基于matlab的通信原理辅助实验系统设计毕设论文.pdf
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1、中北大学2009届毕业设计说明书1引言1.1 课题研究的目的及意义随着现代通信技术发展的日新月异,通信原理课程变得愈来愈重要。通信原理是通信工程专业、电子信息专业的一门重要的专业基础课程,它以各 种通信系统的基本理论为研究对象。通信原理与实际应用联系密切,又具有很强的 理论性和抽象性,需要应用概率论、随机过程、信号与系统、模拟与数字电路等多 门课程知识为基础。给我们的学习造成了一定的困难。形成这种学习困难的原因是 多方面的,其中最主要的是缺乏一个直观认识通信系统的感性基础1I,为了解决该问题,使抽象的理论知识具体化、形象化,我们引入了此课题。旨 在通过以MATLAB语言进行的G UI编程,搭出
2、一个简单的、直观的、容易操作的、可视化的人机交互界面。通过鼠标点击按钮,即可完成通信原理课程中一些基本的 实验区3本文的目的是研究基于MATLAB的通信原理辅助实验系统的设计方法并对 其进行实现。1.2 选用MATLAB的原因由于我们要做的只是一个通信原理辅助实验系统,并非是对通信系统深入地、精确地分析研究。止匕外,我们还需要搭出一个人机友好的界面,综合分析一下,我 们决定采用MATLAB,川文件编程实现图形用户界面及界面内部的通信原理的相 关计算匕V isual Basic和V isual C+亦可进行图形用户界面的编程。但此课题我们选 用MATLAB,因为MATLAB语法简单,贴近人的思维
3、方式,图形表现丰富有效,并且 MATLAB提供了各种数学、科学计算的相关函数,编程简洁美观,比Basic和C语 言用起来要更方便一些。另外,MATLAB还提供了与V isual Basic和V isual C+相连接的接口,可以实现两种语言的混合编程。综合以上优点,所以选用MATLAB做通信原理辅助实验系统的设计。1.3 MATLAB应用现状MATLAB是一种用于概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现的科学计算软 件,它将高性能的数值计算和可视化方法集成在一起,并提供了很多专业工具箱和 1_中北大学2009届毕业设计说明书_大量的内置函数。自从90年代初在我国引入后,一直受到广大科研人员和技术
4、工 程师的喜爱,随着版本的不断更新和MathWorks公司在开发力度上的不断加大,MATLAB的功能日益强大,应用范围也越来越广阔,从最初的数值运算,二维图示,3D建模到数字信号处理,电子电力仿真,神经网络,航空航天,通信仿真,图像 处理,控制工程等等几乎囊括了所有工程设计的方方面面。MATLAB是从事众多工业、科研领域的必备工具。无论是在校学生,还是已经 参加工作的工程技术人员和科研人员,都运用它来解决各种科学问题、工程问题。全球现有超过50万的企业用户和上千万的个人用户,他们广泛地分布在航空航天、金融财务、机械化工、电信、教育等各个行业。1.4 本论文的主要研究工作本文的研究工作主要包括以
5、下几个方面:第二章简要介绍了 MATLAB的相关知识及GUI的相关介绍:MATLAB的发展历程、应用、优势和特点;GUI的定义、特点及其组成部分。第三章主要介绍通信原理中的模拟调制系统,对调幅(AM)、单边带(SSB)和 频率调制(FM)三种调制方式进行了详细介绍。第四章主要介绍了通信原理中的二进制数字调制系统,对二进制振幅键控(2ASK),二进制频移键控(2FSK),二进制相移键控(2PSK)三种调制方式进行了 详细介绍。第五章主要介绍了图形用户界面设计,对句柄图形、界面菜单、用户控件的相 关知识,一些常用的编程命令、语法格式进行了介绍。第六章为设计成果,展示了设计的代码和搭出的界而。2中北
6、大学2009届毕业设计说明书2 MATLAB相关知识2.1 MATLAB2.1.1 MATLAB 的简介MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可 视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB 和Simulink两大部分。MATLAB 是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称,和 Mathematica、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建川户界面、连接其 他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计
7、、信号处理与通讯、图像处 理、信号检测、金融建模设计与分析等领域斤力。MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式 十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得 多,并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数 学软件。在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,C+,JAV A的支持。可以直接调 用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用,此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序,用户可以直接进行下载就可 以用。2.1.2发展历程20世纪70年
8、代,美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻 学生编程的负担,用FORTRAN编写了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。到20世纪 90年代,MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。版本已经由1984年的MATLAB 1.0,历经25年的发展,如今已经更新到了 MATLAB 7.8(2009年3月6日发布)。2.1.3应用MATLAB产品族可以用来进行以下各种工作:数值分析 数值和符号计算3中北大学2009届毕业设计说明书_ 工程与科学绘图 控制系统的设计与仿
