《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無線通信系統(tǒng)的GUI設(shè)計與仿真實現(xiàn)
摘要: 本設(shè)計基于面向?qū)ο蠹夹g(shù),利用GUI來實現(xiàn)通信信號處理仿真系統(tǒng),,便于更好的實時處理和進(jìn)一步的預(yù)測和分析,,使用戶能很快地掌握該平臺的功能和使用方法,同時通信系統(tǒng)仿真平臺可以不斷地完善和擴(kuò)充,,便于研究工作的延續(xù),。結(jié)構(gòu)開放和全面可編程的軟件無線電技術(shù),在很大程度上克服了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、不通用及系統(tǒng)不穩(wěn)定等局限性,,對于更好地實現(xiàn)無線通信傳輸具有重要意義。
Abstract:
Key words :

 引言

  軟件系統(tǒng)的用戶接口有兩類,,即命令驅(qū)動方式的 交互式問答接口和事件驅(qū)動方式的圖形用戶接口 (GUI),。通常在開發(fā)一個實際的應(yīng)用軟件系統(tǒng)時會盡 量做到界面友好,最常使用的方法就是使用圖形用戶界 面,。圖形用戶界面用各種圖形對象,,如圖形窗口、圖軸,、 菜單,、文本框等構(gòu)建的用戶界面,是人機(jī)交流的工具和方法,。利用用戶界面,,用戶可以直接與計算機(jī)進(jìn)行信息 交流,不需了解應(yīng)用程序究竟是怎樣執(zhí)行各種命令的,, 而只需了解可見界面組件的使用方法,,通過與界面交流 就可以使指定的行為得到正確執(zhí)行。

  圖形用戶界面具有很強的交互性,在這樣的一個良好的用戶界面中可以方便地進(jìn)行通信系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置,,可以同步顯示通信信號經(jīng)過每一步處理后的波形,,能夠使用戶更為方便地對無線通信系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計和功能分析。

  通信的目的就是傳輸信息,。通信系統(tǒng)的作用就是將信號從信源發(fā)送到一個或多個信宿,。因此,按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號,,相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng),。

  1 無線通信系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建

  通信的目的就是傳輸信息。通信系統(tǒng)的作用就是將信號從信源發(fā)送到一個或多個信宿,。因此,,按照信道中傳輸?shù)氖悄M信號還是數(shù)字信號,相應(yīng)地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng),。

  (1)模擬通信系統(tǒng)模型

  信源發(fā)出的原始電信號是基帶信號,基帶是指信號的頻譜從零頻附近開始,,如語音信號300~3 400 Hz,,由于這種信號具有頻率很低的頻譜分量,一般不宜直接傳輸,,這就需要把基帶信號變換成其頻帶適合在信道中傳輸?shù)男盘?,并在接收端進(jìn)行反變換。完成這種變換和反變換通常利用調(diào)制器和解調(diào)器,。經(jīng)過調(diào)制以后的信號稱為已調(diào)信號,,已調(diào)信號有三個基本特征:攜帶有用信息;適合在信道中傳輸,;信號的頻譜具有帶通形式且中心頻率遠(yuǎn)離零頻,。

  (2)數(shù)字通信系統(tǒng)模型

  數(shù)字通信系統(tǒng)是利用數(shù)字信號來傳遞信息的通信系統(tǒng)。數(shù)字通信涉及的技術(shù)問題很多,,其中主要有信源編碼/譯碼,、信道編碼/譯碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào),、數(shù)字復(fù)接,、
同步以及加密等。

  2 無線通信系統(tǒng)信號處理的GUI設(shè)計

  通常情況下,,實現(xiàn)GUI設(shè)計有兩種方法:使用Matlab自身提供的圖形用戶界面設(shè)計向?qū)?Graphics User Interface Design Environment,,GUIDE),或者是使用全腳本編程,。利用GUIDE進(jìn)行圖形用戶界面設(shè)計,,向?qū)詣由梢粋€fig文件,及一個包含fig中放置控件相應(yīng)回調(diào)函數(shù)的M腳本文件。利用全腳本編程實現(xiàn),,由于Matlab自帶demo,,包括按鈕、文本標(biāo)簽,、編輯文本框,、列表框等,通過閱讀M文件程序代碼可以直觀而快速地掌握GUI設(shè)計的技巧,。采用全腳本實現(xiàn),,M文件代碼可重復(fù)使用,可生成非常復(fù)雜的界面,,可方便地在句柄中存取數(shù)據(jù),,可將創(chuàng)建對象代碼與動作執(zhí)行代碼很好地結(jié)合起來。對于GUI設(shè)計,,針對不同的情況來確定使用GUIDE還是全腳本,,也可以考慮兩者的結(jié)合使用來發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

