【文章內(nèi)容簡介】 芯片可接受的代碼，大大提高了現(xiàn)代電子通信設(shè)備的研發(fā)效率。 (8)MATLAB 的程序執(zhí)行效率比其它語言低。 MATLAB 程序通常是解釋執(zhí)行的，在執(zhí)行效率和速度上低于其它高級語言，當(dāng)然如果對執(zhí)行效率有特別要求，可以采用 C語言編制算法，然后通過 MATLAB 接口在 MATLAB 中執(zhí)行。事實上， MATLAB自帶的許多內(nèi) 部函數(shù)均是用 C語言編寫并編譯的，因此利用 MATLAB 內(nèi)部函數(shù)的程序部分運行速度并不比其它語言中相應(yīng)函數(shù)低。 20世紀(jì) 70 年代，美國新墨西哥大學(xué)計算機科學(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。到 20 世紀(jì) 90 年代， MATLAB 已成為國際控 制界的標(biāo)準(zhǔn)計算軟件。 MATLAB 產(chǎn)品族可以 應(yīng)用于 數(shù)值分析 、 數(shù)值和符號計算 、 工程與科學(xué)繪圖 、 控制 系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 、 數(shù)字圖像處理 技術(shù) 、 數(shù)字信號處理 技術(shù) 、 通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真 、 財務(wù)與金融工程 等領(lǐng)域。 MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨提供的專用 MATLAB 函數(shù)集）擴展了 MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。 **理工大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 11 MATLAB/Simulink 仿真 轉(zhuǎn)換方法 MATLAB/Simulink 屬 于一種通 用的科學(xué) 計算和系 統(tǒng)仿真語 言。在MATLAB/Simulink 下，從數(shù)學(xué)模型到計算機仿真模型的轉(zhuǎn)換非常容易。MATLAB/Simulink 提供了三種 （ 1） M 文件編程實現(xiàn)的方法：根據(jù)數(shù)學(xué)模型所建立的方程和數(shù)據(jù)參數(shù)，通過編程實現(xiàn)方程的表示和數(shù)值求解。其特點是靈活性好，數(shù)學(xué)關(guān)系顯式地表達在程序語句之中，但是仿 真的直觀性方面稍顯欠缺，通常在仿真計算完畢之后才能看到結(jié)果。 M 文件編程實現(xiàn)的方法是基于數(shù)據(jù)流的仿真方法。 （ 2） Simulink 方法：可以根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立對應(yīng)的系統(tǒng)方框圖，通過所見即所得的方式連接模塊，然后選擇求解方式和精度，運行仿真。其特點是直觀性好，可以在仿真過程中實時地修改系統(tǒng)模塊的參數(shù)，并能夠?qū)崟r地顯示當(dāng)前的仿真結(jié)果。 Simulink 仿真實現(xiàn)的方法是基于時間流的仿真方法。 （ 3） Simulink 結(jié)合 M 文件編程的方法：這是前兩種方法的綜合應(yīng)用，同時具備圖形界面的直觀性和字符界面的強大功能。事實上， 所有 Simulink 的模塊以及系統(tǒng)構(gòu)建、仿真參數(shù)、仿真求解算法等均可通過編程語句實現(xiàn)。與通過圖形界面交互完成的仿真過程相比較，通過編程語句實現(xiàn)將 “手動 ”的仿真過程真正變成了 “自動化 ”仿真過程。實際中，對于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，如整個通信接收機的仿真，往往采取 Simulink 結(jié)合 M 文件編程的方法。 Simulink 仿真原理 Simulink 軟件的簡介與特點 Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個 動態(tài)系統(tǒng) 建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。 Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點 Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和 數(shù)字信號處理 的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的 第三方軟件 和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于 Simulink。 Simulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具， 是一種基于 MATLAB**理工大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 12 的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個 軟件包 ，被廣泛應(yīng)用于 線性系統(tǒng) 、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。 Simulink 可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口 (GUI) ，這個創(chuàng) 建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulink 有如下特點 ： （ 1） 豐富的可擴充的預(yù)定義模塊庫 。 （ 2） 交互式的圖形 編輯器 來組合和管理直觀的模塊圖 。 （ 3） 以設(shè)計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計的管理 。 （ 4） 通過 Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號、參 數(shù)、屬性，生成模型代碼 。 （ 5） 提供 API 用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成 。 （ 6） 使用 Embedded MATLAB? 模塊在 Simulink 和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用 MATLAB 算法 。 （ 7） 使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)仿真模式來決定以解釋性的方式運行或以編譯 C 代碼的形式來運行模型 。 （ 8） 圖形化的調(diào)試器和剖析器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計的性能和異常行為 。 （ 9） 可訪問 MATLAB 從而對結(jié)果進行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù) 。 （ 10） 模型分析和診斷工具來保證模型的 一致性，確定模型中的錯誤 。 Simulink 建模和仿真 Simulink 可以對實際的動態(tài)系統(tǒng)建模，仿真并實時分析系統(tǒng)輸出的變化。利用 Simulink 仿真動態(tài)系統(tǒng)分兩步： （ 1） 用戶創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)框圖，利用 Simulink 模型編輯器，通過系統(tǒng)的輸入，傳遞函數(shù)，輸出描述數(shù)學(xué)關(guān)系 **理工大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 13 （ 2） 仿真系統(tǒng)的模型，并指定開始時間和結(jié)束時間 仿真結(jié)構(gòu)圖是動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的圖形化描述，數(shù)學(xué)模型由一組方程組表示，包括比例，微分，微分方程。 創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型的要素 ： 用戶可以用 Simulink 軟件包建模、仿真和分析模型 輸出隨時間而改變的系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)通常是指動態(tài)系統(tǒng)：利用 Simulink，用戶可以搭建很多領(lǐng)域的動態(tài)系統(tǒng)，包括電子電路、減振器、剎車系統(tǒng)和許多其他的電子、機械和熱力學(xué)系統(tǒng)。使用 Simulink 仿真動態(tài)系統(tǒng)包括兩個過程。