9、真 数字图像处理 数字信号处理 通讯系统设计与仿真 财务与金融工程MATLAB的应用范围非常广,包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测 试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱(单独 提供的专用MATLAB函数集)扩展了 MATLAB环境,以解决这些应用领域内特定类 型的问题。2.1.3 MATLAB的优势和特点(1)MATLAB 特点 此高级语言可用于技术计算 开发环境可对代码、文件和数据进行管理 交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题 数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分 等 二维和三维图形函数可用于可视化数据 各种工具可用
10、于构建自定义的图形用户界面 各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言(如C、C+、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel)集成(2)MATLAB的优势1)友好的工作平台和编程环境MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件,其 中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着 MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级,MATLAB的用户界面也越来越精致,更 加接近Windows的标准界面,人机交互性更强,操作更简单。
11、而且新版本的MATLAB 提供了完整的联机查询、帮助系统,极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提4_中北大学2009届毕业设计说明书_ 供了比较完备的调试系统,程序不必经过编译就可以直接运行,而且能够及时地报 告出现的错误及进行出错原因分析。2)简单易用的程序语言Matlab 一个高级的矩阵/阵列语言,它包含控制语句、函数、数据结构、输入 和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步,也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序(M文件)后再一起运行。新版本的 MATLAB语言是基于最为流行的C+语言基础上的,因此语法特征与C+语言极 为相似,而且更加简单,更加符合科技人
12、员对数学表达式的书写格式。使之更利于 非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强,这也是 MATLAB能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原H o3)强大的科学计算机数据处理能力MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数 学运算函数,可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是 科研和工程计算中的最新研究成果,而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况 下,可以用它来代替底层编程语言,如C和C+o在计算要求相同的情况下,使 用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB的这些函数集包括从最简单最基本的 函数到诸如矩阵
13、,特征向量、快速傅立叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其 大致包括矩阵运算和线性方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号 运算、傅立叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的 各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。4)出色的图形处理功能MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能,以将向量和矩阵用图形 表现出来,并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视 化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB 对整个图形处理功能作了很大的改进和完善,使它不仅在一般数据可视化软件都具
14、 有的功能(例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等)方面更加完善,而且对于一 些其他软件所没有的功能(例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现 等),MATLAB同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求,例如图 形对话等,MATLAB也有相应的功能函数,保证了用户不同层次的要求。另外新版5_中北大学2009届毕业设计说明书_ 本的MATLAB还着重在图形用户界面(GUI)的制作上作了很大的改善,对这方面有 特殊要求的用户也可以得到满足。5)应用广泛的模块集合工具箱MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说,它们都是由特定领域的专家开发的,用户可以直接
15、使用工具箱学习、应用和评估不 同的方法而不需要自己编写代码。目前,MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究 和工程应用的诸多领域,诸如数据采集、数据库接口、概率统计、样条拟合、优化 算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI控制、鲁棒控制、模型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP 与通讯、电力系统仿真等,都在工具箱(Toolbox)家族中有了自己的一席之地。6)实用的程序接口和发布平台新版本的MATLAB可以利用MATLAB编译器和C/C+数学库和图形库,将自己的 MAT
16、LAB程序自动转换为独立于MATLAB运行的C和C+代码。允许用户编写可以和 MATLAB进行交互的C或C+语言程序。另外,MATLAB网页服务程序还容许在Web 应用中使用自己的MATLAB数学和图形程序。MATLAB的一个重要特色就是具有一套 程序扩展系统和一组称之为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子 程序库,每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的,主要包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。7)应用软件开发(包括用户界面)在开发环境中,使用户更方便地控制多个文件和图形窗口;在编程方面支持了 函数嵌套,有条件中断等;在图形化方面