  3 基于Matlab的無線通信系統(tǒng)GUI設(shè)計與實現(xiàn)

  本文采用Matlab的GUIDE進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真平臺的設(shè)計與實現(xiàn)H],,對通信信號進(jìn)行實時處理,。GUIDE是一個專門用于GUI程序設(shè)計的快速開發(fā)環(huán)境,包括控制面板,、屬性編輯器,、事件過程編輯器、對齊工具和菜單編輯器五個圖形用戶界面編輯工具,。用戶利用該向?qū)Э梢詫D形界面的外觀,,包括所有的按鍵及圖形的位置進(jìn)行確定,然后利用Matlab的回調(diào)函數(shù)編輯器來編寫完成約定任務(wù)的函數(shù)代碼,,從而方便快捷地設(shè)計出一個圖形用戶界面,。GUIDE 將用戶保存設(shè)計好的GUI界面保存在一個FIG資源文件中,同時還能夠生成包含GUI初始化的組建界面布局控制代碼的M文件,。這個M文件為實現(xiàn)回調(diào)函數(shù)提供了一個參考框架,。

  通信信號處理的GUI設(shè)計一般分為以下五個步驟:

  (1)確定GUl對象,通過設(shè)置GUIDE應(yīng)用程序的選項來進(jìn)行GUIDE組態(tài)在面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析(00A)過程中,,從信號處理的系統(tǒng)中抽象出面向?qū)ο缶幊?00P)的類和對象,。對話框的選項包括窗口重畫行為,命令行訪問,、生成文件選擇,、生成回調(diào)函數(shù)原型、使用系統(tǒng)背景顏色配置等選項,,通過不選或選中它們來實現(xiàn)圖形用戶界面的整體組態(tài)設(shè)計,。

  (2)使用界面設(shè)計編輯器進(jìn)行GUI界面設(shè)計

  Matlab界面設(shè)計編輯器組件平臺中包含所有能夠在GUI中使用的用戶界面控件,即按鈕、單選按鈕,、編輯框,、靜態(tài)文本、列表框以及彈出式菜單等,。一個GUI中可以存在一個或多個以上的GUI組件,,使用時要注意保證各個組件的名稱或?qū)傩杂兴煌员銋^(qū)分,。用戶可以用屬性檢查其對各組件的屬性進(jìn)行設(shè)計,。

  (3)理解應(yīng)用程序M文件中所使用的編程技術(shù)

  Matlab可以通過創(chuàng)建應(yīng)用程序M文件為GUI控制程序提供一個框架。該框架是一種高效而堅固的編程方法,,即所有代碼均包含在應(yīng)用程序M文件中,,這就使得M文件只有一個入口可以初始化GUI或調(diào)用相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)以及GUI中希望使用的任意幫助子程序。對應(yīng)用程序M文件代碼進(jìn)行詳細(xì)分析,,通過了解GUIDE創(chuàng)建應(yīng)用程序M文件的功能,,從而實現(xiàn)GUI的規(guī)劃。

  (4)編寫用戶GUI組件行為響應(yīng)控制(即回調(diào)函數(shù))代碼

  控制GUI組件響應(yīng)用戶的行為是GUI的實現(xiàn)任務(wù)之一,。Matlab的GUIDE可以根據(jù)用戶GUI的版面設(shè)計過程直接自動生成M文件框架,,這樣就簡化了GUI應(yīng)用程序的創(chuàng)建工作,用戶可以直接用這個框架編寫自己的函數(shù)代碼,。

