)及控件的回調(diào)函數(shù)，主要用來控制GUI展開時的各種特征。M文件基本上可以分為GUI初始化 和回調(diào)函數(shù)2個部分，控件的回調(diào)函數(shù)可根據(jù)用戶與 GUI的具體交互行為分別調(diào)用。用戶界面的重要性在于它極大地影響了最終用戶的使用，影響了計算機的推廣使用，甚至影響到人們的工作和生活。由于開放用戶界面的工作量極大，加上不同用戶對界面 的要求不盡相同，因此，用戶界面已成為計算機軟件研制中最困難的部分之一。當前， In ternet的發(fā)展異常迅猛，虛擬現(xiàn)實、科學計算可視化及多媒體技術等對用戶界面提出了 更高的要求。GUI的廣泛流行是當今計算機技術的重大成就之一，它以友好性、直觀性、

23、 易懂性在軟件編程上被廣泛使用。1.3本文的主要內(nèi)容本文主要研究了通信原理課程的交互式實時動態(tài)演示系統(tǒng)的設計，其中包括模擬線 性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)、模擬信號數(shù)字化系統(tǒng)、二進制數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)和信道編解碼系統(tǒng)， 進行了演示系統(tǒng)的界面設計和系統(tǒng)測試。全文共分四個章節(jié)。第1章為緒論。主要介紹了課題研究的背景及意義，并簡介了Matlab GUI技術。第2章為通信原理演示系統(tǒng)設計。主要設計了演示系統(tǒng)主界面和各個子界面。子界 面主要包括模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)界面、模擬信號數(shù)字化系統(tǒng)界面、二進制數(shù)字調(diào)制解 調(diào)系統(tǒng)界面和信道編解碼系統(tǒng)界面。對于每個子界面，在介紹相應的通信原理知識的基 礎上詳細說明了設計過程。第3章為

24、系統(tǒng)測試。對設計出的每一個界面進行測試，根據(jù)改變不同參數(shù)時界面上所輸出的波形或結果，驗證演示系統(tǒng)的合理性與正確性。第4章對全文進行總結，提出不足，對今后工作進行展望182通信原理演示系統(tǒng)設計基于Matlab強大的功能，利用Matlab的GUI工具箱可以設計和實現(xiàn)通信原理課程 中重點內(nèi)容的交互式實時動態(tài)演示。通信原理內(nèi)容龐雜，所涉及的知識面比較廣，本文 選取通信原理中4個知識模塊進行分析和設計，分別為：模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)、模擬 信號數(shù)字化系統(tǒng)、二進制調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)、信道編解碼系統(tǒng)。每個知識模塊又可以劃分為 幾個小知識模塊。其中，模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)包括調(diào)幅信號（AM ）的調(diào)制解調(diào)、載波受到抑制的

25、雙邊帶信號（DSB）的調(diào)制解調(diào)、單邊帶信號（SSB）的調(diào)制解調(diào)。模擬信號 數(shù)字化模塊包含了抽樣、量化、編碼 3個子模塊。其中，量化又包含了均勻量化、非均 勻量化。二進制數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)包含了 2ASK調(diào)制解調(diào)、2FSK調(diào)制解調(diào)、2PSK調(diào)制 解調(diào)。信道編碼和解碼包含線性分組碼的編碼解碼、循環(huán)碼的編碼解碼。演示系統(tǒng)結構 如圖2.1所示。圖2.1演示系統(tǒng)結構圖在進行界面設計前先介紹系統(tǒng)設計的原則和整個 GUI界面設計的一般步驟。在后期 設計中都遵循該設計原則和一般步驟。由于設計要求不同，設計出來的界面也不同。本 文的界面設計遵循3個原則：簡單性、一致性、習慣性。1）簡單性。要求設計界面時應該力求簡

