基于matlab的通信原理仿真平台设计(编辑修改稿)

基于matlab的通信原理仿真平台设计(编辑修改稿)内容摘要：

ure integration, with a strong demonstration, and the visibility is strong, easy to operate, graphics and dynamic simulation to demonstrate the principle of the munication of the abstract content and waveform, can be provided for teachers and students simple but efficient teaching aids . Key words: Communication principle, MATLAB, Simulation platform, GUI design基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计 1 引言 随着 现代 科学技术的发展，传统的教学媒体如黑板、教科书 、甚至多媒体工具因为其 承载信息的种类和能力都十分有限， 已经远远满足不了现代教学的需求。 另一方面，通信原理课程的抽象性使得同学和教师也感觉枯燥、难以理解。 计算机技术的飞速发展和 MATLAB 软件的推出，利用计算机进行辅助教学这种教学手段已经进入课堂教学领域。 MATLAB 是目前国际上流行的进行科学研究、工程计算的软件。 在通信领域 MATLAB 更是优势明显，因为通信领域中 有 很多问题是研究系统性 能的，传统的方法只有构建一个实验系统，采用各种方法进行测量，才能得到所需的数据，这样不仅需要花费大量的资金用于实验系统的构建，而且系统构建周期长，系统参数的调整也十分困难。 而 MATLAB 的出现使得通信系统的仿真能够 利 用计算机模拟实现，免去构建实验系统的不便，而且操作十分简单，只需要 输入 不同的参数就能得到不同情况下系统的性能，而且在结构的观测和数据的存储方面 ，也比传统的方式更加优越，因而 MATLAB 在通信仿真领域得到越多越多的应用。 同时它 也是通信原理学习的一个卓越平台， MATLAB 软件的开放性以及 功能极强的矩 阵运算，使得通信原理的学习无论是理论还是实践都变得不再枯燥无味。 而利用 MATLAB 软件设计的 GUI 图形用户界面， 其 形象的界面和波形的具体呈现，更是为这一实践提供了良好的实验的平台。 通信原理课程内容丰富、理论性强、 涉及 知识面广、信息量大 ，而且比较抽象、习题多、难度大，是具有一定深度和学习难度的课程。 本文针对学生感到难学，教师难教的现状，结合 MATLAB，设计出基于 MATLAB 的通信原理仿真平台，为通信原理课程提供了一个有效的辅助教学手段，对提高 通信原理教学和学习的效率起到很大的作用，有助于同学们理解和接受。 在数字基带信号、模拟信号、数字信号、抽样量化等部分，为学生提 供了很好的图像波形，锻炼其分析和解决问题的能力，并在功能上为其 后期开发网络化教学、远程教学打下了基础。 基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计 2 1 设计工具介绍 MATLAB 简介 MATLAB 是美国 Math works 公司推出的一套高性能数值计算的 可视化软件，自1984 年问世以来，历经了实践的检验，市场的筛选和时间的凝练，现在已经成为广大科研工作者、高校师生最常用和最可信赖的仿真软件 之一。 它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于 一体，在系统建模和仿真、科学和工程绘图以及应用程序开发等方面有着广泛 的 应用。 MATLAB 以 著名的线性代数软件包 LINPAK 和特征值计算软件包 EISPACK 的子程序为基础，发展为一种开发性程序设计软件，因此MATLAB 已经由简单的矩阵计算分析软件发展成为通用性极高、带有多种实用工具的运算操作平台，并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真、数学乃至科技文字处理不可缺少的基础软件。 MATLAB 语言的发展历程和影响 Math works 公司推出 MATLAB 从 1984 年问世，到 1993 年推出 版本，从此告别 了 DOS 版。 版 继承和发展 了其原有的数值计算和图形可视能力，具有更强的可操作性。 