基于某MATLAB的信号与系统实验仿真系统设计.docx
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基于某MATLAB的信号与系统实验仿真系统设计
基于MATLAB的信号与系统实验仿真系统设计
[摘要]本文概述了信号仿真系统的需求、总体结构、基本功能。
重点介绍了利用Matlab软件设计实现信号仿真系统的基本原理及功能，以及利用Matlab软件提供的图形用户界面（GraphicalUserInterfaces,GUI）设计具有人机交互、界面友好的用户界面。
本文采用Matlab的图形用户界面设计功能,开发出了各个实验界面。
在该实验软件中,集成了信号处理中的多个实验,应用效果良好。
本系统是一种演示型软件,用可视化的仿真工具,以图形和动态仿真的方式演示部分基本信号的传输波形和变换，使学习人员直观、感性地了解和掌握信号与系统的基本知识。
[关键词]信号处理，MATLAB，图形用户界面，实验软件
BasedonMatlabsignalingsystemsolidplatformdesign
Abstract:
Thisarticlehasoutlinedthesignalsimulationsystem'sdemand,thegrossstructure,thebasicfunction.Introducedwithemphasisrealizesthesignalsimulationsystembasicprincipleandthefunctionusingthematlabsoftwaredesign,aswellasthegraphicaluserinterfacewhichprovidesusingthematlabsoftware（GraphicalUserInterfaces,GUI）designshastheman-machineinteraction,thecontactsurfacefriendlyuserinterface.ThisarticleusesMatlabthegraphicaluserinterfacedesignfunction,developedeachexperimentcontactsurface.Inthisexperimentsoftware,integratedinsignalprocessingmanyexperiments,theapplicationeffecthasbeengood.Thissystemisonekindofdemonstrationsoftware,withthevisualizationsimulationtool,bythegraphanddynamicsimulation'swaydemonstrationpartelementarysignal'stransmissionprofileandthetransformation,causesthetraineesdirect-viewing,perceptuallytounderstandandtoknowthecorrespondenceprincipletheelementaryknowledge.
Keywords:
SignalProcessing，MATLAB，Graphicaluserinterface，ExperimentalSoftware
第一章引言1
1.1概述1
1.2基于Matlab的信号与系统实验平台开发现状1
1.3研究意义2
1.4本文的主要工作2
第二章系统分析3
2.1引言3
2.2需求分析3
2.3可行性分析4
2.3.1技术可行性4
2.3.2经济可行性4
2.3.3操作可行性4
2.4系统主要目标及功能4
2.4.1系统目标4
2.4.2系统主要功能4
2.5小结5
第三章方案选取6
3.1引言6
3.2界面工具的选取6
3.3模拟信号实验的软件工具选择6
3.4设计方案选择6
第四章开发运行环境7
4.1系统开发环境和运行环境7
4.2开发语言和开发工具介绍7
4.2.1WindowsXP7
4.2.2Matlab7.07
4.2.3图形用户界面（GUI）8
第五章系统软件平台的设计10
5.1引言10
5.2系统整体框图10
5.3系统设计步骤11
5.4系统模块11
5.4.1模块划分简介11
5.4.2模块具体设计11
5.5生成可执行文件26
5.6小结26
第六章系统测试27
6.1引言27
6.2测试背景27
6.3测试概要27
6.3.1测试结果27
6.3.2测试分析34