26、潔直接清晰地體現(xiàn)界面的功能和特點。對于 可有可無的功能最好刪除，確保界面的整潔。設計的界面要直觀，應多采用圖形。設計 的界面應盡量減少窗口的數(shù)目。2) 一致性。有兩層含義，一是設計的界面風格要盡量保持一致，二是新設計的界面 與已有的界面風格最好不同。3) 習慣性。要求設計新界面時應該盡量使用人們熟悉的標志和符號。用戶可能不了 解新界面的具體含義及操作方法，但它可以依靠熟悉標識符作為正確猜想，方便用戶正 確使用。此外還要注意界面的動態(tài)性能。在系統(tǒng)設計過程中每個模塊的 GUI界面設計遵循以下步驟：步驟一：GUI界面設計。分析界面所要求實現(xiàn)的主要功能，明確任務，構思界面， 使用Matlab圖形用戶界

27、面開發(fā)環(huán)境 GUI提供的一系列創(chuàng)建用戶圖形界面的工具， 主要是 通過不同的文本框、按鈕等許多工具的使用，將構思的主界面和各個子界面制作出來。 要清楚各個界面的功能，確保界面的布局合理美觀、界面的風格最好保持一致。步驟二：回調(diào)函數(shù)的設計。用戶應根據(jù)設計好的圖形界面的功能，針對各個不同圖 形對象來編寫能夠實現(xiàn)該功能的回調(diào)函數(shù)，確保這個圖形界面能夠完成所預定的功能， 達到直接通過界面上各個控件就可以控制數(shù)據(jù)的輸入，并且可以方便直觀地看到預期結 果?；谝陨显O計原則和設計步驟，進行界面設計，設計流程圖如圖2.2所示。演示系統(tǒng)主界面 退出模擬線性模擬信號二進制數(shù)字信道編碼調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)數(shù)字化系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)系

28、統(tǒng)和解碼系統(tǒng)T1返回子界面子界面子界面返回返回返回圖2.2系統(tǒng)流程圖F面詳細介紹每個功能模塊的設計過程。2.1演示系統(tǒng)主界面設計根據(jù)前面所說的設計步驟。用戶根據(jù)自己的需要點擊相應的按鈕，可以進入子界面。 主界面“結束演示”按鈕可以關閉主界面，結束演示。主界面顯示將要演示的4大知識模塊及對應的子模塊，4大知識模塊為模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)、模擬信號數(shù)字化系統(tǒng)、二 進制數(shù)字調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)、信道編解碼系統(tǒng)。模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)是單獨的一個模塊，模擬線號數(shù)字化系統(tǒng)包含抽樣、量化、編碼3個子模塊，二進制數(shù)字調(diào)制解調(diào)包含2ASK、2FSK、2PSK 3個子模塊，信道編解碼包含線性分組碼編碼解碼、 循環(huán)碼編碼解碼

29、兩個子模塊。設計出的演示系統(tǒng)主界面如圖2.3所示通佶原上電演小.樂統(tǒng)圖2.3演示系統(tǒng)主界面主界面中顯示的菜單欄是通過菜單編輯器設計的。菜單編輯器主要用于建立菜單欄(Me nu Bar)和右鍵菜單(Con text Men us)，如圖 2.4 所示。若 figure 窗口的 Me nu Bar 屬性為none，只顯示用戶設計的菜單；若 Menu Bar屬性值為figure，用戶設計的菜單排 列在標準菜單之后。若要在菜單選項標簽的某個字符上加上下劃線(該字符一般用作快 捷鍵)，只需要在label字符前加上“ & ”。圖2.4主界面菜單編輯器主界面中添加了結束演示按鈕，雙擊該按鈕，會出現(xiàn)屬性設置對

30、話框，它對應的pushbutton按鈕的標簽Tag屬性設為pushbutton2, string屬性設為“結束演示”，F(xiàn)ontSize屬性設為18, FontWeight屬性設為demi。要使該按鈕實現(xiàn)結束演示的功能，需要編寫對 應的回調(diào)函數(shù)。具體操作為：在主界面編輯界面中，選中結束演示按鈕，點擊右鍵選擇View Callbacks中的Callback菜單選項，就可以打開GUl.fig對應的m文件，這個文件是 Matlab 自動生成的，在 function pushbutton2_Callback（hObject, eventdata, handle下面添加 如下兩行代碼：close（gcbf

