【文章內(nèi)容簡介】 ATLAB 的應用現(xiàn)狀MATLAB 的函數(shù)和命令幾乎可以實現(xiàn) C 或 FORTRAN 語言的全部功能，用戶不懂 C 或者 FOR2TRAN 等高級語言也能開發(fā)出功能強大、界面友好、穩(wěn)定可靠的程序來，開發(fā)周期大大縮短。若用戶熟悉 C 或 FORTRAN，MATLAB 提供了相應的接口，允許相互調用，因此 MATLAB 具有較好的開放性。 MATLAB 的高效編程還體現(xiàn)在各類學科的專家在各自的領域用 MATLAB 編寫的許多準確、高效的工具箱，工具箱實際上是對 MATLAB 進行擴展應用的一系列 MATLAB 函數(shù)（成為 M 文件） ，供用戶方便地使用，諸如信號處理、圖像處理、控制系統(tǒng)、工程優(yōu)化及神經(jīng)網(wǎng)絡等工具箱。所以 MATLAB 逐步成為設計數(shù)值分析的各類學科教學與科學研究必不可少的工具。目前，國外很多工科類高校都將 MATLBA 作為必修課，實驗室通常都配備裝有 MATLAB 的計算機供學生學習和研究使用。而我國工科類的教學還未能充分利用 MATLAB 強大功能，現(xiàn)有的 MATLAB 書籍大部分作為計算機應用工具書出現(xiàn)，基于 MATLAB 的通信原理仿真平臺設計4未能與具體學科的教材有機地結合起來。 MATLAB 在《通信原理》教學中的應用通信原理課程是本科電子類、通信類專業(yè)的重要基礎課程之一，但是通信原理的原理、概念抽象，理論性強，學生單憑老師上課的講解難以掌握，尤其是課程中的許多章節(jié)內(nèi)容，需要作圖才能理解有關概念和原理，不然難以形成明確的解決問題的思路。目前，通信工程專業(yè)低年級學生已經(jīng)開設計算機應用教程，把 MATLAB 的基礎知識作為此課程的重要內(nèi)容，使得學生能夠掌握使用 MATLAB 這類工程計算機軟件的基本技術，包括基本數(shù)學計算、矩陣處理、計算結果的可視化和符號運算等。教師在推動 MATLAB 的教學應用中也起著重要租用。教師通過應用 MATLAB 進行科研提高自身水平，只有通過科研才能深刻理解 MATLAB 強大的功能及其在工程中的應用，使得講課做到科研與教學相長。 通信原理仿真平臺設計的必要性和可行性《通信原理》是電子通信類相關專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課程，是本科生后續(xù)課程和研究生課程的基礎，它在專業(yè)課程體系中占有重要地位，該課程的主要任務是通過對通信原理理論知識的學習，培養(yǎng)學生對通信原理中數(shù)字、模擬等系統(tǒng)的分析和設計能力等。課程特點是：內(nèi)容豐富、理論性強、涉及知識面廣、信息量大，而且比較抽象，是具有一定深度和學習難度的課程。因而課堂的教學必須建立一套包括理論講授、計算機輔助教學、時間教學在內(nèi)的全方位的課程教學新體系，充分調動教師和學生兩方面的積極性，利用各種教學方法和手段，全面提高課程的教學質量。 增加 MATLAB 內(nèi)容的必要性和可行性1）必要性通信原理需要將所學的理論應用到實踐中去，因此有必要一開始讓學生以簡單的 MATLAB 語言學習用計算機處理信號，另一方面， MATLAB 強大的可視化數(shù)據(jù)處理功能也能夠彌補通信原理理論課程授課時的不足。例如，通信理論課程中常常出現(xiàn)各種抽象的圖形，想象圖形就得花費不少時間，如果采用 MATLAB 語言，只需幾條簡單的指令立刻就能得到。增加 MATLAB 語言內(nèi)容，可以促進通信原理理論的教學，提高學生興趣，增強學生自己動手分析、設計系統(tǒng)的能力，而且老師在課堂上可以直觀的演示，使抽象的理論變成生動的圖形界面，有利于培養(yǎng)出知識面廣、動手能力強、綜合素質高的學生。基于 MATLAB 的通信原理仿真平臺設計52）可行性MATLAB 語言可在目前各種類型的計算機上運行，安裝簡易。 MATLAB 語言比一般的高級語言執(zhí)行效率低，而其編程效率與可讀性、可移植性要遠遠高于其他高級語言。