1991 年仲春， MATLAB 版问世，紧接着是 、 ，以及 1999 年春的 版。 到了 1999 年底， Mathematica 也已经升 级 到 版，它特别加强了以前欠缺的大规模数据处理能力，弥补了之前的不足。 而 近年 MATLAB 推出的 版本 ，相 较 于以前的版本，有了很大的改进和增补，在开发环境、程序设计、数值处理以及数 据可视化方面提供了许多新功能和更为有效的处理方法，是最近几年使用 最广泛 的版本。 就影响而言，至今仍然没有一个别的计算机软件可与 MATLAB 相媲美。 在国际学术界， MATLAB 已经被公 认为准确、可靠的科学计算标准软件。 在许多国际一流 的 学术刊物上，都可以看到 MATLAB 的应用。 国内近几年也对 MATLAB有了很多研究。 MATLAB 语言的特点 MATLAB 自其问世以来 ，就以数值计算称雄。 而目前最常用的 版本， 软件 性能 有了很大的改善，增加了很多新的功能和有效的操作方法。 开发环境：用户可以同时使用多个文件和图形窗口，可以根据自己的习惯和喜好来定制桌面环境， 同时还可以为自己定义常用的快捷键。 代码开发：支持函数嵌套、有条件中断点，可以使用匿名函数定义单行函数。 基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计 3 数值处理：在最新版本中，单精度算法、线性代数可以方便用户处理更大的单精度数据， 0DE 可以求解泛函数，操作隐式差分等式和求解多项式边界值问题。 数据可视化：提供新的绘图界面窗口，用户可以不输入 M 函数代码而直接在界面窗口中交互性地创建并编辑图形，同时可以直接从图形窗口中创建对应的 M 代码文件。 文件 I/O 和外部应用程序接口：支持读入更大的文本文件，支持压缩格式的 MAT文件，用户可以动态加载、删除或者重载 Java，支持 COM 用户接口等。 MATLAB 的工作环境 所谓工作环境是指：帮助系统、工作内存管理、指 令和函数管理、搜索路径管理、操作系统、程序调试和性能剖析工具等。 工作环境的特点 1） 大量引入图形用户界面 2） 引入了全方位帮助系统 3） M 文件编辑、调试的集成环境 4） Notebook 新的安装方式 MATLAB 在通信原理教学中的应用 MATLAB 的应用现状 MATLAB 的函数和命令几乎可以实现 C 或 FORTRAN 语言的全部功能，用户不懂 C 或者 FOR2TRAN 等高级语言 也能开发出功能强大、界面友好、稳定可靠的程序来，开发周期大大缩短。 若用户熟悉 C 或 FORTRAN， MATLAB 提供了相应的接口，允许相互调用，因此 MATLAB 具有较好的开放性。 MATLAB 的高效编程还体现在各类学科的专家在各自的领域用 MATLAB 编写的许多准确、高效的工具箱，工具箱实际上是对 MATLAB 进行扩展应用的一系列 MATLAB 函数（成为 M 文件），供用户方便地使用，诸如信号处理、图像处理、控制系统、工程优化及神经网络等工具箱。 所以 MATLAB 逐步成为设计数值分析的各类学科教学与科学研究必不可少的工具。 目前，国外很多工科类高校都将 MATLBA 作为必修课，实验室通常都配备装有MATLAB 的计算机供学生学习和研究使用。 而我国工科类的教学还未能充分利用MATLAB 强大功能，现有的 MATLAB 书籍大部分作为计算机应用工具书出现，未能与具体学科的教材有机地结合起来。 基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计 4 MATLAB 在《通信原理》教学中的应用 通信原理课程是本科电子类、 通信类专业的重要基础课程之一，但是通信原理的原理、概念抽象，理论性强，学生单凭老师上课的讲解难以掌握，尤其是课程中的许多章节内容，需要作图才能理解有关概念和原理，不然难以形 成明确 的 解决问题的思路。 目前，通信工程专业低年级学生已经开设计算机应用教程，把 MATLAB 的基础知识作为此课程的重要内容，使得学生能够掌握使用 MATLAB 这类工程计算机软件的基本技术，包括基本数学计算、矩阵处理、计算结果的可视化和符号运算等。 教师在推动 MATLAB 的教学应用中也起着重要租用。 教师通过应用 MATLAB 进行科研提高自身水平，只有通过科研才能深刻理解 MATLAB 强大的功能及其在工程中的应用，使得讲课做到科研与教学相长。 