基于Java与MATLAB集成的数字通信原理虚拟实验平台的设计与实现

本科毕业论文论文题目：基于MATLAB的通信原理仿真实验平台院系：专业名称：学号：学生姓名：指导教师：二〇一五年五月毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文《基于MATLAB的通信原理实验原理仿真平台》是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

论文作者：（签字）时间：2015年5月 6日指导教师已阅：（签字）时间：2015年5月6日目录前言 (6)1、设计软件介绍 (7)1.1 MA TLAB简介 (7)1.2 MA TLAB GUI简介 (7)2、GUI仿真平台整体构建方案 (9)2.1 GUI总体系统结构 (9)2.2 GUI可视化界面设计 (10)2.2.1 通信原理GUI设计系统流图 (10)2.2.2 GUI系统主界面图 (10)2.2.3 GUI系统主界面设计介绍 (10)3、通信原理仿真实验内容 (13)3.1 模拟线性调制 (13)3.1.1 AM调制解调 (13)3.1.2 DSB调制解调 (13)3.1.3 SSB调制解调 (14)3.1.4 模拟线性调制GUI模块设计 (16)3.1.5 模拟线性调制仿真结果 (16)3.2 模拟信号波形编码 (19)3.2.1抽样 (19)3.2.2 抽样过程仿真 (19)3.2.3量化 (21)3.2.4 量化过程仿真 (22)3.2.5编码 (24)3.2.6编码过程仿真 (25)3.3 数字信号基带传输 (27)3.3.1 二元码GUI编辑界面 (27)3.3.2 二元码编码原理及仿真波形 (27)3.3.3 三元码GUI编辑界面 (29)3.3.4 三元码编码原理及仿真 (29)3.3.5 眼图GUI编辑界面 (30)3.3.6 眼图原理及仿真 (31)3.4 数字信号的调制传输 (34)3.4.1 二进制数字调制原理 (34)3.4.2 二进制数字调制仿真 (37)4、总结 (41)参考文献 (43)中文摘要随着当代的快速发展，通信技术在我们的生活中扮演者越来越重要的角色，我们的生活中也越来越离不开通信，毋庸置疑通信技术已经成为了你我生活中必不可少的一部分。