將 MATLAB 加入到實驗教學中，一方面讓學生用簡單的 MATLAB 語言學習用計算機如何建模、如何分析和設計系統(tǒng)等，以強化原理的應用性，另一方面MATLAB 強大的可視化數(shù)據(jù)處理功能也可以彌補課程授課時的不足，以減少教師繪制圖表的麻煩和不精確，還可避免傳統(tǒng)理論教學中教師在黑板畫圖耗費時間及手工畫圖的不精確性，增加學生自己的動手能力，培養(yǎng)知識面更廣，綜合素質更高的學生。因此，在通信原理基礎課程中增加 MATLAB 內(nèi)容，不僅使學生掌握了理論教學的內(nèi)容，同時也教給學生一些應用理論的手段。 用 MATLAB 做通信原理仿真平臺的優(yōu)點通信原理課程學習過程中的數(shù)字基帶信號、模擬調制、數(shù)字調制、抽樣量化等內(nèi)容，原理和實現(xiàn)方法概念抽象，且畫圖比較難，學習起來難度比較大。MATLAB強大的繪圖功能使得用圖形來驗證結論結果不再是一件繁瑣的事情，直觀、方便，且各種圖形用 MATLAB 均能實現(xiàn)?；?MATLAB 的通信原理仿真平臺設計62 基于 MATLAB 的通信原理仿真平臺整體構建方案 仿真平臺應用軟件設計實現(xiàn) 總體結構設計軟件采用 MATLAB 開發(fā)平臺，利用其可視化的具有編程能力的圖形用戶界面GUI，按照控制教學、實驗、應用等內(nèi)容，設計出相應的仿真平臺應用軟件結構圖（如圖所示） 。系統(tǒng)主要界面由 6 個主要子窗口模塊構成，通過單擊主界面上子模塊相應的按鈕即可啟動相應的子窗口，MATLAB 的應用程序，以 M 文件形式出現(xiàn)，各軟件模塊主要的功能是實現(xiàn)教學大綱要求完成的實驗。MATLAB 總體結構圖 21：圖 21 總體結構 軟件實現(xiàn)要將系統(tǒng)結構圖中的內(nèi)容在用戶界面里表現(xiàn)出來，就必須有參數(shù)輸入、結果輸出、圖形仿真輸出等，且這些都能進行對比分析，因此要求開發(fā)出一個友好、操作簡單、可讀性強、易修改的圖形用戶界面。選擇 MATLAB 中具有可視化編程能力的圖形界面 GUI，將它提供的工具與編程經(jīng)驗結合起來，完成軟件界面的創(chuàng)建。各級界面主要利用向導編輯器 GUIDE 中提供的空間，利用圖標及其對應的功能來設計友好的交互式界面。借助 GUI 設計面板提供的空間布置編輯器“Align0bjects” ，很容易的對所選對象進行水平、垂直和間隔排列布置?；?MATLAB 的通信原理仿真平臺數(shù)字基帶信號模擬調制數(shù)字調制抽樣定理量化眼圖基于 MATLAB 的通信原理仿真平臺設計7通過圖形界面中控件的操作來完成圖形界面的功能，這些操作是通過函數(shù)代碼的執(zhí)行來完成的。函數(shù)代碼的編制通過編寫回調函數(shù)時實現(xiàn)，把函數(shù)代碼放在一個自定義的 M 文件中，而在“callback”中只寫上其文件名。當操作該控件時，系統(tǒng)會自動執(zhí)行“callback”中所要求執(zhí)行的內(nèi)容，將子菜單界面所保存的文件名與主界面的菜單名關聯(lián)起來，完成相應的功能，從而實現(xiàn)整個軟件設計。 界面的設計方法 句柄圖形及圖形用戶界面句柄圖形就是將一個圖形的每一個組建都視為一個對象，每一個對象都有一個獨一無二的“句柄” ，根據(jù)這個句柄，就可以找到這個對象的各種屬性，并進而更改這些屬性，以產(chǎn)生不同的圖形呈現(xiàn)效果。圖形用戶界面 GUI 是由各種圖形對象，如圖形窗口、圖軸、菜單、按鈕、文本框等構建的用戶界面，是人機交流信息的工具和方法，在該界面內(nèi)，用戶可以根據(jù)界面提示完成整個工程，卻不必去了解工程內(nèi)部是如何工作的。GUI 設計既可以以基本的 MATLAB 程序設計為主，也可以以鼠標為主，利用 GUIDE 工具進行設計。利用 GUIDE 設計圖形用戶界面時，可通過GUI 應用屬性設置編輯器來設置對句柄操作的響應。 GUIDE 的設計過程1）GUI 設計工具簡介在 GUIDE 設計環(huán)境中，需要用到的工具有屬性編輯器、控件布置編輯器、菜單編輯器、對象瀏覽器、網(wǎng)絡標尺設置編輯器以及 GUI 應用屬性設置編輯器等。