引言

　　軟件系統(tǒng)的用戶接口有兩類，即命令驅動方式的 交互式問答接口和事件驅動方式的圖形用戶接口 （GUI）。通常在開發(fā)一個實際的應用軟件系統(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、文本框等構建的用戶界面，是人機交流的工具和方法。

　　利用用戶界面，用戶可以直接與計算機進行信息 交流，不需了解應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行通信系統(tǒng)的參數(shù)設置，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)進行軟件設計和功能分析。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?a href="http://www.3532n.com/analog/" target="_blank">模擬信號還是數(shù)字信號，相應地把通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。

　　1　無線通信系統(tǒng)仿真模型的構建

　　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)男盘枺⒃诮邮斩诉M行反變換。完成這種變換和反變換通常利用調制器和解調器。

　　經(jīng)過調制以后的信號稱為已調信號，已調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)字調制/解調、數(shù)字復接、同步以及加密等。

　　2　無線通信系統(tǒng)信號處理的GUI設計

　　通常情況下，實現(xiàn)GUI設計有兩種方法：使用Matlab自身提供的圖形用戶界面設計向導（Graphics　User Interface Design Environment，GUIDE），或者是使用全腳本編程。利用GUIDE進行圖形用戶界面設計，向導會自動生成一個fig文件，及一個包含fig中放置控件相應回調函數(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設計的技巧。采用全腳本實現(xiàn)，M文件代碼可重復使用，可生成非常復雜的界面，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)行代碼很好地結合起來。

　　對于GUI設計，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設計與實現(xiàn)

　　本文采用Matlab的GUIDE進行通信系統(tǒng)仿真平臺的設計與實現(xiàn)H］，對通信信號進行實時處理。GUIDE是一個專門用于GUI程序設計的快速開發(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。

　　用戶利用該向導可以將圖形界面的外觀，包括所有的按鍵及圖形的位置進行確定，然后利用Matlab的回調函數(shù)編輯器來編寫完成約定任務的函數(shù)代碼，從而方便快捷地設計出一個圖形用戶界面。GUIDE 將用戶保存設計好的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)回調函數(shù)提供了一個參考框架。

　　通信信號處理的GUI設計一般分為以下五個步驟：

　　（1）確定GUl對象，通過設置GUIDE應用程序的選項來進行GUIDE組態(tài)在面向對象的系統(tǒng)分析（00A）過程中，從信號處理的系統(tǒng)中抽象出面向對象編程（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)設計。

　　（2）使用界面設計編輯器進行GUI界面設計

　　Matlab界面設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屬性有所不同，以便區(qū)分。用戶可以用屬性檢查其對各組件的屬性進行設計。

　　（3）理解應用程序M文件中所使用的編程技術

　　Matlab可以通過創(chuàng)建應用程序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或調用相應的回調函數(shù)以及GUI中希望使用的任意幫助子程序。

　　對應用程序M文件代碼進行詳細分析，通過了解GUIDE創(chuàng)建應用程序M文件的功能，從而實現(xiàn)GUI的規(guī)劃。

　　（4）編寫用戶GUI組件行為響應控制（即回調函數(shù)）代碼

　　控制GUI組件響應用戶的行為是GUI的實現(xiàn)任務之一。Matlab的GUIDE可以根據(jù)用戶GUI的版面設計過程直接自動生成M文件框架，這樣就簡化了GUI應用程序的創(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，確保界面符合預定的要求，設計滿意后保存GUI。運行通信信號處理的仿真平臺的應用程序M文件，對其進行反復的調試，使界面及用戶空間符合系統(tǒng)預定的功能。本設計利用Matlab自身提供的工具箱Toolbox中各種通信信號處理函數(shù)［53對信號進行處理，然后通過GUI的組件編程實現(xiàn)各個模塊的調用和鏈接，從而最終實現(xiàn)基于Matlab的通信信號處理系統(tǒng)仿真平臺的設計。