17、,有了更强大的图形标注和处理功能,包 括对性对起连接注释等;在输入输出方面,可以直接向Excel和HDF5进行连接。2.2 G UI相关知识简介2.2.1定义及简单介绍图形用户界面(Graphical User Interface,简称GUI,又称图形用户接口)是指采用图形方式显示的计算机操作用户介面。与早期计算机使用的命令行界面相 比,图形界面对于用户来说在视觉上更易于接受。如Windows是以图形界面方式操作的,因为你可以用鼠标来点击按钮来进行操6中北大学2009届毕业设计说明书_作,很直观。而DOS就不具备GUI,所以他只能输入命令。DOS的这种界面叫CUI(Command line U
18、ser Interface)命令行模式的人机接口。通常人机交互图形化用户界面设计经常读做goo-ee,准确来说GUI就是 屏幕产品的视觉体验和互动操作部分。GUI是一种结合计算机科学、美学、心理学、行为学,及各商业领域需求分析 的人机系统工程,强调人一机一环境三者作为一个系统进行总体设计。这种面向客 户的系统工程设计其目的是优化产品的性能,使操作更人性化,减轻使用者的认知 负担,使其更适合用户的操作需求,直接提升产品的市场竞争力。GUI即人机交互图形化用户界面设计。纵观国际相关产业在图形化用户界面设 计方面的发展现状,许多国际知名公司早已意识到GUI在产品方面产生的强大增 值功能,以及带动的巨
19、大市场价值,因此在公司内部设立了相关部门专门从事GUI 的研究与设计,同业间也成立了若干机构,以互相交流GUI设计理论与经验为目 的。随着中国IT产业,移动通讯产业,家电产业的迅猛发展,在产品的人机交互 界面设计水平发展上日显滞后,这对于提高产业综合素质,提升与国际同等业者的 竞争能力等等方面无疑起了制约的作用.。2.2.2特点GUI的广泛应用是当今计算机发展的重大成就之一,他极大地方便了非专业用 户的使用人们从此不再需要死记硬背大量的命令,取而代之的是可用用通过窗口、菜单、按键等方式来方便地进行操作。而嵌入式GUI具有下面几个方面的基本要求:轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配
20、置等特点。2.2.3 G UI的组成部分(1)桌面在启动时显示,也是界面中最底层,有时也指代包括窗口、文件浏览器在内的“桌面环境”。在桌面上由于可以重叠显示窗口,因此可以实现多任务化。一般的 界面中,桌面上放有各种应用程序和数据的图标,用户可以依此开始工作。桌面与 既存的文件夹构成里面相违背,所以要以特殊位置的文件夹的参照形式来定义内 容。比如在微软公司的Windows XP系统中,各种用户的桌面内容实际保存在系统 盘(默认为C盘):Documents and Settings用户名、桌面 文件夹里回。墙纸,即桌面背景。可以设置为各种图片和各种附件,成为视觉美观的重要因 7中北大学2009届毕
21、业设计说明书素之一。(2)视窗应用程序为使用数据而在图形用户界面中设置的基本单元。应用程序和数据在 窗口内实现一体化。在窗口中,用户可以在窗口中操作应用程序,进行数据的管理、生成和编辑。通常在窗口四周设有菜单、图标,数据放在中央。在窗口中,根据各种数据/应用程序的内容设有标题栏,一般放在窗口的最上 方,并在其中设有最大化、最小化(隐藏窗口,并非消除数据X最前面、缩进(仅 显示标题栏)等动作按钮,可以简单地对窗口进行操作。1)单一文件界面(Single Document Interface)在窗口中,一个数据在一个窗口内完成的方式。在这种情况下,数据和显示窗 口的数量是一样的。若要在其他应用程序
22、的窗口使用数据,将相应生成新的窗口。因此窗口数量多,管理复杂。2)多文件界面(Multiple Document Interface)在一个窗口之内进行多个数据管理的方式。这种情况下,窗口的管理简单化,但是操作变为双重管理。(3)标签多文件界面的数据管理方式中使用的一种界面,将数据的标题在窗口中并排,通过选择标签标题显示必要的数据,这样使得接入数据方式变得更为便捷。上述中,多文件界面主要是微软视窗系统采用。而在其他环境中,通常多是单 文件界面,所以无所谓单一/多文件界面的称呼问题。(4)菜单将系统可以执行的命令以阶层的方式显示出来的一个界面。一般置于画面的最 上方或者最下方,应用程序能使用的所
23、有命令几乎全部都能放入。重要程度一般是 从左到右,越往右重要度越低。命定的层次根据应用程序的不同而不同,一般重视 文件的操作、编辑功能,因此放在最左边,然后往右有各种设置等操作,最右边往 往设有帮助。一般使用鼠标的第一按钮进行操作。即时菜单(又称功能表)与应用程序准备好的层次菜单不同,在菜单栏以外的地方,通过鼠标的第二按 钮调出的菜单称为“即时菜单”。根据调出位置的不同,菜单内容即时变化,列出 8中北大学2009届毕业设计说明书所指示的对象目前可以进行的操作。(5)图标显示在管理数据的应用程序中的数据,或者显示应用程序本身。数据管理程序,即在文件夹中用户数据的管理、进行特定数据管理的程序的情
24、况下,数据通过图标显示出来。通常情况下显示的是数据的内容或者与数据相关联 的应用程序的图案。另外,点击数据的图标,一般可以之间完成启动相关应用程序 以后再显示数据本身这两个步骤的工作。应用程序的图标只能用于启动应用程序。(6)按钮菜单中,利用程度高的命令用图形表示出来,配置在应用程序中,成为按钮。应用程序中的按钮,通常可以代替菜单。一些使用程度高的命令,不必通过菜 单一层层翻动才能调出,极大提高了工作效率。但是,各种用户使用的命令频率是 不一样的,因此这种配置一般都是可以由用户自定义编辑。(7)实现方法针对特定的图形设备输出接口,自行开发相关的功能函数。购买针对特定嵌入式系统的图形中间软件包。
25、采用源码开放的嵌入式GUI系统。使用独立软件开发商提供的嵌入式GUI产品。(8)GUI准则 减少用户的认知负担 保持界面的一致性。满足不同目标用户的创意需求 用户界面友好性 图标识别平衡性 图标功能的一致性 建立界面与用户的互动交流(9)GUI应用领域 手机通讯移动产品 电脑操作平台9中北大学2009届毕业设计说明书 软件产品 PDA产品 数码产品 车载系统产品 智能家电产品 游戏产品 产品的在线推广此章介绍了 MATLAB的相关知识,下面两章我们主要对通信原理的相关知识进 行介绍。2.3本章小结本章主要介绍了 MATLAB和GUI相关的基本知识。详细讲解了 MATLAB的发展历 程、应用、M
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