【正文】 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì) 說(shuō)明書 1 基于 matlab 的通信原理輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢設(shè)論文 1 引言 課題研究的 目的及 意義 隨著現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的日新月異，通信原理課程變得愈來(lái)愈重要。 通信原理是通信工程專業(yè)、電子信息專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它以各種通信系統(tǒng)的基本理論為研究對(duì)象。通信原理與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系密切，又具有很強(qiáng)的理論性和抽象性，需要應(yīng)用概率論、隨機(jī)過(guò)程、信號(hào)與系統(tǒng)、模擬與數(shù)字電路等多門課程知識(shí)為基礎(chǔ)。給我們的學(xué)習(xí)造成了一定的困難。形成這種學(xué)習(xí)困難的原因是多方面的，其中最主要的是缺乏一個(gè)直觀認(rèn)識(shí)通信系統(tǒng)的感性基礎(chǔ) [1~2]。 為了解決該問題，使抽象的理論知識(shí)具體化、形象化，我們引入了此課題。旨在通過(guò)以 MATLAB 語(yǔ)言進(jìn)行的 GUI 編程，搭出一個(gè)簡(jiǎn)單的、直觀的、容易操作的、可視化的人機(jī)交互界面。通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕，即可完成通信原理課程中一些基本的實(shí)驗(yàn) [3~4]。 本文 的目的是研究 基于 MATLAB 的通信原理輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 并對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn) 。 選用 MATLAB 的原因 由于我們要做的只是一個(gè)通信原理輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并非是對(duì)通信系統(tǒng)深入地、精確地分析研究。此外，我們還需要搭出一個(gè)人機(jī)友好的界面，綜合分析一下，我們決定采用 MATLAB，用 .m 文件編程實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面及界面內(nèi)部的通信原理的相關(guān)計(jì)算 [3]。 Visual Basic 和 Visual C++亦可進(jìn)行圖形用戶界面的編程。但此課題我們選用 MATLAB，因?yàn)?MATLAB 語(yǔ)法簡(jiǎn)單，貼近人的思維方式，圖形表現(xiàn)豐富有效，并且MATLAB 提供了各種數(shù)學(xué)、科學(xué)計(jì)算的相關(guān)函數(shù)，編程簡(jiǎn)潔美觀，比 Basic 和 C 語(yǔ)言用起來(lái)要更方便一些。另外， MATLAB 還提供了與 Visual Basic 和 Visual C++相連接的接口，可以實(shí)現(xiàn)兩種語(yǔ)言的混合編程 [5]。 綜合以上優(yōu)點(diǎn)，所以選用 MATLAB 做通 信原理輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 MATLAB 應(yīng)用現(xiàn)狀 MATLAB 是一種用于概念設(shè)計(jì)、算法開發(fā)、建模仿真、實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的科學(xué)計(jì)算軟中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì) 說(shuō)明書 2 件，它將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化方法集成在一起，并提供了很多專業(yè)工具箱和大量的內(nèi)置函 數(shù)。 自從 90 年代初在我國(guó)引入后，一直受到廣大科研人員和技術(shù)工程師的喜愛，隨著版本的不斷更新和 MathWorks 公司在開發(fā)力度上的不斷加大，MATLAB 的功能日益強(qiáng)大，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣闊，從最初的數(shù)值運(yùn)算，二維圖示，3D 建模到數(shù)字信號(hào)處理，電子電力仿真，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，航空航天，通信仿真，圖像處理，控 制工程等等幾乎囊括了所有工程設(shè)計(jì)的方方面面 。 MATLAB 是從事眾多工業(yè)、科研領(lǐng)域的必備工具。無(wú)論是在校學(xué)生，還是已經(jīng)參加工作的工程技術(shù)人員和科研人員，都運(yùn)用它來(lái)解決各種科學(xué)問題、工程問題。全球現(xiàn)有超過(guò) 50 萬(wàn)的企業(yè)用戶和上千萬(wàn)的個(gè)人用戶，他們廣泛地分布在航空航天、金融財(cái)務(wù)、機(jī)械化工、電信、教育等各個(gè)行業(yè)。 本論文的主要研究工作 本文的研究工作主要包括以下幾個(gè)方面： 第二章簡(jiǎn)要介紹了 MATLAB 的相關(guān)知識(shí) 及 GUI 的相關(guān)介紹 ： MATLAB 的發(fā)展歷程、應(yīng)用、優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn) ； GUI 的定義、特點(diǎn)及其組成部分。 第三章主要 介紹通信原理中 的模擬調(diào)制系統(tǒng)，對(duì)調(diào)幅（ AM）、單邊帶（ SSB）和頻率調(diào)制（ FM）三種調(diào)制方式進(jìn)行 了 詳細(xì)介紹。 第四章主要介紹了 通信原理中的 二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制 系統(tǒng) ，對(duì)二進(jìn)制振幅鍵控（ 2ASK），二進(jìn)制頻移鍵控（ 2FSK），二進(jìn)制相移鍵控（ 2PSK） 三種調(diào)制方式進(jìn)行 了詳細(xì)介紹 。 第五章主要介 紹了 圖形用戶界面設(shè)計(jì)，對(duì)句柄圖形、界面菜單、用戶控件的 相關(guān)知識(shí) ，一些常用的編程命令、語(yǔ)法格式進(jìn)行了介紹。 第六章為設(shè)計(jì)成果，展示了設(shè)計(jì)的代碼和搭出的界面。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì) 說(shuō)明書 3 2 MATLAB 相關(guān)知識(shí) MATLAB MATLAB 的簡(jiǎn)介 MATLAB 是美國(guó) MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB和 Simulink 兩大部分。 MATLAB 是 矩陣實(shí)驗(yàn)室 （ Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱，和 Mathematica、 Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè) 計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng) 域 [6~7]。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程 中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來(lái)解算問題要比用 C， FORTRAN 等語(yǔ)言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點(diǎn) ,使 MATLAB 成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì) C， FORTRAN， C++ ， JAVA 的支持。可以直接調(diào)用 ,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的 MATLAB 愛好 者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。 發(fā)展歷程 20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任 Cleve Moler 為了減輕學(xué)生編程的負(fù)擔(dān)，用 FORTRAN 編寫了最早的 MATLAB。 1984 年由 Little、 Moler、Steve Bangert 合作成立了的 MathWorks 公司正式把 MATLAB 推向市場(chǎng)。到 20世紀(jì)90年代， MATLAB已成為國(guó)際控制界的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件 [8]。 