31、）;quit;保存之后運行，點擊該按鈕就可以關閉演示系統(tǒng)，結束演 示。為了使主界面美觀添加了圖片。圖片可以自由選擇。添加背景其實就是將圖片顯示 在axes中。首先我們要確保axes和圖片尺寸合適且匹配?？梢哉{(diào)整 axes的尺寸來適應 圖片的大小，圖片大小是483 385,單位為像素。雙擊axes,在跳出的屬性查看器中將 Units設置為pixels （像素），將Position屬性的 Width和Height分別設置為483和385。 然后編輯對應的M文件，即在OpeningFcn函數(shù)下面添加以下代碼：backgroundImage = importdata（meitu.jpg）;% 將背景圖

32、像載入 Matlabaxes（ha ndles.axes1）;%選擇坐標系image（backgrou ndImage）;%將圖片添加到坐標系中，于是就成了背景axis off;%將坐標系的坐標軸標簽去掉保存后，打開主界面就可以將圖片顯示在主界面中。2.2模擬線性調(diào)制解調(diào)演示系統(tǒng)設計2.2.1模擬線性調(diào)制解調(diào)原理調(diào)制是一個將信號變換成適于信道傳輸?shù)难b置。模擬調(diào)制針對的信源為模擬信號，常用的模擬調(diào)制有調(diào)幅、調(diào)相、調(diào)頻。發(fā)送端進行了調(diào)制，接收端要進行解調(diào)。在模擬 線性調(diào)制中，最先應用的一種幅度調(diào)制是全調(diào)幅或常規(guī)調(diào)幅，簡稱為調(diào)幅（AM ）。為了提高傳輸?shù)男?，適當選擇帶通濾波器的頻率響應 H（），可

33、以得到各種幅度調(diào)制信號如 載波受到抑制的雙邊帶調(diào)幅信號（DSB）和單邊帶調(diào)幅信號（SSB）。線性調(diào)制器的一般 模型如圖2.5所示。m(t)XSm(t)H(Sm(t)亠cos、：ct圖2.5線性調(diào)制器的一般模型在頻域中已調(diào)波頻譜是基帶調(diào)制信號頻譜的線性位移；在時域中，已調(diào)波包絡與調(diào) 制信號波形呈線性關系。下面簡單介紹調(diào)幅信號（AM ）、雙邊帶信號（DSB）、單邊帶信 號（SSB）的調(diào)制解調(diào)原理。1）調(diào)幅信號（AM ）調(diào)制解調(diào)原理設模擬基帶信號為m（t）外加直流A，濾波器的頻率響應H（.）=1為全通網(wǎng)絡，則輸 出為調(diào)幅（AM ）信號時域和頻域一般表達式為：Sam （t）二 Ao m（t） 】COS

34、 ct = AO cos ct m（t） cos ct（2.1）1Sam C ) = ：A0亠化)、亠八 c)M (:i rc) Mc)】(2.2)2可以將調(diào)幅信號看成一個余弦載波加抑制載波雙邊帶調(diào)幅信號，當Amt時，稱為調(diào)幅信號欠調(diào)幅；反之，稱為過調(diào)幅。當 mt的頻帶寬度遠遠小于載波頻率的時候，欠 調(diào)幅信號可以用包絡檢波的方式解調(diào)，而過調(diào)幅信號只能通過相干解調(diào)。相干解調(diào)的方 式如圖2.6。低通濾波器cos c t圖2.6相干解調(diào)2）雙邊帶信號（DSB）調(diào)制解調(diào)原理在AM信號中，載波分量并不攜帶信息，卻占據(jù)了大量的發(fā)射功率，造成這部分功率的浪費。如果在AM調(diào)制模型中輸入的基帶信號沒有直流分量，