　　該仿真平臺能夠在多種信源及多種調制方式下進行信號傳輸?shù)姆抡妫€給出各種調制方式下的基帶信號、已調信號的波形及已調信號的頻譜等，最后，對通過加性高斯白噪聲信道的通信信號數(shù)據(jù)流進行各種逆向操作處理（解調、譯碼等）恢復出源信號。以數(shù)字通信系統(tǒng)為例，通信信號處理流程如圖1所示。

　　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。

　　本設計旨在設計一個通用性強、操作簡單、功能較全面的通信信號處理仿真平臺，能夠實現(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，如調制解調、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)中的硬件結構，在很大程度上克服了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)硬件結構復雜、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設計與實現(xiàn)

　　無線通信系統(tǒng)的GUI設計，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)對信號進行處理［6］。

　　通信信號處理的GUI設計和實現(xiàn)，是基于無線通信信號處理系統(tǒng)各個細分模塊的功能要求，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)各種調制/解調方式、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，將內部功能部署和外部實體界面有機結合起來，使無線通信系統(tǒng)的用戶圖形界面得以實現(xiàn)。

　　4　仿真結果

　　4.1 模擬通信信號處理的GUI設計與實現(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，利用單選按鈕進行相互屏蔽選擇。當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，程序設置對wav格式的文件進行篩選。

　　（2）發(fā)送端的控制面板，可以設定采樣頻率等參數(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”、“調制回放”等功能控件，點擊不同的按鈕控件，通過調用不同的回調函數(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，彈出信道設置對話框，選擇傳輸信道類型，設定信噪比等參數(shù)。

　　對于瑞利衰減信道，還需設置最大多普勒頻移等參數(shù);點擊“調制回放”，界面會回放調制的全過程，通過動態(tài)圖像使用戶更直觀深入地了解調制處理過程。

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

　　（4）基帶信號、已調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，并對其進行時域和頻域分析。圖2為語音信號AMSSB調制的仿真結果。

　　點擊“調制回放”，可得到調制過程的動畫回放，使用戶深刻形象地理解調制過程，調制回放圖形如圖3所示。

　　4.1.2 模擬信號接收端

　　模擬信號接收端采用三大模塊：

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

　　（2）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)中基帶信號和已調信號發(fā)送和通過通信信道失真后的時域波形對比。

　　（3）接收信號的信息顯示，可以顯示發(fā)送端對信號進行的各種參數(shù)設置，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)。

　　信號通過信道后，在模擬信號接收端進行信號接收和解調逆向操作，可得解調信號的波形。圖4對應的是圖2信號通過加性高斯白噪聲信道解調后得到的仿真結果。

　　解調回放波形如圖5所示。

　　4.2　數(shù)字通信信號處理的GUI設計與實現(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）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。選擇適宜的調制方式（ASK，PSK，QASK，F(xiàn)SK，MSK，QAM等）［1？，并設置各種調制參數(shù)。

　　（3）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行采樣、量化、編碼（常用64 Kb/s脈沖調制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行合適的矩陣轉換，以符合信道編碼函數(shù)輸入變量的形式，再進行編碼。

　　（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)設置對話框，進行信道選擇和各項參數(shù)設置。發(fā)送端界面如圖6所示。

　　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行解調、譯碼等逆向處理操作，可實現(xiàn)不同調制解調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）解調控制面板，包括六個按鈕控件，分別執(zhí)行信號接收、解調、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）信號圖像顯示。圖7對應的是圖6雙聲道語音信號通過AwGN后解調解碼的仿真結果。

　　（3）接收信號的信息顯示，可以顯示發(fā)送端對信號進行的各種參數(shù)設置。

　　5　結語

　　本設計基于面向對象技術，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計方案與實現(xiàn)技術，并搭建了相應的通信系統(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一步的預測和分析，使用戶能很快地掌握該平臺的功能和使用方法，便于學習和使用;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充，便于研究工作的延續(xù)。

　　結構開放和全面可編程的軟件無線電技術，利用軟件模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)通信信號處理系統(tǒng)中的硬件結構，在很大程度上克服了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)硬件結構復雜、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。