6.4小结34
第七章结论35
致谢37
参考文献38
附录:
主要代码39
第一章引言
1.1概述
随着计算机的普及应用以及科技的发达，现代社会是信息的社会，对信息的研究变得非常重要，而对信号波形的模拟可以方便研究人员研究。
以前的信号模拟是用硬件，对仪器和实验室的要求较高，不便于广泛应用，而且信号处理具有容繁多、概念抽象、设计复杂等特点，学生在学习时常常会感到枯燥，难以理解和掌握。
硬件模拟信号波形对设备要求较高，有时候受仪器或操作不对等因素的影响将无确直观的看到波形，参数改变时不能立即看到波形变化。
而用软件的形式对信号波形进行仿真有着界面可视性强，操作简单方便；便于数据修改，文件保存，实验效率高，实验容丰富，结果直观易懂，便于分析；而且系统容易扩展新的实验项目。
所以仿真很有必要而且急为迫切。
因而选择此课题作为我们的毕业设计。
1.2基于Matlab的信号与系统实验平台开发现状
Matlab在全世界都很是流行，特别是在工程计算领域。
近年来越来越多的国人也喜爱上了这一套软件。
Matlab的toolbox中也含有概率统计方面的库函数。
概率方面的库函数主要有各种常见分布的分布函数、概率密度、分布率以及生成服从各种分布随机数的函数．统计方面的库函数含盖了简单随机样本下常见的参数估计（点估计、区间估计），假设检验等等。
林月美,仁安研究了基于Matlab软件的信号与系统实验平台,弥补了教学中的不足.通过实验,加强学生对信号与系统课程的理解和掌握[7]。
世银,辛晓丽,罗驱波,岳婷基于MATLABWebServer的远程仿真系统具有交互性强和使用简单方便等优点。
介绍了MatlabWebServer的基本原理及系统配置方法,并结合通信原理远程仿真程序的开发实例,重点讨论了仿真系统的三个基本组成部分:
M文档,HTML输入文档和HTML输出文档开发的关键步骤和代码,最后,给出了AM调制的仿真结果[21]。
初秀琴,何蕾,玉山认为Matlab是一种高性能的用于工程计算的编程软件,它具有强大的数学计算、算法推导、建模仿真、图形绘制等功能,但是这些功能只能在Matlab本身所提供的平台上使用,且具有代码执行速度慢的缺点。
文中提出了实现Matlab与其它编程语言之间接口的方案,并且对与VC之间的接口进行了验证,解决了Matlab函数只能在其本身所提供的平台上使用的问题,使得代码的执行速度和安全性都大大提高。
周传胜等基于Matlab的Simulink工具箱、webserver工具箱、虚拟现实工具箱和虚拟现实语言（VRML）构建了网络交互式虚拟现实实验系统,系统由一个服务器和若干个客户机组成。
学生在客户机上通过互联网可浏览服务器上的虚拟演示实验,并可根据需要在客户端实时地修改实验参数,这些参数通过网络传到服务器后,服务器会将更新的虚拟的实验现象和实验结果传到客户机,从而完成交互式虚拟现实实验过程[20]。
1.3研究意义
Matlab作为编程语言和可视化工具,用Matlab开发的实验为学生提供了“信号分析”、“信号抽样”、“系统仿真”、“系统特性”、“滤波器设计”及“傅立叶变换”等实验模块。
它的界面演示框如同通用示波器,显示了信号分析与系统设计的动态仿真过程,给人以直观的感受[1]。
在教学中它能为同学们提供了大量的实例,同时它也为同学们留下了动在实验中同学们可以改变信号、模块、仿真子系统等的参数,并观察信号与系统的相应变化.在实验过程中,同学们对所学的书本知识会有感性的认识和直观的验证,加深对“信号与系统”原理的理解。
本课题能避开硬件系统的不足，巧妙的运用软件来仿真硬件才能实现的实验结果，大大降低了实验设备要求，节约了人力和财力，而且有很多的库函数可以在实验时直接调用，避免了用硬件做实验的局限性。
可以更方便的做信号系统实验，为教学和研究提供了方便。
还能够锻炼一个人在面对一个具体的项目时，遇到问题，分析问题，解决问题的能力；获得独立策划、实施课题，并按照既定计划进行开发的经验，以及查找相关文献的能力。
通过自己的努力使得对于Matlab有一个全面的、深刻的认识,并且对Matlab做界面的软件有了一定的了解，对系统规划有了初步的认识。
为以后研发工作打下坚实的基础，积累宝贵的经验。
1.4本文的主要工作
本文主要是针对以Matlab为软件平台的信号系统实验平台的设计，用Matlab语言编程开发一个适合小型的信号系统实验平台,方便学生学习。
具体的工作主要有:
1）通信模拟仿真系统的设计分析。
2）通信模拟仿真系统的总体框架。
3）通信模拟仿真系统的设计与实现。
4）系统测试与分析。
5）编写文档。
第二章系统分析