35、或者將直流分量抑制掉，即可得到一種高調(diào)制效率的調(diào)制方式 載波受到抑制的雙邊帶調(diào)幅信號（DSB） 載波受到抑制的雙邊帶調(diào)幅信號時域和頻域一般表達式為：Sdsb（U =m（t）cos，衣（2.3）Sdsb） = 2 M +M （豹 c）】（2.4）DSB言號解調(diào)時必須采用相干解調(diào)，即讓已調(diào)信號與本地恢復載波信號相乘并通過低 通濾波器濾除高頻分量，就恢復出了原始信息。3）單邊帶信號（SSB）調(diào)制解調(diào)原理模擬基帶信號經(jīng)過雙邊帶調(diào)制后，包含兩個邊帶，即上邊帶、下邊帶。從恢復原始信號頻譜的角度看，只要傳輸雙邊帶信號的一半帶寬就可以完全恢復出原始信號的頻譜。 產(chǎn)生SSB信號的最直觀方法是將線性調(diào)制器的濾波器

36、設計成截止頻率為fc的理想低通或理想高通特性。SSB信號的時域表示式為：11sSSB（t）m（t）cos ctn?（t）sin ct（2.5）22式中，“+”為下邊帶，“-”為上邊帶。m（t）是m（t）的希爾伯特變換。若M（，）為m（t） 的傅氏變換，貝U m（t）的傅氏變換M?c ）為：h?（，）二 M （ ） L j sgn I（2.6）式中，sgn為符號函數(shù)。單邊帶信號占用的帶寬只有雙邊帶信號的一半，在接收端 采用相干解調(diào)的方式對單邊帶信號進行解調(diào)。2.2.2設計思路及步驟1）設計思路和要求用GUI設計一個模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，調(diào)制信號是振幅為1,頻率為1Hz的正弦波。第一：能在同一個G

37、UI上演示AM調(diào)制解調(diào)過程、DSB調(diào)制解調(diào)過程、SSB上邊帶 和下邊帶調(diào)制解調(diào)過程。第二：設計出的 GUI界面由6個部分組成：調(diào)制區(qū)、解調(diào)區(qū)、 參數(shù)設置區(qū)、繪圖區(qū)、說明、返回。其中調(diào)制區(qū)中包括 6個控件：載波信號、調(diào)制信號、 AM信號、DSB信號、SSB下邊帶信號、SSB上邊帶信號。解調(diào)區(qū)包括 4個控件：AM 解調(diào)信號、DSB解調(diào)信號、SSB下邊帶解調(diào)信號、SSB上邊帶解調(diào)信號。第三：參數(shù)設 置區(qū)包含2個可變參數(shù)：載波頻率（Hz ）、AM信號直流分量。當用戶根據(jù)自己的需求輸 入數(shù)值后，整個界面就會以輸入的參數(shù)為基準。當選擇“載波信號”按鈕時，能夠在圖 軸上畫出相應載波頻率下載波信號時域波形和頻

38、域波形，當選擇“AM信號”按鈕時，能夠在圖軸上畫出給定 AM信號直流分量下AM信號時域和頻域的波形。同理選擇“調(diào) 制信號”、“ DSB信號”、“ SSB下邊帶信號”、“ SSB上邊帶信號”、“ AM解調(diào)信號”、“ DSB 解調(diào)信號”、“SSB下邊帶解調(diào)信號”、“ SSB上邊帶解調(diào)信號”按鈕時會分別在圖軸上畫 出相應信號時域波形和頻域波形。第四：本次演示過程結束后，按“退出”按鈕就能退 出本界面返回到主界面。添加說明部分，對演示系統(tǒng)添加說明，方便學習者清晰理解作 者的思路。2）設計步驟 步驟一：界面設計按照設計思路在GUI編輯界面中添加相應的控件。添加 11個按鈕控件，雙擊第1 個按鈕，會出現(xiàn)對

