基于Matlab 的通信信號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

倪 磊，萬(wàn)再蓮，周 瑋

（四川師范大學(xué)成都學(xué)院 通信工程學(xué)院,四川 成都 611745）

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者都對(duì)Matlab信號(hào)仿真進(jìn)行過(guò)研究，但這些研究都是基于Matlab的數(shù)字信號(hào)或者是模擬信號(hào)的仿真。而在國(guó)內(nèi)的主流教材中，也都未涉及到信號(hào)產(chǎn)生的仿真界面。通信學(xué)科中的信號(hào)繁多復(fù)雜，學(xué)生在學(xué)完某類信號(hào)時(shí)，未能對(duì)數(shù)字和模擬信號(hào)進(jìn)行詳細(xì)的區(qū)分。很多高校由于教學(xué)學(xué)時(shí)及實(shí)驗(yàn)室條件的限制，很難達(dá)到讓學(xué)生熟練掌握信號(hào)的教學(xué)要求，將Matlab仿真技術(shù)和GUI界面設(shè)計(jì)引入教學(xué)中[1]，可彌補(bǔ)這方面的遺憾。因此，通過(guò)對(duì)通信學(xué)科中的信號(hào)進(jìn)行歸納和總結(jié)，借助于現(xiàn)有的Matlab仿真軟件，設(shè)計(jì)和編寫(xiě)出一個(gè)集模擬與數(shù)字信號(hào)調(diào)制于一體的仿真界面系統(tǒng)，在這種創(chuàng)新型平臺(tái)上向?qū)W生展示通信系統(tǒng)的各類信號(hào)的處理。該平臺(tái)具有良好的交互性，實(shí)用性和可擴(kuò)展性[2]，為學(xué)生提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),能幫助供學(xué)生熟悉并掌握通信信號(hào)處理的基本理論和基本方法，例如模擬通信系統(tǒng)中的AM、DSB、SSB信號(hào)調(diào)制與解調(diào)信號(hào)的時(shí)域和頻域波形、數(shù)字基帶信號(hào)中的各種碼型時(shí)域波形和PSK、FSK、ASK等數(shù)字調(diào)制信號(hào)等。

1 Matlab GUI設(shè)計(jì)工具簡(jiǎn)介

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人與計(jì)算機(jī)的通信方式也發(fā)生了很大變化，從原來(lái)的命令行通訊方式到現(xiàn)在的圖形界面下的交互方式，而現(xiàn)在多數(shù)的應(yīng)用程序都是在圖形化界面下運(yùn)行的。

Matlab圖形用戶界面開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)稱GUIDE(matlab graphical user interface development environment),其主要是一個(gè)界面設(shè)計(jì)工具集。GUI（Graphical User Interface）就是基于數(shù)據(jù)處理軟件Matlab的圖形用戶界面開(kāi)發(fā)環(huán)境。在Matlab7.0中,GUI包含多種圖形對(duì)象的界面,包括圖形顯示區(qū)域、功能按鈕及自定義的功能菜單等。Matlab將GUI所支持的用戶控件都集成起來(lái),同時(shí)提供界面外觀、屬性和行為響應(yīng)方法的設(shè)置方法。為了讓界面實(shí)現(xiàn)各種功能,需要對(duì)各個(gè)圖形對(duì)象進(jìn)行布局。當(dāng)用戶激活對(duì)應(yīng)的GUI對(duì)象時(shí),就能執(zhí)行相應(yīng)的屬性設(shè)置。最后,必須保存和發(fā)布自己創(chuàng)建的GUI,使得用戶可以應(yīng)用GUI對(duì)象[3]。

在Matlab中，可以將所有對(duì)象用M文件進(jìn)行創(chuàng)建及編寫(xiě)。將GUI視為Matlab對(duì)象，可以使用M文件來(lái)創(chuàng)建GUI。通過(guò)GUIDE創(chuàng)建GUI對(duì)象，執(zhí)行效率高,可以交互式地進(jìn)行組件布局,還能生成保存和發(fā)布GUI的對(duì)應(yīng)文件[3]。

GUI將用戶設(shè)計(jì)保存好的界面保存在FIG資源文件中,同時(shí)自動(dòng)生成包含圖形用戶界面初始化和組件界面布局控制代碼的M文件。該M文件為實(shí)現(xiàn)回調(diào)函數(shù)的編寫(xiě)提供了一個(gè)參考框架。而FIG文件是一個(gè)二進(jìn)制文件，主要是對(duì)對(duì)象句柄進(jìn)行保存，保存用戶創(chuàng)建圖形窗口時(shí)設(shè)計(jì)的屬性。M文件中包含GUI設(shè)計(jì)、控制函數(shù)及控件的回調(diào)函數(shù),主要用來(lái)控制界面展開(kāi)時(shí)的各種特征。該文件可以分為GUI初始化和回調(diào)函數(shù)2個(gè)部分,控件的回調(diào)函數(shù)可根據(jù)用戶與GUI的具體交互行為分別調(diào)用。