版本已經(jīng)由 1984年的 MATLAB ，歷經(jīng) 25年的發(fā)展，如今已經(jīng)更新到了 MATLAB （ 2020 年 3月 6日發(fā)布）。 應(yīng)用 MATLAB 產(chǎn)品族可以用來(lái)進(jìn)行以下各種工作： ● 數(shù)值分析 ● 數(shù)值和符號(hào)計(jì)算 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì) 說(shuō)明書 4 ● 工程與科學(xué)繪圖 ● 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 ● 數(shù)字圖像處理 ● 數(shù)字信號(hào)處理 ● 通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 ● 財(cái)務(wù)與金融工程 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴(kuò)展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。 MATLAB 的優(yōu)勢(shì)和特 點(diǎn) （ 1） MATLAB 特點(diǎn) ● 此高級(jí)語(yǔ)言可用于技術(shù)計(jì)算 ● 開發(fā)環(huán)境可對(duì)代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理 ● 交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計(jì)及求解問題 ● 數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計(jì)、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等 ● 二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù) ● 各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶界面 ● 各種函數(shù)可將基于 MATLAB 的算法與外部應(yīng)用程序和語(yǔ)言（如 C、 C++、Fortran、 Java、 COM 以及 Microsoft Excel）集成 （ 2） MATLAB 的優(yōu)勢(shì) [9] 1）友好 的工作平臺(tái)和編程環(huán)境 MATLAB 由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用 MATLAB 的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括 MATLAB 桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB 的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)， MATLAB 的用戶界面也越來(lái)越精致，更加接近 Windows 的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本的 MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì) 說(shuō)明書 5 供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)， 程序不必經(jīng)過(guò)編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。 2）簡(jiǎn)單易用的程序語(yǔ)言 Matlab 一個(gè)高級(jí)的矩陣 /陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（ M 文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB 語(yǔ)言是基于最為流行的 C＋＋語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與 C＋＋語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語(yǔ)言 可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB 能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。 3）強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力 MATLAB 是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有 600 多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)言，如 C 和 C++ 。在計(jì)算要求相同的情況下，使用 MATLAB 的編程工作量會(huì)大大減少。 MATLAB 的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如 矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。 4）出色的圖形處理功能 MATLAB 自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的 MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對(duì)于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等）， MATLAB 同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，例如圖形對(duì)話等， MATLAB 也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì) 說(shuō)明書 6 本的 MATLAB 還著重在圖形用戶界面（ GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。 5）應(yīng)用廣泛的模塊集 合工具箱 MATLAB 對(duì)許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己 編寫代碼。目前， MATLAB 已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 LMI 控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點(diǎn) 仿真、 DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（ Toolbox）家族中有了自己的一席之地。 6）實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái) 新版本的 MATLAB 可以利用 MATLAB 編譯器和 C/C++數(shù)學(xué)庫(kù)和圖形庫(kù)，將自己的MATLAB 程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于 MATLAB 運(yùn)行的 C和 C++代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB 進(jìn)行交互的 C 或 C++語(yǔ)言程序。另外， MATLAB 網(wǎng)頁(yè)服務(wù)程序還容許在 Web應(yīng)用中使用自己的 MATLAB 數(shù)學(xué)和圖形程序。 MATLAB 的一個(gè)重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是 MATLAB 函數(shù)的子程序庫(kù)，每一個(gè)工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。 7）應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面） 在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對(duì)性對(duì)起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向 Excel 和 HDF5 進(jìn)行連接。 GUI 相關(guān)知識(shí)簡(jiǎn)介 定義 及簡(jiǎn)單介紹 圖形用戶界面（ Graphical User Interface，簡(jiǎn)稱 GUI，又稱圖形用戶接口）是指采用圖形方式顯示的計(jì)算機(jī)操作用戶介面。與早期計(jì)算機(jī)使用的命令行界面相比，圖形界面對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)在視覺上更易于接受。 如 Windows 是以圖形界面方式操作的，因?yàn)槟憧梢杂檬髽?biāo)來(lái)點(diǎn)擊按鈕來(lái)進(jìn)行操中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計(jì) 說(shuō)明書 7 作，很直觀。而 DOS 就不具備 GUI，所以他只能輸入命令。 DOS 的這種界面叫 CUI (Command line