39、話框，將string屬性設為“載波信號”，Tag屬性設為“ pushbutton1”。 雙擊第2個按鈕將string屬性設為“調(diào)制信號”，Tag屬性設為“ pushbutton2。雙擊第3 個按鈕將string屬性設為“ AM信號”，Tag屬性設為“ pushbutton3。雙擊第4個按鈕將 string屬性設為“ DSB信號”，Tag屬性設為“ pushbutton4”。雙擊第5個按鈕將string 屬 性設為“ SSB下邊帶信號” ，Tag屬性設為“ pushbutton5”雙擊第6個按鈕將string屬性 設為“ SSB上邊帶信號”，Tag屬性設為“ pushbutton6。雙擊第7個按

40、鈕將string屬性設 為“AM解調(diào)信號”，Tag屬性設為“pushbutton7。雙擊第8個按鈕將string屬性設為“DSB 解調(diào)信號”，Tag屬性設為“ pushbutton8。雙擊第9個按鈕將string屬性設為“ SSB下邊 帶解調(diào)信號” ，Tag屬性設為“ pushbutton9。雙擊第10按鈕將string屬性設為“ SSB上 邊帶解調(diào)信號”，Tag屬性設為“ pushbutton10”。雙擊第11個按鈕將string屬性設為“返 回”，Tag屬性設為“ pushbutton_back。添加2個編輯框控件，將兩個編輯框的 string屬 性均設為空，同時在各自正左方添加靜態(tài)文本控

41、件進行說明。此外還添加了 4個面板（Pane）控件，string屬性分別為設為“調(diào)制區(qū)”、“解調(diào)區(qū)”、 “說明”、“參數(shù)設置區(qū)”。將前6個按鈕控件（即載波信號、調(diào)制信號、AM信號、DSB信號、SSB下邊帶信號、SSB上邊帶信號按鈕控件）布局在“調(diào)制區(qū)”面板中，將第 7 至10個按鈕控件（即AM解調(diào)信號、DSB解調(diào)信號、SSB下邊帶解調(diào)信號、SSB上邊 帶解調(diào)信號按鈕）布局在“解調(diào)區(qū)”面板中，將 2個編輯框及相應的靜態(tài)文本控件布局在“參數(shù)設置區(qū)”面板中。說明面板控件中添加靜態(tài)文本，string屬性設為“ 1、調(diào)制信號是振幅為1,載波為1Hz的正弦波2、解調(diào)時均采用相干解調(diào)的方法 3、兩幅圖橫軸分

42、別為t,f。解調(diào)信號有延遲。4、解調(diào)時，紅色為原信號藍色為解調(diào)信號”模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的界面如圖2.7所示（a）模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)編輯界面圖2.7（b）模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)演示界面 模擬線性調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)界面步驟二：回調(diào)函數(shù)設計要實現(xiàn)演示效果，就要對控件的回調(diào)函數(shù)進行編程。由GUI生成的M文件，控制GUI并決定GUI對用戶操作的響應。它包含運行GUI所需的所有代碼。GUI自動生成M 文件的框架，用戶在該框架下編寫 GUI組件的回調(diào)函數(shù)。M文件由一系列子函數(shù)構成， 包含主函數(shù)、Opening函數(shù)、Output函數(shù)和回調(diào)函數(shù)。其中主函數(shù)是不可以修改的，否則 會導致GUI界面初始化失敗。用戶對控件

43、操作的時候，控件對操作進行響應，所指定執(zhí) 行的函數(shù)就是該控件的回調(diào)函數(shù)。在GUI編輯界面點擊可以打開界面對應的M文件(MNtiaozhijietiao.m )，點擊M文件中的丄二就可以有選擇地進入控件的 Callback。根據(jù) 每個控件要實現(xiàn)的功能添加代碼。也可以右鍵單擊控件，選擇View Callbacks中的Callback 菜單項，打開對應的M文件。(1) 參數(shù)設置區(qū)回調(diào)函數(shù)設計載波頻率(Hz)和AM信號的直流分量是要輸入的參數(shù)，在M文件中找到載波頻率、 和AM信號直流分量文本控件對應的callback，添加代碼。2個文本控件添加代碼類似， 只是定義的變量不同，這里只對載波頻率對應文本控