  (5)保存并執(zhí)行GUI

  激活GUI界面,確保界面符合預(yù)定的要求,,設(shè)計滿意后保存GUI,。運行通信信號處理的仿真平臺的應(yīng)用程序M文件,對其進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試,,使界面及用戶空間符合系統(tǒng)預(yù)定的功能,。

  本設(shè)計利用Matlab自身提供的工具箱Toolbox中各種通信信號處理函數(shù)[53對信號進(jìn)行處理,然后通過GUI的組件編程實現(xiàn)各個模塊的調(diào)用和鏈接,,從而最終實現(xiàn)基于Matlab的通信信號處理系統(tǒng)仿真平臺的設(shè)計,。該仿真平臺能夠在多種信源及多種調(diào)制方式下進(jìn)行信號傳輸?shù)姆抡妫€給出各種調(diào)制方式下的基帶信號,、已調(diào)信號的波形及已調(diào)信號的頻譜等,,最后,對通過加性高斯白噪聲信道的通信信號數(shù)據(jù)流進(jìn)行各種逆向操作處理(解調(diào),、譯碼等)恢復(fù)出源信號,。以數(shù)字通信系統(tǒng)為例,通信信號處理流程如圖1所示,。

圖1 無線通信系統(tǒng)信虧處理流程圖

  通信信號處理的仿真對于無線移動通信的研究具有重要意義,,具有界面友好、良好擴(kuò)展性的圖形用戶界面可以使用戶更全面深入地理解通信系統(tǒng)的工作原理。本設(shè)計旨在設(shè)計一個通用性強,、操作簡單,、功能較全面的通信信號處理仿真平臺,能夠?qū)崿F(xiàn)針對不同信號類型的模擬數(shù)字發(fā)送,、接收,,及一系列信號處理,如調(diào)制解調(diào),、編碼譯碼等,。本文利用軟件模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)通信信號處理系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu),在很大程度上克服了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、不通用及系統(tǒng)不穩(wěn)定等局限性,,對于更好地實現(xiàn)無線通信傳輸具有重要意義。

  3.1 無線通信系統(tǒng)模塊的GUI設(shè)計與實現(xiàn)

  無線通信系統(tǒng)的GUI設(shè)計,,首先要根據(jù)無線通信系統(tǒng)的功能需求,,將系統(tǒng)分為多個模塊,確定各個模塊的功能部署,。再次,,以每個模塊為單位,部署各個模塊下的功能配置,,和GUI界面的組成,,以完成各個模塊下的功能GUI,最后利用M文件編程實現(xiàn)各個系統(tǒng)模塊之間的調(diào)用和鏈接,。

  根據(jù)發(fā)送的信號形式的不同,,將通信信號處理的仿真系統(tǒng)模型分為模擬通信信號用戶界面子類和數(shù)字通信信號用戶界面子類,在模擬和數(shù)字通信信號用戶界面子類下,,再分別細(xì)分為發(fā)送端和接收端,。另包含信道模型用戶界面。
3.2 通信信號處理的GUI設(shè)計與實現(xiàn)

  基于Matlab的無線通信系統(tǒng)中通信信號處理功能的實現(xiàn),,是利用Matlab自身提供的工具箱Toolbox中各種通信信號處理函數(shù)對信號進(jìn)行處理[6],。通信信號處理的GUI設(shè)計和實現(xiàn),是基于無線通信信號處理系統(tǒng)各個細(xì)分模塊的功能要求,,選取工具箱中適宜的信號處理函數(shù),,根據(jù)函數(shù)的輸人、輸出各種參數(shù)類型要求,,在GUI界面中利用按鈕,、單選按鈕、編輯文本框和列表框等界面控件來實現(xiàn)各種調(diào)制/解調(diào)方式,、編碼/解碼方式和信道類型的選擇,,和各種輸入?yún)?shù)的設(shè)定,。界面既要實現(xiàn)與用戶交流的友好性,還要更加注重界面的簡潔性和系統(tǒng)的功能性,,將內(nèi)部功能部署和外部實體界面有機(jī)結(jié)合起來,,使無線通信系統(tǒng)的用戶圖形界面得以實現(xiàn)。