通信原理课程仿真实验平台构建与实现通信原理课程是计算机、通信、电子等专业学生必修的一门课程，其重要性不言而喻。

学生们在学习通信原理课程时，需要了解声波、光波、无线波等信号的传输原理和相关知识，并通过实验模拟加深对通信原理的理解。

为了提升学生们的实践能力和增强学习效果，本文提出使用仿真实验平台构建通信原理课程实验的建议，并对该平台进行详细阐述。

仿真实验平台是指基于计算机技术和相关应用软件，将实际物理过程或事物进行数字化仿真，以达到实验效果和实验数据获取的一种虚拟实验方式。

通信原理课程仿真实验平台的构建包括三个步骤：搭建实验环境、软件安装与配置、实验操作与数据分析。

首先，搭建实验环境需要一般性的硬件设备和软件环境。

硬件设备包括学生机和教师机，建议配备至少4GB内存、2.2GHz 处理器的电脑。

软件环境中需要安装单片机开发软件、通信原理仿真软件。

单片机开发软件使用 Keil C51。

通信原理仿真软件使用 Multisim 13.0。

其次，软件安装与配置是建立仿真实验平台中重要的一步。

在Keil C51 软件的安装过程中，需要选择安装路径、安装项等，安装完成之后还要配置微控制器和开发板。

本实验中固定将微控制器选为 STC89C52，开发板是 T1000，其它开发板也可以选择，但需要通过配置进行切换。

在 Multisim 13.0 安装之后需要关联模型库。

模型库分为基础模型、数字模型、仿真器件模型以及特定型件模型等。

通信原理实验需要使用的设备模型包括电源、信号发生器、示波器等。

最后，实验操作与数据分析是仿真实验平台的核心步骤。

立足于通信原理课程，仿真实验平台应该包括频谱分析器实验、移相器实验、锁相环实验、接收机实验等。

在平台中，学生通过图形界面进行操作，如调整参数、连线等，实时查看各种信号的波形、频谱图和时域图等，还可以按照要求进行信号处理和算法分析。

当然，在操作过程中也需要学生自主学习相关的原理知识，确保达到实验目的。

《通信原理I课程设计》任务书目录一、课程设计要紧内容┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄4二、课程设计实验要求┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄——┄4三、课程设计原理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄—┄┄4四、课程设计思路及进程—┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄——┄┄┄┄┄┄5五、课程设计实验结果┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄15六、课程设计分析及心得┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄18七、通信原理I课程设计环节参考资料┄┄┄┄┄┄┄┄┄——┄┄┄—————18一．课程设计要紧内容1、完成系统方案的设计；2、完成仿真程序的设计与调试；3、分析仿真结果，得出合理结论。

二．课程设计实验要求1.仿真输入的模拟信号，给出信号波形和功率谱密度；2.实现题目要求的模拟信号的调制与解调，画出调制后的信号波形和功率谱密度，和解调后的输出信号波形；3.实现题目要求的模拟信号的数字化；4.实现题目要求的数字基带码型变换和反变换，画出变换后数字基带信号的波形；5.实现题目要求的数字信号的调制与解调，画出调制后的信号波形和功率谱密度，和解调后的输出信号波形；6.在不同的条件下（基带码型、调制方式，输入信噪比），对系统信噪比（模拟）和误码性能（数字）进行分析，画出系统误码率仿真曲线；7.实现系统仿真平台正常运行；按要求完成设计报告。

三．课程设计原理数字频带通信系统（5号题目）：输入：第一输入模拟信号，给出此模拟信号的时域波形。

数字化：将模拟信号进行数字化，取得数字信号，能够选择PCM编码。

调制：能够选择简单的二进制数字调制方式，例如振幅键控（2ASK）、相移监控（2PSK）、频移键控（2FSK），差分相移键控（DPSK）等。

要求每一个题目至少选择两种调制方式。

有能力的同窗也能够选择其它高效的调制方式，例如多进制数字振幅键控等，给出调制后信号的时域波形。

摘要《数字信号处理》在大专院校的通信类及电子类专业中是一门非常重要的基础课程, 具有内容抽象，学生不容易掌握的特点。

另一方面，教师在讲授主要些内容时也不方便。

针对教学中存在的这种问题，为了方便教师授课和学生学习，使抽象的内容形象化，提高学生的学习兴趣，本文以MATLAB作为开发平台，设计了基于MATLAB的数字信号处理虚拟实验仿真平台，改变了传统的实验方式 ,将数字信号处理的实验内容集中在一个平台上，操作简单方便，结果直观准确。