2 平臺(tái)布局與設(shè)計(jì)

本平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)是在Matlab的圖形用戶界面(GUI)設(shè)計(jì)環(huán)境下完成[4]。通過(guò)GUIDE可以很方便地設(shè)計(jì)出各種符合要求的圖形用戶界面[5],考慮到平臺(tái)的應(yīng)用性，在設(shè)計(jì)時(shí)要遵循簡(jiǎn)單性、習(xí)慣性和直觀性3個(gè)原則。

在界面設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先，分析界面所要求實(shí)現(xiàn)的主要功能，明確設(shè)計(jì)任務(wù)；其次，在稿紙上繪出界面草圖，并站在學(xué)生使用的角度上審查該圖；第三，根據(jù)構(gòu)思，利用GUI設(shè)計(jì)出直觀、簡(jiǎn)單的信號(hào)處理界面；最后，編寫(xiě)相關(guān)代碼函數(shù)，并對(duì)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題進(jìn)行修改及優(yōu)化，直至檢查無(wú)誤。

2.1 建立GUI對(duì)象

GUI包含許多可以使軟件終端與用戶界面進(jìn)行交互的用戶界面組件,GUI實(shí)現(xiàn)的任務(wù)之一就是控制組件如何響應(yīng)用戶的行為[6]。在Matlab主界面的command window窗口中輸入GUIDE，即彈出圖形用戶界面模板選擇窗口，選擇默認(rèn)的空白（BLANK GUI）選項(xiàng)即可進(jìn)入編輯界面[7]。

圖1 Matlab/GUI開(kāi)發(fā)環(huán)境Fig.1 Main matlab/GUI development

2.2 界面布局設(shè)計(jì)

通信類信號(hào)調(diào)制中存在有兩類信號(hào)，即模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)。據(jù)此，將信號(hào)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中分為模擬信號(hào)波形仿真圖和數(shù)字信號(hào)波形仿真圖兩大模塊。

模擬信號(hào)的調(diào)制包括有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。而調(diào)幅中又包含普通調(diào)制AM信號(hào)、抑制載波的雙邊帶DSB信號(hào)和抑制載波的單邊帶SSB信號(hào)。數(shù)字信號(hào)調(diào)制中則包括幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控三類。通過(guò)將通信中遇到的數(shù)字信號(hào)調(diào)制進(jìn)行歸納，幅移鍵控ASK是通過(guò)改變載波信號(hào)的振幅大小來(lái)表示數(shù)字信號(hào) “0”和 “1”的，包括有2ASK，四進(jìn)制MASK。頻移鍵控FSK是利用兩個(gè)不同頻率的振蕩信號(hào)來(lái)表示數(shù)字信號(hào)“0”和“1”的，其包括有 2FSK,4FSK，8FSK，最小頻移鍵控MSK,高斯濾波最小頻移鍵控GMSK。相移鍵控PSK是根據(jù)數(shù)字基帶信號(hào)的兩個(gè)電平使載波相位在兩個(gè)不同的數(shù)值之間切換的一種相位調(diào)制方法，包括BPSK,8PSK,16PSK,QPSK,OQPSK，UQPSK。正交幅度調(diào)制是利用正交的載波對(duì)兩路信號(hào)分別進(jìn)行雙邊帶抑制載波調(diào)幅形成的，通常有16進(jìn)制QAM，64QAM,32QAM,128QAM。

將設(shè)計(jì)好的界面文件保存運(yùn)行，就可以看到該平臺(tái)在運(yùn)行時(shí)顯示出的實(shí)際效果，如圖2所示。

3 M文件的設(shè)計(jì)與編寫(xiě)

通過(guò)文本編輯框控件來(lái)顯示模擬信號(hào)調(diào)制與數(shù)字信號(hào)調(diào)制的定義；使用單選按鈕控件來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)類型的選擇；完成控件布局之后，開(kāi)始編制回調(diào)程序。在GUI編輯狀態(tài)下用鼠標(biāo)右鍵單擊需要編寫(xiě)回調(diào)程序的控件，打開(kāi)右鍵快捷菜單，從View Callbacks中選擇一種回調(diào)方式[8]。在每一個(gè)控件的Callbacks函數(shù)里編寫(xiě)相應(yīng)調(diào)制信號(hào)的代碼。