  4 仿真結(jié)果

  4.1 模擬通信信號處理的GUI設(shè)計與實現(xiàn)

  4.1.1 模擬信號發(fā)射端

  模擬信號發(fā)送端包括四個模塊:

  (1)信號輸人模塊,。對于輸入到系統(tǒng)中的基帶信號,,既能以工作空間中存在的變量作為輸入,也可以選擇實時采集的信號作為輸人,,如語音信號,,利用單選按鈕進(jìn)行相互屏蔽選擇。當(dāng)選擇實時采集的語音信號時,,點擊“打開”按鈕,,彈出打開文件對話框,程序設(shè)置對wav格式的文件進(jìn)行篩選,。

  (2)調(diào)制信號參數(shù)設(shè)置,,包括載波信號頻率設(shè)置及常用模擬調(diào)制方式的選擇(如AMDSB—SC,AMDSB—TC,,AMSSB,,F(xiàn)M,PM等),,調(diào)制功能的實現(xiàn)是利用Matlab的Communication Toolbox工具箱中的模擬調(diào)制函數(shù)來實現(xiàn),。

  (3)發(fā)送端的控制面板,可以設(shè)定采樣頻率等參數(shù),,在M文件程序編寫時利用句柄函數(shù)實現(xiàn)各項參數(shù)的讀取,,利用mat文件實現(xiàn)不同M文件之間各個變量的參數(shù)傳遞,并且可以按鈕控制“開始通信”,、“調(diào)制回放”等功能控件,點擊不同的按鈕控件,,通過調(diào)用不同的回調(diào)函數(shù)來實現(xiàn)不同的通信信號處理的功能:點擊“開始通信”按鈕,,彈出信道設(shè)置對話框,選擇傳輸信道類型,,設(shè)定信噪比等參數(shù),。對于瑞利衰減信道,還需設(shè)置最大多普勒頻移等參數(shù),;點擊“調(diào)制回放”,,界面會回放調(diào)制的全過程,通過動態(tài)圖像使用戶更直觀深入地了解調(diào)制處理過程,。

  (4)基帶信號,、已調(diào)信號及其頻譜的圖像顯示,,利用axes來聲明和顯示二維圖像。

  以上四個模塊能夠方便簡單地修改通信信號處理過程中的各項參數(shù),,觀察數(shù)據(jù)模板中選定的輸入變量,,并對其進(jìn)行時域和頻域分析。圖2為語音信號 AMSSB調(diào)制的仿真結(jié)果,。點擊“調(diào)制回放”,,可得到調(diào)制過程的動畫回放,使用戶深刻形象地理解調(diào)制過程,,調(diào)制回放圖形如圖3所示,。

圖2 語音信號AMSSB調(diào)制的仿真結(jié)果

  4.1.2 模擬信號接收端

  模擬信號接收端采用三大模塊:

  (1)解調(diào)控制面板,有五個按鈕控件,,分別執(zhí)行信號的接收,、解調(diào)、解調(diào)過程回放,、基帶信號時域波形對比和已調(diào)信號時域波形對比,。

  (2)接收信號的信息顯示,可以顯示發(fā)送端對信號進(jìn)行的各種參數(shù)設(shè)置,,利用句柄函數(shù)讀取發(fā)送端保存在mat文件中的變量參數(shù),。

  (3)信號圖像顯示,繼承了發(fā)送端信號圖像同步顯示和回放的優(yōu)點,,并且可以通過點擊信號對比按鈕,,使用戶直觀地觀察通信系統(tǒng)中基帶信號和已調(diào)信號發(fā)送和通過通信信道失真后的時域波形對比。

圖3 語音信號AMSSB調(diào)制過程回放圖形

  信號通過信道后,,在模擬信號接收端進(jìn)行信號接收和解調(diào)逆向操作,,可得解調(diào)信號的波形。圖4對應(yīng)的是圖2信號通過加性高斯白噪聲信道解調(diào)后得到的仿真結(jié)果,。解調(diào)回放波形如圖5所示,。

圖4 解調(diào)后得到的仿真結(jié)果

 

圖5 解調(diào)回放波形

  4.2 數(shù)字通信信號處理的GUI設(shè)計與實現(xiàn)