2）屬性編輯器打開屬性編輯器的方法有多種，最常用的是選中控件對象以后，點擊工具條上的屬性設置按鈕，即可打開屬性編輯器。通過該屬性編輯器來對所選圖形對象設置相關屬性。3）控件布置編輯器在編輯 GUI 過程中，通過控件布置編輯器可以方便地設置面板上 GUI 控件的布局。選中需要對齊的對象，然后選擇工具條上的控件布置按鈕，即可打開控件布置編輯器。在控件布置編輯器中可以設置 GUI 控件水平以及垂直布局，包括對齊方式以及控件間距等。4） 對象瀏覽器在 GUI 面板中點擊對象瀏覽按鈕可打開對象瀏覽器，在該瀏覽器中可以方便地基于 MATLAB 的通信原理仿真平臺設計8顯示出所有的圖形對象，單擊該對象則可以打開相應的屬性編輯器。5） 菜單編輯器在 GUI 面板中點擊菜單編輯按鈕可打開菜單編輯器，通過菜單編輯器可以為圖形界面添加、設置和修改菜單項，以及為右鍵添加快捷菜單。6） 網(wǎng)絡標尺設置編輯器通過網(wǎng)絡標尺設置編輯器，可以在 GUI 面板中添加網(wǎng)絡以及標尺，來方便用戶的界面設計。7） GUI 應用屬性設置編輯器通過該編輯器可以設定 GUI 界面縮放形式、GUI 對句柄操作的響應的方式，以及定義 GUI 的保存方式。8） GUI 設計面板GUI 設計面板是上述 GUI 設計工具應用的平臺，面板上部提供了菜單和常用工具按鈕，左邊提供了多種 GUI 控件，如按鈕、單選按鈕、復選框、文本框等。進行GUI 設計時，首先點擊 GUI 面板左邊所需的控件，然后在右邊的圖形界面編輯區(qū)中再次單擊某一恰當?shù)奈恢?，這是將在該位置上為圖形界面添加以相應的控件，接下來，通過屬性編輯器和對應編輯器對各控件設置相關屬性和進行界面布置，以完善界面功能。 基于 MATLAB 的通信原理仿真平臺主界面考慮到需要解決數(shù)據(jù)傳遞問題和編寫一些算法，在 GUIDE 中很難實現(xiàn)，而用M 文件可以生成非常復雜的界面，比較容易實現(xiàn)在不同窗口尺寸下給對象以合適的位置，同時文件創(chuàng)建的對象，可以方便的在 handle 中存取數(shù)據(jù)，因此本主界面的GUI 是通過 M 腳本文件實現(xiàn)的。如圖 22 所示：基于 MATLAB 的通信原理仿真平臺設計9 圖 22 主界面基于 MATLAB 的通信原理仿真平臺設計103 基于 MATLAB 的通信原理仿真平臺模塊 數(shù)字基帶信號的仿真數(shù)字基帶信號是數(shù)字信息的電脈沖表示，電脈沖的形式稱為碼型。通常把數(shù)字信息的電脈沖表示過程稱為碼型編碼或碼型變換，在有線信道中傳輸?shù)臄?shù)字基帶信號又稱為線路傳輸碼型。本模塊主要展示數(shù)字基帶信號的常用碼型波形。數(shù)字基帶信號的類型舉不勝舉，常見的有矩形脈沖、三角波、高斯脈沖和升余弦脈沖等。如圖 31 為整體模塊界面： 圖 31 數(shù)字基帶信號模塊 單極性不歸零碼單極性不歸零碼是一種最簡單、最常用的基帶信號形式。這種信號脈沖的零電平和正電平分別對應著二進制 0 和 1。其特點是極性單一，有直流分量，脈沖之間無間隔。如圖 32 為生成的單極性不歸零碼：基于 MATLAB 的通信原理仿真平臺設計11圖 32 單極性不歸零碼 單極性歸零碼單極性歸零碼與單極性不歸零碼的區(qū)別是電脈沖寬度小于碼元寬度，每個電脈沖在小于碼元長度內(nèi)總要回到零電平，即輸入信息為 1 時給出的碼元前半時間為1，后半時間為 0，輸入為 0 時與不歸零則完全相同。如圖 33 為生成的單極性歸零碼：圖 33 單極性歸零碼基于 MATLAB 的通信原理仿真平臺設計12 雙極性不歸零碼在雙極性不歸零碼中，脈沖的正、負電平分別對應于二進制代碼 0，由于它是幅度相等極性相反的雙極性波形，故當 0、1 符號等可能出現(xiàn)時無直流分量。這樣，恢復信號的判決點評為 0，因而不受信道特性變換的影響，抗干擾能力較強，較單極性碼更有利于在信道中傳輸。如圖 34 為生成的雙極性不歸零碼：圖 34 雙極性不歸零碼 雙極性歸零碼雙極性歸零碼是雙極性不歸零碼的歸零形式，每個碼元內(nèi)的脈沖都回到零電