MATLAB开放的环境、功能极强的图形绘制、各种工具箱及其简单易学的特点，使系统开发简单、快捷。

本系统采用友好的GUI界面设计,用简洁的文字、丰富的画面将抽象的内容展现在学生面前,提高了学生的学习积极性和主动性。

关键词: 数字信号处理；实验平台；MATLAB；GUIThe design of digital signal processing virtual experiment simulation platform based on MatlabStudent:Huang Zhong-Ze Teacher: Li XinAbstract: “Digital Signal Processing”is the important foundation course of electrical and communications professionals in university, the content is very abstracty and students are not easy to grasp. The other hand, teachers taught in some main contents not very convenient. Against such problems exist in teaching,to allow teachers to teach and students to learn. So abstract as figurative, Enhance their learning interest. This paper represents digital signal processing virtual experiment simulation platform using Matlab. It changes the traditional teaching methods and focus on the content of aplatform. Operation is simple and convenient. Results is visual and accurate. Matlab provides an open environment, highly functional graphical rendering. Toolbox and its features is easy to learn, which make the system development simple and fast, The system uses a friendly GUI interface design, using simple language, rich picture will be displayed the abstract content in the front of the students and improved student’s learning enthusiasm and initiative.Key words: digital signal processing ;experiment platform ;matlab ;gui目录摘要 (I)Abstract ...................................................... I I 目录.. (1)1 引言 (4)1.1 课题的背景 (4)1.2 国内外研究现状 (6)1.3 课题主要研究内容和研究意义 (7)2 MATLAB的介绍 (10)2.1 MATLAB 简介 (10)2.2 MATLAB语言的发展历程和影响 (11)2.3 MATLAB语言的特点 (12)2.4 MATLAB的工作环境 (13)2.5 工作环境的特点 (13)3 MATLAB在数字信号处理教学中的应用 (16)3.1 MATLAB的应用现状 (16)3.2 MATLAB在《数字信号处理》教学中的应用 (17)3.3 在数字信号处理教学实验中应用MATLAB 的意义 (19)4 数字信号处理虚拟实验仿真平台设计的必要性和可行性 (21)4.1 增加 MATLAB 内容的必要性和可行性 (22)4.1.1 必要性 (22)4.1.2 可行性 (26)4.2 用MATLAB做数字信号处理虚拟实验仿真平台的优点 (27)4.2.1 数字信号处理课程实验的教学现状 (27)4.2.2 强大的作图功能使抽象的概念一目了然 (28)4.2.3 利用现代化的教学手段, 增强教学效果 (28)5 基于matlab数字信号处理虚拟实验仿真平台整体构建方案 (31)5.1 仿真平台应用软件设计实现 (31)5.1.1 总体结构设计 (31)5.1.2 软件实现 (32)6 基于matlab的数字信号处理虚拟实验仿真平台的实现 (35)6.1 界面的设计方法 (35)6.1.1 句柄图形及图形用户界面 (35)6.1.2 GUIDE的设计过程 (36)6.1.3 基于matlab的数字信号处理虚拟实验仿真平台主界面 (40)6.1.4 基于MATLAB数字信号处理实验设计实例 (50)6.1.5 实验仿真平台的特点 (65)7 结论 (66)致谢 (69)参考文献 (72)1 引言1.1 课题的背景数字信号处理是应用最快、成效最显著的新科学之一, 广泛地应用在通信、控制、生物医学、遥测遥感、地址勘探、航空航天、自动化仪表等领域, 国内外高校都为相关专业的学生开设了这门课程。

摘要本论文研究的主要内容是《通信原理》仿真实验平台的设计与实现——模拟信号的数字化Matlab软件仿真。

若信源输出的是模拟信号，如电话机传送的话音信号，模拟摄象机输出的图像信号等，要使其在数字信道中传输，必须在发送端将模拟信号转换成数字信号，即进行A/D变换，在接收端则要进行D/A。

模拟信号数字化由采样、量化、编码三部分组成。

由于数字信号的传送具有稳定性好，可靠性高，方便传送和储存等诸多优点，使得被广泛应用到各种技术之中。

不仅如此，Matlab仿真软件是常用的工具之一，可用于通信系统的设计和仿真。

在科研、教学方面发挥着重要的作用。

Matlab有诸多优点：编程简单、操作容易、处理数据迅速等。

本文阐述了模拟信号数字化的理论基础和实现方法，利用Matlab 提供的可视化工具建立了数字化通信系统仿真模型，详细讲述了抽样、量化和编码的设计，并指出了仿真建模中要注意的问题。

在给定仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果。

关键词：模拟信号，数字化，MatlabAbstractThe main content of this thesis is "Communication Theory" Simulation Platform Design and Implementation - a digital analog signal Matlab software simulation. If the source output is an analog signal, such as the transmission of voice telephone signals, analog camera output image signal and so on, to make it in the digital channel transmission, the sender must convert the analog signal into digital signal, namely, A / D conversion, the receiver will have to carry out D / A. Digitized by the analog signal sampling, quantization, coding of three parts. Since the transmission of digital signals with good stability, high reliability, easy transfer and storage, and many other advantages, has been widely used to make among various technologies. Moreover, Matlab simulation software is one of the tools used, can be used to design and simulation of communication systems. In the research, teaching, play an important role. Matlab has many advantages: simple program, easy, and fast data processing.In this paper, digitized analog signal to achieve the theoretical basis and method of using Matlab to provide a visual tool to create a digital communication system simulation model, details about the sampling, quantization and coding design, and noted that the simulation modeling to note problem. In the given simulation conditions, running a simulation program, and the expected results of the simulation.Keywords: analog signal, digital, Matlab目录第一章绪论 (1)1.1 课题背景及目的 (1)1.2 课题研究的意义 (1)1.3 研究的基本内容 (2)1.4 论文组织结构 (3)第二章模拟信号数字化的基本原理 (4)2.1 抽样 (4)2.1.1 低通型连续信号的抽样 (4)2.1.2 带通信号的抽样定理 (6)2.2 量化 (8)2.2.1 均匀量化 (8)2.2.2 非均匀量化 (10)2.2.3 A压缩律 (11)2.2.4 13折线 (15)2.2.5 13折线和A压缩特性的近似程度 (16)2.3 脉冲编码调制（PCM） (17)2.3.1 常用码型 (18)2.3.2 线性编码的实现 (20)第三章基于Matlab的模拟信号数字化仿真的实现 (23)3.1 仿真工具Matlab介绍 (23)3.2 仿真实现过程 (23)3.3 仿真结果和数据分析 (25)第四章总结 (28)4.1 小结 (28)4.2 展望 (28)参考文献 (29)致谢 (30)附录1 (31)附录2 (32)附录3 (33)声明 (35)第一章绪论1.1 课题的研究背景1837年，莫尔斯（S.Morse）完善了电报系统，此系统于1844年在华盛顿和巴尔迪摩尔之间试运营。

