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基于matlab的通信原理辅助实验系统设计大学论文.doc
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基于matlab的通信原理辅助实验系统设计大学论文.doc
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中 北 大 学 2009 届 毕 业 设 计 说 明 书
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基于 matlab 的通信原理辅助实验系统设计毕设论文
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
[1~2]
。
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 GUI 编程,搭出一个简单的、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
[3~4]
。
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。此外,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,用.m 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
[3]
。
Visual Basic 和 Visual 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 Visual Basic 和 Visual C++相
连接的接口,可以实现两种语言的混合编程
[5]
。
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
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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
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面。
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2 MATLAB 相关知识
2.1 MATLAB
2.1.1 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、创建用户界面、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、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
[6~7]
。
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++ ,JAVA 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
[8]
。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
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● 数值和符号计算
● 工程与科学绘图
● 控制系统的设计与仿真
● 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
[9]
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。而且新版本的 MATLAB
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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
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因。
3)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++ 。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,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
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
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