44、件添加的代碼進行說明。即在 fun ctio n edit1_Callback(hObject, eve ntdata, ha ndles下添加代碼：global fc;% 定義載波頻率 為全局變量 f 1=str2double(get(handles.edit1,string);%各字符串轉換為 double型數(shù)值 fc=f1;% 賦值(2) 調(diào)制區(qū)、解調(diào)區(qū)回調(diào)函數(shù)設計調(diào)制區(qū)包含6個按鈕控件。解調(diào)區(qū)包含 4個按鈕控件。選擇任何一個按鈕都可以繪 制出相應信號的時域和頻率的波形。例如輸入載波頻率和AM信號的直流分量后，點擊“AM信號”按鈕，在axes1中會繪制AM信號時域波形，在axes2中會繪

45、制AM 信號頻域波形，要實現(xiàn)該功能就要右鍵單擊“AM信號”，選擇View Callbacks中的Callback 菜單項，在 function pushbutton3_Callback(hObject, eventdata, handles下面添 加以下代碼：axes(ha ndles.axes1)global fc;global A;%fc為載波頻率，A為AM信號的直流分量T=5; fm=1;dt=0.001;%T為信號時長，fm是信源最高頻率，dt是時間采樣間隔 t=O:dt:T;mt=cos(2*pi*fm*t);% 調(diào)制信號(信源)s_am=(A+mt)*cos(2*pi*fc*t);

46、%AM 信號plot(t,s_am);plot(t,A+mt,r-);%畫出AM信號包絡，標示出源信號波形 title(AM調(diào)制信號);axes(ha ndles.axes2)f,sf3=T2F(t,s_am);%求AM調(diào)制信號的頻譜psf3=(abs(sf3)A2)/T;%求AM調(diào)制信號的功率譜密度plot(f,psf3);axis(-2*fc,2*fc,0,max(psf3);title(AM 調(diào)制信號的頻譜);每個按鈕的回調(diào)函數(shù)編好之后，還要對調(diào)用的子函數(shù)進行定義。如點擊“AM信號”按鈕，能夠繪制正確的波形，需要提前定義好T2F子函數(shù)。(3) 返回按鈕回調(diào)函數(shù)設計返回按鈕要實現(xiàn)退出本界面

47、，返回到主界面的功能，點擊此按鈕的時候會出現(xiàn)如圖2.8所示對話框，詢問使用者是否返回界面，若選擇【yes】會返回到主界面，若選擇 【no】則不返回。要實現(xiàn)此功能需要在“返回”按鈕對應的回調(diào)函數(shù)中需要添加以下代碼：selection = questdlg(確定返回get(handles.figure1,Name) ?,.返回get(handles.figure1,Name).,.Yes,No,Yes);if strcmp(selectio n,No)return;e nddelete(ha ndles.figure1)圖2.8提問對話框為了保持界面風格的統(tǒng)一，所有子界面設計中 返回”按鈕均采用如

48、圖2.8所示對話框 的形式。所添加的代碼相同。在后期子界面設計中，對此控件不再贅述。2.3模擬信號數(shù)字化演示系統(tǒng)設計模擬信號數(shù)字化分3個過程：抽樣、量化、編碼。由于這 3個知識模塊涉及的內(nèi)容 不同，界面的風格也不同，下面將分別介紹3個子模塊的界面設計。2.3.1模擬信號數(shù)字化基本原理通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩大類，數(shù)字通信系統(tǒng)因其抗噪聲性能 好、傳輸質量高、保密性好等一系列優(yōu)點，已經(jīng)成為當今通信的發(fā)展方向與主流。然而 自然界的許多信息都是模擬信號，如圖像、話音、電視信號、麥克風拾取的話音信號等， 為了能利用數(shù)字通信系統(tǒng)來傳送模擬信號，必須對模擬信號進行數(shù)字化，即模數(shù)轉換和 數(shù)模轉