收稿日期:2008-05-26作者简介:任文杰(1982—),男,河北枣强人,硕士研究生,专业方向为控制理论与控制工程;王伟(1957—),男,山西夏县人,教授,博士生导师,主要从事飞行控制与仿真,自适应控制的研究;马松辉(1977—),男,河南巩义人,工程师,主要从事飞行控制与仿真方面的研究;陈怀民(1963—),男,安徽涡阳人,副教授,硕士生导师,主要从事飞行控制与仿真的研究。

MAT LAB 和JAVA 的混合编程研究与实现任文杰,王　伟,马松辉,陈怀民(西北工业大学无人机特种技术国家重点实验室,陕西西安　710065)摘要:为充分发挥MAT LAB 和JAVA 的优势,提出基于两者的混合编程技术。

混合编程的关键是数据传输问题,在此采用接口技术。

研究了MAT LAB 和JAVA 在本地环境和网络环境下的混合编程方法,通过多个实例说明两者混合编程的过程和步骤。

关键词:MAT LAB;JAVA;混合编程中图分类号:TP29 文献标识码:A 文章编号:1000-8829(2009)01-0077-03Research and I m plem en ta ti on of M i xed 2LanguageProgramm i n g Ba sed on M ATLAB and JAVAREN W en 2jie,WANG W ei,MA Song 2hui,CHEN Huai 2m in(Nati onal Laborat ory of UAV S pecial Technol ogy,North western Polytechnical University,Xi ’an 710065,China )Abstract:I n order t o fully p lay the advantages ofMAT LAB and JAVA ,a m ixed 2language p r ogra mm ing technol 2ogy based on the t w o languages is p r oposed .The key of m ixed 2language p r ogra mm ing is the issue of data trans 2m issi on,here interface technol ogy is adop ted .The m ixed 2language p r ogra mm ing of JAVA and MAT LAB in the l ocal envir on ment and net w ork envir on ment is studied .Some exa mp les show m ixed 2language p r ogra mm ing p r ocess and step s of this p r ocess .Key words:MAT LAB;JAVA;m ixed 2language p r ogra mm ing MAT LAB 是目前学术界和工程界最为流行的科学计算工具,它集数值计算、符号运算、矩阵计算、信号处理和图形显示于一体,同时各个领域不断推出新的MAT LAB 工具箱,这些工具箱给各个领域的研究和工程应用提供了方便、有力的工具。

Java和MATLAB集成背景下虚拟实验平台的设计及实现分析摘要：随着互联网行业的迅速的发展，在虚拟的环境下进行实验研究已经是一个重要的话题。

以下主要的基于java和matlab集成背景下虚拟实验平台的设计和实现进行研究分析，其中matlab是作为计算的后台，很大的程度上提高了实验平台的仿真的能力，讨论了服务器和matlab之间进行通信服务的应用程序的实现的方式。

关键词：java和matlab集成；虚拟实验平台；设计实现分析中图分类号：tp391.9文献标识码：a文章编号：1007-9599 (2013) 07-0000-02随着信息化时代的到来，网络行业的不断的发展，基于互联网的虚拟实验平台的探讨研究工作已经发展成为信息网络的一个重要的问题。