首先，利用 Simulink 的模型編輯器創(chuàng)建被仿真系統(tǒng)的模型方塊圖，系統(tǒng)模型描述了系統(tǒng)中輸入、輸出、狀態(tài)和時間的數(shù)學(xué)關(guān)系，然后使用 Simulink 根據(jù)用戶輸入的模型信息在一個時間段內(nèi)仿真動態(tài)系統(tǒng)。本節(jié)綜合給出了用戶在 Simulink中創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型時需要理解和掌握的所有建模要素。 （ 1） 方塊圖 Simulink 方塊圖是動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的圖形化描述， 動態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是由一組方程來表示的，而由方塊圖模型所描述的數(shù)學(xué)方程就是眾所周知的代數(shù)方程、微分方程和 (或 )差分方程。 一個典型的動態(tài)系統(tǒng)方塊圖模型是由一組模塊和相互連接的線 (信號 )組成的，這些方塊圖模型都來源于工程領(lǐng)域，如反饋控制系統(tǒng)理論和信號處理理論等。每個模塊本身就定義了一個基本的動態(tài)系統(tǒng)，而方塊圖中每個基本動態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系就是通過模塊之間相互連接的線來說明的，方塊圖中的所有模塊和連線就描述了整個動態(tài)系統(tǒng)。 方塊圖模型中的每個模塊都屬于一 個特定的 Simulink 模塊類型，模塊的類型決定了模塊的輸出、輸入、狀態(tài)與時間的關(guān)系，在建立系統(tǒng)模型圖時， Simulink方塊圖中可以包含任意數(shù)目、任意類型的模塊， Simulink 中的模塊包括非虛擬模塊和虛擬模塊。非虛擬模塊是基本系統(tǒng)，虛擬模塊則是為了模型方塊圖組織結(jié)構(gòu)的簡化而建立的，它在模型方塊圖所描述的系統(tǒng)方程定義中不起任何作用、如Bus Creator 模塊和 Bus Selector 模塊就是虛擬模塊，它們的作用只是把信號“ 捆綁 ” 在一起用來簡化方塊圖，而且也增加了模型的可讀性。 在 Simulink 中， 方塊圖 (或者說模型 )表示的是 “ 基于時間的方塊圖 ” ，其含義如下： **理工大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 14 1） Simulink 方塊圖定義了信號和狀態(tài)變量的時間關(guān)系，方塊圖的解是通過求解整個時間過程中所有的函數(shù)方程來獲得的，這個時間過程就是由用戶指定的“ 起始時刻 ” 開始，至用戶定義的 “ 終止時刻 ” 結(jié)束，每次計算都是在一個時間步內(nèi)求解這些函數(shù)關(guān)系的。 2） 信號表示的是整個時間范圍內(nèi)的量值，在方塊圖的起始時刻到終止時刻之間每個時間點上都定義了信號。 3） 信號和狀態(tài)變量之間的關(guān)系是通過模塊所表示的一組方程定義的，每個模塊都是由一組方程 (也稱為模塊方法 )組成的， 這些方程定義了輸入信號、輸出信號和狀態(tài) 變量之間的關(guān)系。方程定義中的所有值稱為參數(shù)，也就是方程中的系 （ 2） 系統(tǒng)函數(shù) 每個 Simulink 模塊的類型都是與一組系統(tǒng)函數(shù)相關(guān)聯(lián)的，系統(tǒng)函數(shù)指定了模塊的輸入、狀態(tài)和輸出之間的時間關(guān)系，這個系統(tǒng)函數(shù)包括： 輸出函數(shù) ：它表示的是系統(tǒng)輸出、輸入、狀態(tài)和時間的關(guān)系。 更新函數(shù) ：它表示的是系統(tǒng)離散狀態(tài)的將來值與當(dāng)前時刻、輸入和狀態(tài)之間的關(guān)系。 微分函數(shù) ：它表示的是系統(tǒng)連續(xù)狀態(tài)對時間的微分、模塊當(dāng)前狀態(tài)值和輸入之間的關(guān)系。 這里， t 是當(dāng)前時間， x是模塊的狀態(tài)， u 是模塊的輸 入， y是模塊的輸出，xd是模塊的離散狀態(tài)的微分，是模塊連續(xù)狀態(tài)的微分，在進行仿真過程中，Simulink 利用系統(tǒng)函數(shù)計算系統(tǒng)的狀態(tài)值和輸出值。 （ 3） 狀態(tài) Simulink 模塊可能包含有狀態(tài)，狀態(tài) (state)是確定模塊輸出的變量，它的當(dāng)前值是模塊狀態(tài)和（或）前一時刻輸入值的函數(shù)，含有狀態(tài)的模塊必須存儲前一時刻的狀態(tài)值，用以計算當(dāng)前時刻的狀態(tài)值，因此說，狀態(tài)是可以保持的。由于含有狀態(tài)的模塊必須存儲前一時刻的狀態(tài)值和 (或 )輸出值用以計算當(dāng)前時刻的狀態(tài)值，因此這樣的模塊都需要內(nèi)存。 模塊的輸出是模塊輸入、狀態(tài)和 時間的函數(shù)，描述模塊輸出對輸入、狀態(tài)和時間的特定函數(shù)取決于模塊的類型。 Simulink 模型有兩種狀態(tài)類型：離散狀態(tài)和連續(xù)狀態(tài)。連續(xù)狀態(tài)是連續(xù)變化的，如汽車的位置和速度；離散狀態(tài)是連續(xù)狀**理工大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 15 態(tài)的近似，這些狀態(tài)在有限的時間間隔 (周期性或非周期性 )內(nèi)進行更新 (重新計算 )，例如，在數(shù)字里程表中顯示的汽車位置就是離散狀態(tài)，這些位置在每秒內(nèi)進行更新，如果離散狀態(tài)時間間隔趨近于零，那么離散狀態(tài)也相當(dāng)于連續(xù)狀態(tài)。Simulink 模塊明確定義了模型的狀態(tài)，尤其是需要某些先前時刻的輸出或所有輸出才能計算當(dāng)前輸出的模塊，這些模塊明確 定義了兩個時間步之間需要保存的一組狀態(tài)，因此說，這樣的模塊都是有狀態(tài)的：圖 21是含有狀態(tài)的模塊中輸入、輸出和狀態(tài)的圖形表示。 模型中狀態(tài)的總數(shù)是模型中所有模塊定義的所有狀態(tài)之和，為了確定模型 中的狀態(tài)總數(shù)， Simulink 需要分析模型中所包含的模塊類型，然后再確定模塊類型所定義的狀態(tài)數(shù)目， Simulink 會在仿真匯編階段進行這個工作。舉例來說，Simulink 的 Integrator(積分器 )模塊就是 — 個含有狀態(tài)的模塊。 Integrator 模塊輸出的是由仿真起始時刻到當(dāng)前時刻的輸入信號的積分值，當(dāng)前時刻的輸出值取決于在此時刻之前 Integrator 模塊的所有輸入值，事實上，積分值只是Integrator 模塊的一個狀態(tài)。再舉一個例子， Simulink 的 Memory 模塊也是一個含有狀態(tài)的模塊， Memory 模塊存儲當(dāng)前仿真時刻的輸入值，并在此時刻之后輸出這些值，因此 Memory 模塊的狀態(tài)就是前 — 時刻的輸入值。 Simulink 的 Gain 模塊是個無狀態(tài)模塊， Gain 模塊的輸出值是輸入信號值乘以增益常數(shù)，它的輸出完全是由當(dāng)前的輸入值和增益來決定的。此外， sum 模塊和 Product 模塊也是無狀態(tài)模塊，它們的輸出均是當(dāng)前輸入的函數(shù)，因此都是無狀態(tài)的。 第一： 連續(xù)狀態(tài) 。 計算連續(xù)狀態(tài)需要知道狀態(tài)的變化率或微分，由于連續(xù)狀態(tài)的變化率自身也是連續(xù)的 (即它自身也是 — 個狀態(tài) )，因此計算當(dāng)前時間步上連續(xù)狀態(tài)的值需要從仿真的起始 時刻開始對狀態(tài)的微分值進行積分，這樣，在Simulink中建立連續(xù)狀態(tài)的模型需要 Simulink能夠表示積分操作并描述每一時刻上狀態(tài)微分的計算過程。 Simulink方塊圖使用 Integrator模塊表示積分過程，并利用與 Integrator 模塊相連的一串操作模塊表示計算狀態(tài)微分的方法，這串與 Integrator 模塊相連的模塊實際上就是圖形化的常微分方程 (ODE)。通常，除了簡單動態(tài)系統(tǒng)，對由對常微分方程所描述的真實世界動態(tài)系統(tǒng)中狀態(tài)的積分是不存在解析法的，對狀態(tài)積分需要利用稱為 ODE 算法的數(shù)值方法，這些不同 的方**理工大學(xué) 20xx 屆畢業(yè)論文 16 法需要在計算精度和計算負(fù)荷之間進行折衷選擇。 Simulink 給出了最通用的 ODE積分方法的計算機實現(xiàn)，并允許用戶在仿真一個系統(tǒng)時確定使用那一種方法來積分由 Integrator 模塊表示的狀態(tài)。計算當(dāng)前時間步上連續(xù)狀態(tài)的值需要從仿真的起始時刻開始對這個狀態(tài)值進行積分，數(shù)值積分的精