49、換。模數(shù)轉換即抽樣、量化、編碼，對模擬信號的時間和幅度進行離散化處理， 使之變成數(shù)字信號再進行傳輸，在接收端要將收到的數(shù)字信號進行數(shù)模轉換，還原成模 擬信號再傳至信宿。模擬信號數(shù)字化處理，即對模擬信號的幅度和時間做離散化處理， 先通過抽樣使模擬信號變成時間離散幅度連續(xù)的信號，之后將將抽樣得到的時間離散幅 度連續(xù)的信號進行量化，使之變成時間離散且幅度也離散的信號，在將其進行編碼處理 就所需的數(shù)字信號。1）抽樣定理抽樣是把時間上連續(xù)的模擬信號變成一系列時間上離散的抽樣值的過程。抽樣定 理：一個頻帶限制在（0，fH）內(nèi)的時間連續(xù)信號mt，如果以Ts22h，fs為抽樣頻率。當抽樣頻率 小于2倍頻譜最咼

50、頻率時，信號的頻譜有混疊。反之，抽樣頻率大于2倍頻譜最咼頻率時，信號的頻譜無混疊。例如，對模擬信號cos 2 “ 一 3t sin 2 “二“ 65 “ t進行抽樣，模擬信號最高頻率fH 為65Hz, 2 fH =130Hzo當抽樣頻率fs取200Hz的時候，滿足抽樣定理，抽樣不會引起 信號失真。當抽樣頻率取100Hz的時候，不滿足抽樣定理，從頻域上，可以看到頻譜發(fā) 生了混疊，此時的抽樣會引起信號的失真。2）量化理論量化是利用預先規(guī)定的有限個量化電平來表示模擬抽樣值的過程，量化又分均勻量 化與非均勻量化。均勻量化是把輸入信號的量化范圍按等間隔分割的量化。均勻量化時，量化噪聲平均功率只取決于量化

51、間隔，對于均勻分布的輸入信號而言，輸出量化信噪比 恒定，但對于非均勻分布非平穩(wěn)的輸入信號，輸入信號功率下時量化信噪比小，反之， 輸入信號頻率大時量化信噪比大，影響信號的恢復。要滿足條件，貝U編碼位數(shù)多，設備 復雜。在語言信號數(shù)字化通信中，均勻量化有個明顯不足之處：量化信噪比隨信號的電 平的減小而下降。為了克服這個缺點，實際中往往采用非均勻量化。非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔。信號值小時，量化間隔小，信號值大時，量化間隔就 大，在不增大量化級數(shù)N的前提下，使量化信噪比在較寬的動態(tài)范圍內(nèi)達到所需指標， 即改善了小信號時的量化信噪比。其實現(xiàn)方法是將樣值通過壓縮器后再進行均勻量化， 常用

52、的是壓縮律和A壓縮律。美國和日本采用律，我國和歐洲采用A律。3）編碼理論將量化后的信號變換成代碼，即模數(shù)轉換的第三步，把多電平變成二進制電平。其 相反的過程稱為譯碼。編碼方法多種多樣，在現(xiàn)有的編碼方法中，若按編碼的速度來分 大致可分為兩大類：低速編碼和高速編碼。通信中一般都米用高速編碼。若按編碼器的 種類來分大體上可以歸結為三類：逐次比較型、折疊級聯(lián)型和混合型。在逐次比較型編 碼方式中，無論采用幾位碼，一般均按極性碼、段落碼、段內(nèi)碼的順序排列。下面結合 13折線的量化來加以說明。13折線特性就是近似于A壓縮律的特性，其中A=87.6,僅 考慮第一象限時其曲線如圖2.9所示。完整13折線，負向8

53、段斜線按同樣方法得到，第 川象限的折線與第I象限呈奇對稱，斜率相同的段合為一段，共13段，稱為13折線法。圖2.913折線A律特性A律13折線用8bit編碼，8位二進制碼表示為 Di , D2, D3, D4, D5, D7,D8。 Di是極性碼，表示量化信號的極性，通常“ 1”表示正極性，“0”表示負極性；D2, D3，D4是段落碼，表示信號絕對值處在哪個段落，3位碼的8種可能狀態(tài)分別代表8個段落的起始電平，第一段編碼為 000,依次類推；D5, D6, D7, D8為段內(nèi)碼，它的16 個狀態(tài)表示每段內(nèi)均勻劃分的16個量化級，第一小段編碼為0000,依此類推。例如，輸 入信號抽樣值為+127