2.1引言
现代社会，通信与传感、仿真计算技术紧密结合，信息成为社会的高级“神经中枢”，随着我国科学技术的发展和国外合作的加强，对通信水平的要求也日益增加，如果通信水平跟不上，社会成员之间的合作程度就受到限制，生产力的发展也必然受到限制，可见通信在现代生活中扮演的角色越来越重要，本课题以此为出发点，采用Matlab语言为工作环境，Matlab语言称为第四代编程语言，程序简洁、可读性很强而且调试十分容易,自1984年由美国MathWorks公司推向市场以来，历经十几年的发展，现已成为国际公认的优秀科技应用软件，是数字信号处理方面得天独厚优势图形开发工具.本软件设计目标是以配合教学为出发点，主要是面对通信工程专业的初学者，用简单，可视化的仿真模拟图形给大家演示部分基本波的传输特性，以及在信道中的传输特性。
使他们直观，感性地了解和掌握通信系统的概念、传输性能等[3]。
为了规和条理的进行本系统的设计以及使后续的开发维护工作变得有趣而轻松，故编写本系统需求分析说明书；旨在开发过程中进行参考，使系统在需求的规之，避免重复劳动，加快开发进度以及提高开发效率；同时也是为以后系统维护服务提供指南；由于时间仓促，错误之处在所难免，请见谅。
2.2需求分析
通信在现今生活中已是普遍存在，在经济发展，政治军事活动，个人生活中的应运以是相当普遍，是社会发展不可缺少的工具，自1844年莫而斯在华盛顿和巴尔的摩之间发送世界第一份电报以来，通信已经经历了150多年，发展到目前数字通信趋于替代模拟通信的趋势。
《信号与系统》课程，是高等理工科类院校通信与电子信息工程等专业中一门十分重要的基础理论课，也是电子信息工程专业许多后续课程的重要理论基础。
以前的信号模拟是通过硬件，对仪器和实验室的要求较高，不便于广泛应用，而且信号处理具有容繁多、概念抽象、设计复杂等特点,学生在学习时常常会感到枯燥,难以理解和掌握。
基于此种需求，本系统设计为教学演示型软件，运用Matlab软件开发，便于学生直观观察信号系统中涉及的波形及特性的原理图,为后续课程的学习，以及独立分析和设计新的系统，打下基础。
2.3可行性分析
2.3.1技术可行性
本课题所涉及的研究目标，在国外已经有相当成熟的理论基础和技术基础。
通过开发人员的文献调查，对于Matlab做用户图象界面和信号模拟所涉及到的技术问题进行细致的分析，很大一部分可以使用电子信息工程的专业知识进行构建，其他的部分则可以通过自学，调用已经开发好的一些功能模块来完成课题涉及到的技术要求。
2.3.2经济可行性
本课题通过对既有开发平台的使用，能够设计出比较完善的信号系统实验平台，没有任何经济上的负担，本课题可以自主开发信号系统实验平台，为实验提供了灵活性,摆脱了硬件可以看到实验结果,而且又可脱离Matlab来进行仿真.为教学和研究提供了方便,在经济上节约了实验开支,锻炼了学生的自我研发意识和自己动手的能力。
2.3.3操作可行性
Matlab程序流程简单明了，开发率高，并且能够结合其他多种开发工具，共同实现信号模拟功能。
它易学易用，不需大量编程，能创作出一些高水平的模拟平台作品，对于非专业的开发人员和专业开发人员都是一个好的选择。
从可操作性的角度来讲，完全可行。
2.4系统主要目标及功能
2.4.1系统目标
本课题开发目标是利用Matlab软件开发一套集可视化图形与动态仿真为一体的教学演示型软件，主要是面对初学者，用可视化的仿真模拟图形配合老师的讲课容给大家演示《信号与系统》课程中部分信号的传输波形、卷积、傅立叶变换以及滤波器设计等，帮助他们直观、感性地了解和掌握信号系统的概念、基本特征等，深化对通信概念的理解。
2.4.2系统主要功能
本系统主要功能包括基本序列计算、基本信号产生、卷积、傅立叶变换、滤波器设计。
简单基础地涵盖了《信号与系统》部分主要章节,用可视化的仿真模拟图形为大家演示部分基本信号的传输波形和调制变换，部分交互式界面可直接输入合适的值使大家更直观、感性地了解和掌握信号系统的概念、传输性能、基本特征等,为课程的学习打下基础。
界面上的文字说明帮助大家了解本图形的特性或功能。
整套系统采取图文并茂、循序渐进、从感性到理性的方式，首先让初学者在掌握基本信号模拟和运算。
2.5小结
一个系统在开发之前就需要进行需求分析和可行性分析，本章重点阐述本设计的需求分析、可行性分析和目的，对这个系统的需求有了一个比较有力的证明。
第三章方案选取
3.1引言
本设计研究的信号系统实验平台是一个可执行的系统，可以脱离它的开发软件Matlab而独立运行。