  4.2.1 數(shù)字信號發(fā)射端

  數(shù)字信號發(fā)送端包括四個模塊:

  (1)信號輸入模塊,同模擬發(fā)送端一樣,,輸入到通信系統(tǒng)的模擬信號既可以是工作空間中存在的變量,,也可以是實時采集的信號,如語音信號,。

  (2)編碼模塊,,分為信源編碼和信道編碼。信源編碼,,對于輸入的模擬信號進(jìn)行采樣,、量化、編碼(常用64 Kb/s脈沖調(diào)制PCM)得到數(shù)字基帶信號,;信道編碼,,包括具有前向糾錯功能的(7,,4)漢明碼、(15,,7‘)循環(huán)碼等,,并顯示糾錯碼的糾錯位數(shù)。信源編碼功能的實現(xiàn)是利用M文件編輯器編寫合適的信源編碼函數(shù),;信道編碼功能的實現(xiàn)是利用Toolbox中提供的信源編碼函數(shù)凹],,首先對信源編碼后的信號進(jìn)行合適的矩陣轉(zhuǎn)換,以符合信道編碼函數(shù)輸入變量的形式,,再進(jìn)行編碼,。
(3)數(shù)字信號傳輸模式的選擇:數(shù)字基帶傳輸、數(shù)字帶通傳輸,。選擇適宜的調(diào)制方式(ASK,,PSK,QASK,,F(xiàn)SK,,MSK,QAM等)[1?,,并設(shè)置各種調(diào)制參數(shù),。

  (4)信號圖像顯示模塊,對輸入到通信信號處理系統(tǒng)中的模擬信號,,顯示其時域,、頻域波形,及信源編碼后的PCM碼流波形,。

  點擊“開始通信”按鈕,,彈出信道參數(shù)設(shè)置對話框,進(jìn)行信道選擇和各項參數(shù)設(shè)置,。發(fā)送端界面如圖6所示,。

圖6 數(shù)字信號發(fā)送端發(fā)送雙聲道語音信號

  4.2.2 數(shù)字信號接收端

  數(shù)字信號接收端主要完成對接收信號進(jìn)行解調(diào)、譯碼等逆向處理操作,,可實現(xiàn)不同調(diào)制解調(diào)方式下通信信號處理系統(tǒng)的分析和仿真,。同樣采用三大模塊:

  (1)解調(diào)控制面板,包括六個按鈕控件,,分別執(zhí)行信號接收、解調(diào),、信道解碼,、信源解碼、時域圖形對比,、PCM碼流圖形對比等功能,。

  (2)接收信號的信息顯示,,可以顯示發(fā)送端對信號進(jìn)行的各種參數(shù)設(shè)置。

  (3)信號圖像顯示,。圖7對應(yīng)的是圖6雙聲道語音信號通過AwGN后解調(diào)解碼的仿真結(jié)果,。

圖7 解調(diào)解碼的仿真結(jié)果

  5 結(jié)語

  本設(shè)計基于面向?qū)ο蠹夹g(shù),提出了一種用于通信信號處理系統(tǒng)的仿真圖形用戶界面設(shè)計方案與實現(xiàn)技術(shù),,并搭建了相應(yīng)的通信系統(tǒng)仿真平臺,。利用GUI 來實現(xiàn)通信信號處理仿真系統(tǒng),界面簡單友好,,參數(shù)設(shè)置靈活,,并且在仿真過程中能隨時看到信號處理的文字和圖形描述,便于更好的實時處理和進(jìn)一步的預(yù)測和分析,,使用戶能很快地掌握該平臺的功能和使用方法,,便于學(xué)習(xí)和使用;同時開發(fā)的通信系統(tǒng)仿真平臺具有良好的開放性,,可以不斷地完善和擴(kuò)充,,便于研究工作的延續(xù)。結(jié)構(gòu)開放和全面可編程的軟件無線電技術(shù),,利用軟件模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)通信信號處理系統(tǒng)中的硬件結(jié)構(gòu),,在很大程度上克服了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不通用及系統(tǒng)不穩(wěn)定等局限性,,對于更好地實現(xiàn)無線通信傳輸具有重要意義,。

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