54、0個基本量化單位，采用逐次比較型編碼器，按照 A律13折線編成 的8位碼為11110011F面詳細介紹抽樣子系統(tǒng)、量化子系統(tǒng)、編碼子系統(tǒng)的界面設計過程2.3.2抽樣子系統(tǒng)設計1)界面設計在GUI編輯界面，添加2個面板控件，string屬性各設為“抽樣定理驗證區(qū)”、“參 數(shù)設置區(qū)”，在抽樣定理驗證區(qū)，添加5個按鈕控件，把它們的sting屬性分別設置為“原 始信號”、“原始信號頻譜”、“已抽樣信號”、“已抽樣頻譜”、“返回”。將它們的Tag屬性 依次設置為pushbutto n1pushbutt on 5字體大小均設置為12參數(shù)設置區(qū)添加編輯框和靜 態(tài)文本框，表征抽樣頻率變量，單位為Hz。此外，添

55、加4個坐標軸控件，供后期繪圖使用。輔助說明部分方便讀者理解，即添加面板控件sting屬性設置為“說明”，在此面板控件中添加靜態(tài)文本，對參數(shù)進行說明。將設計好的界面的M文件保存為chouyang.m。模擬信號的抽樣子系統(tǒng)界面如圖2.10所示。圖2.10 (a)為編輯界面，圖2.10 (b)為演 示界面。FlLhTim Lxrl EikLe &iL已粗信疇訝冏険車H：I-豪取詣號mhce (紳如模擬怕號的抽樣除匪號善-鳳始信號知酉己柚伍時號-I口 M(a)抽樣子系統(tǒng)的編輯界面(b )抽樣子系統(tǒng)的演示界面圖2.10 抽樣子系統(tǒng)界面2)回調(diào)函數(shù)設計設計抽樣子系統(tǒng)界面，有兩個作用，第一驗證抽樣定理，比較

56、滿足抽樣定理和不滿足抽樣定理時信號的時域和頻率波形。第二，為后期量化子系統(tǒng)和編碼子系統(tǒng)界面設計 做鋪墊。界面預期實現(xiàn)的功能是在參數(shù)設置區(qū)輸入不同的抽樣頻率，點擊左側“抽樣定 理驗證區(qū)”各按鈕控件將會在右側坐標軸中繪制出相應的波形。點擊“返回”按鈕，可 以結束本次演示返回到主界面。預實現(xiàn)界面的功能，就需要編輯各控件的回調(diào)函數(shù)，即 在每個要實現(xiàn)相應功能的控件下添加可以實現(xiàn)該功能的代碼。每個控件回調(diào)函數(shù)設計的 方法相同，在此不再重復。2.3.3量化子系統(tǒng)設計1) 界面設計量化分為均勻量化和非均勻量化，二者有著本質的區(qū)別。為了比較均勻量化與非均 勻量化的差異，在量化子系統(tǒng)界面設計時，將均勻量化和非均勻量化部分放在同一個界 面進行演示。界面預期要達到的功能是：輸入不同量化級數(shù)，可以清晰看到在該量化級 數(shù)下，均勻量化和非均勻量化的原始信號與量化信號波形、量化誤差曲線、量化器輸入 與輸出關系曲線，從各曲線就可以直觀的看到二者的區(qū)別。量化子系統(tǒng)界面設計的方法和抽樣子系統(tǒng)界面設計相同，只是添加的控件個數(shù)不同 且每個控件設置的屬性不同。在此不再贅述量化子系統(tǒng)界面的設計過程，只給出設計出的界面，如圖2.11所示。將設計好的界面的M文件保存為liangh