3.1 M文件的設(shè)計(jì)

Matlab通過(guò)創(chuàng)建M文件為GUI控制程序提供了一個(gè)框架，即所有代碼(含callback回調(diào)函數(shù))都包含在應(yīng)用程序M文件中。在完成圖形界面的設(shè)計(jì)后,最主要的工作就是對(duì)控件的回調(diào)函數(shù)進(jìn)行代碼設(shè)計(jì)。下面分析程序設(shè)計(jì)流程及控件回調(diào)函數(shù)的編寫(xiě)。

3.2 程序設(shè)計(jì)流程

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化。彈出GUI界面窗口，判斷點(diǎn)擊的位置是否正確，不正確則重新輸入。正確即可在相應(yīng)信號(hào)的功能菜單中彈出相應(yīng)的時(shí)域頻譜圖。程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow picture

3.3 回調(diào)函數(shù)編寫(xiě)

該軟件的各控件callback回調(diào)函數(shù)根據(jù)信號(hào)類型的不同而各有不同。如數(shù)字信號(hào)分為幅移鍵控、頻移鍵控和相移鍵控，而每種鍵控又有多種調(diào)制方式。當(dāng)選擇幅移鍵控控件按鈕后，則選擇該控件下的調(diào)制方式，方能彈出所需的信號(hào)頻譜。

對(duì)代碼編寫(xiě)中，首先先統(tǒng)一變量符號(hào)，其次進(jìn)行調(diào)制信號(hào)類型的分類編碼，便于輸入輸出變量的傳遞及信號(hào)的擴(kuò)充，通過(guò)定義data_I（表示輸出I路信號(hào)）和data_Q（表示輸出Q路信號(hào)），modulate_fre定義信號(hào)碼率，sample_fre表示采樣頻率，sample_num表示采樣點(diǎn)數(shù)，調(diào)用統(tǒng)一函數(shù)function[data_Idata_Q]=Singal_modulate(mod_tpye,mod_v,mod_v2,sam_fre,sam_l)使代碼編寫(xiě)更規(guī)范；最后根據(jù)matlab自帶的函數(shù)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)中將所有信號(hào)調(diào)制放置在一個(gè)M文件中，通過(guò)callback函數(shù)調(diào)用該M文件。在完成了各個(gè)空間的callback函數(shù)編寫(xiě)后，對(duì)該軟件功能進(jìn)行調(diào)試，以確保每項(xiàng)功能都能正確的相應(yīng)用戶的操作，彈出正確的頻譜圖。

鑒于篇幅有限，僅提供本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)信號(hào)中的DSB信號(hào)和16QAM信號(hào)代碼。

DSB信號(hào)callback函數(shù)部分代碼如下：

time_t=0:1/sample_fre:(sample_num-1)/sample_fre;%時(shí)間坐標(biāo)

num=length(modulate_param1);

su_data=data_I+1j*data_Q;

su_data=su_data.*exp(-1j*2*pi*modulate_param2*time_t);

Bw=modulate_param1;

firOrder=60;

fircomb=sample_fre/(4*Bw);

[yf,tf]=rcosine(1,ceil(fircomb),'fir/sqrt',0.35,

ceil(firOrder/(2*fircomb)));%設(shè)置升余弦濾波器參數(shù)

data=filter(yf,1,su_data);

data_I=real(data);

data_Q=imag(data);

figure;

subplot(211);plot(abs(data_I+1j*data_Q));

xlabel('DSB信號(hào)的幅度譜')

ff=[-2047:2048].*sample_fre/4096;

subplot(212);plot(ff,abs(fftshift(fft(data_I+1j*data_Q,4096))));

xlabel('DSB信號(hào)的頻譜')

end

16QAM callback函數(shù)部分代碼如下：

nsamp=floor(sample_fre/modulate_fre);%采樣率設(shè)置

data_num=floor(sample_num/nsamp)+1;

data=randint(data_num,1,16);

y=modulate(modem.qammod(16),data);%調(diào)制函數(shù)

out_data=rectpulse(y,nsamp);

data_I=real(out_data(1:sample_num));

data_Q=imag(out_data(1:sample_num));

scatterplot(data_I+1j*data_Q);

[yf,tf]=rcosine(1,nsamp,'fir/sqrt',0.25);

data_I=filter(yf,1,data_I);

data_Q=filter(yf,1,data_Q);

data_I=data_I';

data_Q=data_Q';

figure

subplot(211);plot(abs(data_I+1j*data_Q));

ff=[-2048:2047].*sample_fre/4096;

subplot(212);plot(ff,abs(fftshift(fft(data_I+1j*data_Q,4096))));

end

在編寫(xiě)完軟件的各代碼后，應(yīng)對(duì)所設(shè)計(jì)的軟件代碼進(jìn)行優(yōu)化。打開(kāi)軟件中使用次數(shù)較多的程序，利用Matlab的自帶函數(shù)profile程序執(zhí)行耗時(shí)剖析功能函數(shù)對(duì)程序中耗時(shí)情況進(jìn)行分析，完后進(jìn)行改進(jìn)，以提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率[2]。