站在其开发的技术角度上来说，虚拟的实验平台一般情况之下所采用的开发的技术有java、vrml、flash以及quicktime的vr技术等。

其中由于java技术语言平台的安全性、无关性、健壮性以及其在编辑上面的优势，使其成为了虚拟实验室所要开发的主流的技术。

matlab是美国math works公司所推出的商业数学软件，可用于算法开发、数据分析、数据可视化和数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，matlab任何的功能函数都能被java程序所运用，所以基于java和matlab集成背景下虚拟平台的建立是一个很有用的课题。

1实验平台的体系机构在进行java和matlab集成的虚拟实验平台的设计时要从客户端和服务端两个方面来设计。

在其客户端的设计上通常会采用java bean组建技术来开发虚拟的实验设备，在用户实验操作的界面的开发上通常会采用java applet的技术。

在其服务端的设计上主要的包括了以下几个方面的设计工作：虚拟实验设备的组件库和处理用户的请求、组件注册xml文件库以及matlab进行通信的服务的程序，虚拟实验室平台结构图（如图1所示）。

图1 虚拟实验室平台结构图在此虚拟实验的平台之上，如果远程的客户想要进行相关的访问，此整个的步骤如下：首先，使用者应该向远程的服务器提出相应的申请，申请是通过java虚拟机的浏览器来发送的，这样就可访问到含有applet的一个主题的页面，在向服务器发出所需要的java class文件的请求时，需要结合页面所响应的事件；第二，服务器要根据相关的使用者所提交的申请内容，对于相应的组件进行解析的过程，并且注册相应的xml文件，将处理之后的java class 文件返还给其申请的用户；第三，在系统取得class文件之后，需要经过实现初始化的用户实验的界面的过程，此过程一般要通过调动本地的java虚拟机来实现，之后用户就可以选择实验的流程以此来启动执行，这时主系统就会向远程的服务器发送相关的调用matlab功能的请求；第四，在服务器接受到相关的请求之后，此时就会调用matlab，并且会将matlab计算后的数据结果通过vls来返回给相应的用户；第五，用户通过在服务器之上得到处理后的结果来完成实验的整个过程，取得相应的实验结果。

基于MATLAB的通信原理仿真平台设计杨 洁南京工程学院 江苏南京 211167摘 要：根据通信原理课程的教学要求，给出了一种基于MATLAB的通信原理仿真平台GUI设计方案，该平台能为教师和学生提供高效率教学辅助。

开发的图形用户界面设计简单、结构一致，具有可视化、开放性、可扩展性等优点。

关键词：通信 仿真 UI 平台收稿日期：2009-05-19作者简介：杨洁，硕士，讲师。

通信原理是通信类专业的一门极为重要的专业基础课程，主要研究信息传递一系列变换的机理和属性，该门课程内容多且抽象，它包括：信号分析、调制解调、同步、检测过滤、纠错编码、信号特性等理论方面的内容。

采用计算机仿真可以帮助学生理解抽象的知识点，提高教学效果。

通信原理中，常常借助于各种信号的时域波形图以及频谱图来说明系统的原理，指出相应的电路设计应达到的目标。

要将承载消息的信号保质保量地传送给接收者，就必须对它们进行各种处理，而这些处理过程中会用到大量的数学计算。

而MATLAB(Matrix Laboratory，矩阵实验室)以数组为基本处理对象，具有丰富的矩阵运算功能，并且M A T L A B是一个开放性的系统，具有模块化的结构，任何用户自己已定义的函数都可作为M A T L A B函数进行调用。

因此，通信原理仿真平台选择M A T L A B作为开发环境，借助于M A T L A B的图形用户界面设计向导(G U I D E)进行软件界面设计，所有仿真功能采用MATLAB语言编程实现。

一、MATLAB图形用户界面GUI(Graphical User Interfaces，图形用户界面)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。

M A T L A B图形用户界面设计向导(GUIDE)提供的设计向导包括控制面板、属性编辑器、事件过程编辑器、对齐工具和菜单编辑器五个图形用户界面编辑工具。

利用该向导用户可以将图形界面的外观,包括所有的按钮以及图形的位置确定下来,然后用MATLAB的回调程序编辑器来编写完成约定任务的函数代码,从而方便快捷地设计一个图形用户界面。