通信原理仿真平台设计的必要性和可行性 《通信原理》是电子通信类相关 专业的一门重要专业基础课程，是本科生后续 课程和研究生课程的基础，它在专业课程体系中占有重要地位，该课程 的主要任务是通过对通信原理理论知识的学习，培养学生对通信原理中数字、模 拟等系统的分析和设计能力等。 课程特点是：内容丰富、理论性强、涉及 知识面广、信息量大，而且比较抽象，是具有一定深度和学习难度的课程。 因而课堂的教学必须建立一套包括理论讲授、计算机辅助教学、时间教学在内的全方位的课程教学新体系 ，充分调动教师和学生两方面的积极性，利用各种教学方法和手段，全面 提高课程的教学质量。 增加 MATLAB 内 容的必要性和可行性 1） 必要性 通信原理需要 将所 学 的理论应用到实践中去， 因此 有必要一开始让学生以简单的MATLAB 语言学习用计算机处理信号，另一方面， MATLAB 强大的可视化数据处理功能也能够 弥补 通信原理理论课程授课时的 不足。 例如，通信理论课程中常常出现各种抽象的图形，想象图形就得花 费不少时间，如果采用 MATLAB 语言，只需几条简单的指令立刻就能得到。 增加 MATLAB 语言内容，可以促进通信原理理论的教学，提高学生兴趣，增强学生自己动手分析、设计系统的能力，而且老师在课堂 上 可以直观的演示 ，使抽象的理论变成生动 的图形界面，有 利于培养出知识面广、动手能力强、综合素质高的学生。 2）可行性 基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计 5 MATLAB 语言可在目前 各种类型的计算机上运行，安装简易。 MATLAB 语言比一般的高级语言执行效率低，而其编程 效率与可读性、可移植性要远远高于其他高级语言。 将 MATLAB 加入到实验教学中，一方面 让学生用简单的 MATLAB 语言学习用 计算机如何建模、如何分析和设计系统等， 以强化原理的应用性，另一方面MATLAB 强大的可视化数据处理功能也可以弥补课程授课时的不足， 以减少教师绘制 图表的麻烦和不精确，还可避免传统理论教学中教师在黑板画图耗费时间及手工画图的不精确性，增加学生自己 的 动手能力，培养知识面更广，综合素质更高的学生。 因此，在通信原理基础课程中增加 MATLAB 内容，不仅使学生掌握了理论教学的内容，同时也教 给 学生一些应用理论的手段。 用 MATLAB 做通信原理仿真平台的优点 通信原理课程学习 过程中的 数字基带信号、模拟调制、数字调制、抽样量化等 内容，原理和实现方法概念抽象 ，且画图比较难，学习起来难度比较大。 MATLAB 强大的绘 图功能使得用图形来验证结论结果不再是一件繁琐 的事情，直观、方便，且 各种图形用 MATLAB 均能实现。 基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计 6 2 基于 MATLAB 的通信原理仿真平台整体构建方案 仿真平台应用软件设计实现 总体结构设计 软件采用 MATLAB 开发平台，利用其可视化 的具有 编程能力的图形用户界面GUI，按照 控制教学、实验、应用等内容，设计出相应的仿真平台应用软件结构图（ 如图所示 ）。 系统主要界面由 6 个主要子窗口模块构成，通过单击主界面上子模块相应的按钮即可启动相应的子窗口， MATLAB 的应用程序，以 M 文件形式出现，各软件模块主要的功能是实现教学大纲要求 完成 的实验。 MATLAB 总体结构图 21： 图 21 总体结构 软件实现 要将系统结构图中的内容在用户界面里表现出来，就必须有参数输入 、结果输出、图形仿真输出等，且这些都能进行对比分析，因此要求开发出一个友好、操作简单、可读性强、易修改的图形用户界面。 选择 MATLAB 中具有可视化编程能力的图形界面 GUI，将它提供的工具与编程经验结 合起来，完成软件界面的创建。 各级界面主要利用向导编辑器 GUIDE 中提供的空间，利用图标及其对应的功能来设计友好的交互式界面。 借助 GUI 设计面板提供的空间布置编辑器“ Align0bjects”，很容易的对所选对象进行水平、垂直和间隔排列布置。 基于 MATLAB 的通信原理仿真平台 数 字 基 带 信 号 模 拟 调 制 数 字 调 制 抽 样 定 理 量 化 眼 图 基于 MATLAB 的通信原理仿真平台设计 7 通过图形界面中控件的操作来完成图形界面的功能，这些操作是 通过函数代码的执行来完成的。 函数代码的编制通过编写回调函数时实现，把函数代码放在一个自定义的 M 文件中，而在“ callback”中只写上其文件名。 当操作该控件时，系统会自动执行“ callback。