4 仿真實(shí)例

通過(guò)編寫(xiě)完全部信號(hào)代碼及調(diào)試后，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)中所有信號(hào)的波形。因篇幅有限，羅列模擬信號(hào)DSB調(diào)制和數(shù)字信號(hào)中4ASK和64QAM的波形圖，如圖4到圖7所示。

圖4 雙邊帶信號(hào)的頻譜Fig.4 Spectrum of DSB

圖5 4ASK信號(hào)時(shí)域頻域圖Fig.5 Spectrum of 4ASK

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，可以讓教師在講授信號(hào)調(diào)制理論的過(guò)程中，通過(guò)結(jié)合該軟件，可增強(qiáng)授課內(nèi)容的豐富性及延展性，拓展了實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。讓學(xué)生在對(duì)信號(hào)的理論學(xué)習(xí)中，通過(guò)應(yīng)用該仿真平臺(tái)，不僅強(qiáng)化模擬信號(hào)和數(shù)字通信理論的基本思想和核心概念，而且為學(xué)生的理解和應(yīng)用提供有力幫助，讓學(xué)生以專業(yè)化的身份進(jìn)入到今后的科研工作中。

圖6 64QAM時(shí)域頻域圖Fig.6 Spectrum of 64QAM

圖7 64QAM星座圖Fig.7 Constellation of 64QAM

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了基于Matlab圖形用戶界面GUI的通信信號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，并以DSB信號(hào)和 16QAM信號(hào)為例說(shuō)明回調(diào)函數(shù)與M文件的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。學(xué)生可通過(guò)信號(hào)調(diào)制的時(shí)域頻域等仿真結(jié)果的分析，不僅驗(yàn)證了通信系統(tǒng)中的基礎(chǔ)理論，更提高他們對(duì)通信信號(hào)的各方面認(rèn)識(shí)，鞏固了所學(xué)內(nèi)容。特別對(duì)缺乏通信硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備的學(xué)校來(lái)說(shuō)，該軟件更具有實(shí)驗(yàn)價(jià)值。

[1]王峰，丁金林.基于MATLAB/GUI的數(shù)字通信系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].南通職業(yè)大學(xué)學(xué),2013,3(1)：96-99.WANG Feng，DING Jin-lin.Virtual experiment platform design of digital communication system based on MATLAB/GUI[J].Journal of Nnatong Vocational College，2013,3(1)：96-99.

[2]王帆，劉慧.基于Matlab GUI的數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息,2010(11)：124-125.WANG Fan,LIU Hui.Experiment platform Design of Digital Communication system Based on MATLAB/GUI[J],Journal of Information Technology,2010(11)：124-125.

[3]邱金蕙，王矞輝，李振全.基于Matlab/GUI的新型界面開(kāi)發(fā)方式[J].河北工業(yè)科技,2008,7(4):234-235.QIU Jin-hui,WANG Yu-hui,LI Zhen-quan.A new way to develop interface based on Matlab/GUI[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2008,7(4):234-235.

[4]秦輝，席裕庚.基于Matlab GUI的預(yù)測(cè)控制仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,10(10):2778-2779.QIN Hui,XI Yu-geng,Matlab GUI-Based Simulation Platform Design of Predictive Control[J].Journal of System Simulation,2006,10(10):2778-2779.

[5]陳亮，郝衛(wèi)東,喬建華.基于Matlab的濾波器分析界面設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（10）:39-41.CHEN Liang,HAO Wei-dong,QIAO Jian-hua,Design of filteranalysisinterface based on matlab [J].Modern Electronic Technology，2009（10）:39-41.

[6]賈建科，韓團(tuán)軍，朱寧洲.基于Matlab GUI的模擬帶通濾波器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2010（10）:58-60.JIA Jian-ke,HUAN Tuan-jun,ZHU Ning-zhou，Design of Analog Band-pass Filter Based on Matlab GUI[J].Modern Electronic Technology,2010（10）:58-60.

[7]楊華為.基于MATLAB GUI的數(shù)據(jù)處理分析界面的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011（12）:16-18.YANG Hua-wei，Interface of Data Processing and Analyzing Based on MATLAB GUI[J].Industrial Control Computer，2011（12）:16-18.

[8]王巧花，葉平，黃民.基于MATLAB的圖形用戶界面（GUI）設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2005（3）：60-62.WANG Qiao-hua，YE Ping，HUANG Min.Theinterface Design of GUI Based on MATLAB [J].Journal of Mine Machinery,2005（3）：60-62.