本系统的关键是实现参数的传递和生成可执行文件，这对刚接触Matlab的我们来是说比较困难，老师为我们提出了一些参考方案来完成设计，本章将在根据我们实力的基础上，给出本课题最适合选用的一种方案。
3.2界面工具的选取
由于我们的课题是基于Matlab的信号系统平台，所以在选择做界面的工具的时候也选择Matlab。
如果用VB做界面的话在后面实现信号波形的时候需要建立VB和Matlab的，那样会增加工作量和工作难度，而且我们对他们的也是知之甚少，实际的时候会很麻烦，所以在权衡了各方面的因素我们选择用Matlab做界面。
3.3模拟信号实验的软件工具选择
我们在学习《信号与系统》和《数字信号处理》课程时，做实验的时候用的是Matlab软件来实现信号波形的模拟以及处理，可以比较直观准确的看到波形，对Matlab软件也有了初步的认识，也可以用它编写一些比较简单的程序来。
在信号波形模拟的领域中，我们只接触过Matlab软件，所以在编写模拟信号波形这个模块中我们选择Matlab软件。
Matlab是Math和Works公司推出的一个为工程计算和数据分析而专门设计的高级交互式软件包，利用它能容易地解决在系统仿真领域教学与研究中遇到的问题。
3.4设计方案选择
在本系统的设计中,界面布局设计采用自顶向下的设计方法,即先设计引导界面和主界面,再设计各个实验子界面。
界面设计完成后,只是一些静态的画面而已,没有什么涵,还不能用于实验操作,要想达到实验目的,必须借助于函数调用。
在设计中,各个回调函数的编写顺序则是采用自底向上的设计方法,即先编制各个实验子界面的回调函数,再编写主界面和引导界面的回调函数。
第四章开发运行环境
4.1系统开发环境和运行环境
1）硬件环境
能运行普通大型应用程序的计算机一台（要求能接入网络）；
2）软件环境
操作系统：
WindowsXP
开发工具：
Matlab7.0
MatlabGui
4.2开发语言和开发工具介绍
4.2.1WindowsXP
WindowsXP，或视窗XP是微软公司最新发布的一款视窗操作系统。
它发行于2001年10月25日，原来的名称是Whistler。
微软最初发行了两个版本，家庭版（Home）和专业版（Professional）。
家庭版的消费对象是家庭用户，专业版则在家庭版的基础上添加了新的为面向商业的设计的网络认证、双处理器等特性。
且家庭版只支持1个处理器，专业版则支持2个。
字母XP表示英文单词的“体验”（experience）。
WindowsXP是基于Windows2000代码的产品，同时拥有一个新的用户图形界面（叫做月神Luna），它包括了一些细微的修改，其中一些看起来是从Linux的桌面环境（desktopenvironmen）诸如KDE中获得的灵感。
带有用户图形的登陆界面就是一个例子。
此外，WindowsXP还引入了一个“基于人物”的用户界面，使得工具条可以访问任务的具体细节。
它包括了简化了的Windows2000的用户安全特性，并整合了防火墙，以用来确保长期以来以着困扰微软的安全问题。
4.2.2Matlab7.0
Matlab（MATrixLABoratory）语言是美国的CleveMoler博士构思并开发集命令翻译、科学计算于一身的一套交互式软件系统，是目前国际工程控制界应用最广、最流行的一种控制系统计算机辅助设计的软件工具，它集成了计算功能,符号运算,数据可视化等功能,具有功能强大、界面友好、配套工具箱完善等特点，其SIMULINK仿真环境及S函数的应用为我们提供了有效实用的设计方法，该软件先前的版本与VisualC++和VisualBasic等可视化编程软件相比功能较差,但是新版的MATLAB7.0软件已经在这方面向这些软件靠近,其可视化编程能力有了很大程度的提高.该软件最突出的特点就是简洁的,开放式代码。
提供了更为直观,符合人们思维习惯的代码,现简单介绍该软件的主要特点。
1）语言简单，代码灵活，极其丰富的库函数资源。
在程序设计中该软件对代码的书写形式没有很严格的限制，同时利用丰富的库函数简化了子程序的编写任务，利用极其丰富的库函数可以使程序开发避免繁杂的子程序编程任务避免了一些不必要的错误，提高了程序的可靠性。
2）丰富灵活的运算符。
Matlab提供了和C语言一样多的运算符，使用这些运算符可使程序短小、灵活。
3）面向对象编程和结构化控制功能。
尤其是新版的MATLAB7.0软件在可视化方面较以前版本有了很大程度的提高，使得界面编程更加自由，方便。
4）程序设计自由度大。
在新版的MATLAB7.0软件中，用户无须对矩阵进行预定义就可以使用，对数组和变量的应用也得到很大程度的扩展。
5）程序可移植性好，基本上可以不作修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运用。
6）分门别类的工具箱是该软件的又一大特点。
核心工具箱和学科类的工具箱。
这些工具箱都是该学科的高水平的专业人士所编，所以用户可以直接使用。
提高了编程效率。
7）开放的共享源代码。
开放性的代码是该软件最受欢迎的另一大特点。
所有的核心文件和工具箱文件都是可读可该的源代码。
所以matlab语言被称为第四代编程语言[3]。
4.2.3图形用户界面（GUI）
图形用户界面（GUI）是用户与计算机程序之间的交互方式，是用户与计算机进行信息交流的方式。
计算机在屏幕显示图形和文本，若有扬声器还可产生声音。
用户通过输入设备，如：
键盘、鼠标、跟踪球、绘制板或麦克风，与计算机通讯。
用户界面设定了如何观看和如何感知计算机、操作系统或应用程序。
通常，多是根据悦目的结构和用户界面功能的有效性来选择计算机或程序。
图形用户界面或GUI是包含图形对象，如：
窗口、图标、菜单和文本的用户界面。
以某种方式选择或激活这些对象，通常引起动作或发生变化。
最常见的激活方法是用鼠标或其它点击设备去控制屏幕上的鼠标指针的运动。
按下鼠标按钮，标志着对象的选择或其它动作。
Matlab在demo命令中包含了GUI功能的极好例子。
Matlab为表现其基本功能而设计的演示程序demo是使用图形界面的最好例。
Matlab的用户，在指令窗中运行demo打开那图形界面后，只要用鼠标进行选择和点击，就可浏览那丰富多彩的容。
如:
>>demo
研究该命令，以了解uimenu和uicontrol如何给MATLAB函数提供交互输入。
在运行了demo例子后，很可能会问“为什么要在MATLAB中建立一个GUI？
”这是一个很好的问题，简单的回答是可能并不需要．使用MATLAB来分析数据，求解问题，绘制结果的绝大多数的人，并不会发现GUI工具很有用。
但另一方面，GUI可以在MATLAB中生成非常有效的工具和应用程序，或是建立演示工作的交互式界面。
对“句柄图形”的理解是设计和实现GUI的先决条件。
由图形命令生成的每一事物是一个图形对象。
图形对象不仅包括uimenu和uicontrol对象，而且还包括图形、坐标轴和他们的子对象。
让我们从另一个角度来看这一层次结构。
计算机的屏幕本身是根结点，图形是根对象的子对象，坐标轴，uimenu，uicontrol是图形的子对象。
根可以包括多个图形，每个图形含有一组或多组坐标轴以及其子对象，每个图形也可以有一个或多个与坐标轴无关的uimenu和uicontrol。
虽然uicontrol对象无子对象结点，但他们确实具有多种类型。
uimenu对象常将其它的uimenu对象作为其子对象。
第五章系统软件平台的设计
5.1引言
信号系统实验繁多、复杂，许多实验还需要输入参数，若将系统设计成一个界面，使得系统繁重、拥挤，不能够实现友好、美化的界面的设计要求。
因此，在设计界面的时候，采用一个主界面和若干子界面，每个子界面是一个模块，实现一个实验或功能，并通过主界面调用子界面的设计方法。
5.2系统整体框图
本实验系统整体结构设计由两部分组成:
界面模块设计和菜单模块设计。
其中,界面模块总共包括八个模块:
开始引导模块、主模块、序列基本计算模块、基本信号的产生模块、卷积模块、傅里叶变换模块、滤波器设计模块和说明模块。
一个实验界面模块下面又有下一级实验界面模块,如滤波器设计模块下面还有FIR滤波器设计模块和IIR滤波器设计模块,其中FIR滤波器模块又包含FIR滤波器线性的判断实验界面、窗函数的频率响应实验界面和FIR滤波器的设计实验界面;IIR滤波器模块又包含完全IIR滤波器的设计实验界面和典型IIR滤波器实验界面;主界面中还包含了说明模块。
在菜单设计时,在实验子界面中除使用系统约定的菜单条外,还增加了几个控制背景和退出实验的菜单。
系统的整体结构如图5-1所示。
开始界面
图5-1系统的整体结构
5.3系统设计步骤
设计的具体步骤如下:
1）运用Matlab的图形用户界面（GUI）设计方法,设计整个实验系统的开始引导界面、实验主界面及其实现信号处理课程中具体实验的各个子界面。
2）运用Matlab的图形用户界面（GUI）设计方法,设计系统的说明界面及其各个实验的说明界面。
3）分别编写各个子界面的各个控件对象的回调函数,来实现控件相应控制功能,达到直接通过界面
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