無線通信系統(tǒng)的GUI設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)

　引言

　　軟件系統(tǒng)的用戶接口有兩類，即命令驅(qū)動(dòng)方式的 交互式問答接口和事件驅(qū)動(dòng)方式的圖形用戶接口 (GUI)。通常在開發(fā)一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用軟件系統(tǒng)時(shí)會(huì)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(jì)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(qiáng)的交互性，在這樣的一個(gè)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(jì)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(gè)或多個(gè)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　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(gè)或多個(gè)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(gè)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(jì)

　　通常情況下，實(shí)現(xiàn)GUI設(shè)計(jì)有兩種方法：使用Matlab自身提供的圖形用戶界面設(shè)計(jì)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(jì)，向?qū)?huì)自動(dòng)生成一個(gè)fig文件，及一個(gè)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(shí)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(jì)的技巧。采用全腳本實(shí)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(dòng)作執(zhí)行代碼很好地結(jié)合起來。對于GUI設(shè)計(jì)，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(jì)與實(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)H]，對通信信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。GUIDE是一個(gè)專門用于GUI程序設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)出一個(gè)圖形用戶界面。GUIDE 將用戶保存設(shè)計(jì)好的GUI界面保存在一個(gè)FIG資源文件中，同時(shí)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(gè)M文件為實(shí)現(xiàn)回調(diào)函數(shù)提供了一個(gè)參考框架。

　　通信信號處理的GUI設(shè)計(jì)一般分為以下五個(gè)步驟：

　　(1)確定GUl對象，通過設(shè)置GUIDE應(yīng)用程序的選項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)，通過不選或選中它們來實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面的整體組態(tài)設(shè)計(jì)。

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

　　Matlab界面設(shè)計(jì)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(gè)GUI中可以存在一個(gè)或多個(gè)以上的GUI組件，使用時(shí)要注意保證各個(gè)組件的名稱或?qū)傩杂兴煌?，以便區(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(jì)。

　　(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(gè)框架。該框架是一種高效而堅(jiān)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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)任務(wù)之一。Matlab的GUIDE可以根據(jù)用戶GUI的版面設(shè)計(jì)過程直接自動(dòng)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(gè)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(jì)滿意后保存GUI。運(yùn)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(jì)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(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的調(diào)用和鏈接，從而最終實(shí)現(xiàn)基于Matlab的通信信號處理系統(tǒng)仿真平臺的設(shè)計(jì)。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?，還給出各種調(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(dòng)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(jì)旨在設(shè)計(jì)一個(gè)通用性強(qiáng)、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(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　無線通信系統(tǒng)的GUI設(shè)計(jì)，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(gè)模塊，確定各個(gè)模塊的功能部署。再次，以每個(gè)模塊為單位，部署各個(gè)模塊下的功能配置，和GUI界面的組成，以完成各個(gè)模塊下的功能GUI，最后利用M文件編程實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　基于Matlab的無線通信系統(tǒng)中通信信號處理功能的實(shí)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(jì)和實(shí)現(xiàn)，是基于無線通信信號處理系統(tǒng)各個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。

　　4　仿真結(jié)果

　　4．1 模擬通信信號處理的GUI設(shè)計(jì)與實(shí)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(gè)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)采集的語音信號時(shí)，點(diǎn)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(shí)現(xiàn)是利用Matlab的Communication Toolbox工具箱中的模擬調(diào)制函數(shù)來實(shí)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(shí)利用句柄函數(shù)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)的讀取，利用mat文件實(shí)現(xiàn)不同M文件之間各個(gè)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(diǎn)擊不同的按鈕控件，通過調(diào)用不同的回調(diào)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同的通信信號處理的功能：點(diǎn)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(diǎn)擊“調(diào)制回放”，界面會(huì)回放調(diào)制的全過程，通過動(dòng)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(gè)模塊能夠方便簡單地修改通信信號處理過程中的各項(xiàng)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(shí)域和頻域分析。圖2為語音信號 AMSSB調(diào)制的仿真結(jié)果。點(diǎn)擊“調(diào)制回放”，可得到調(diào)制過程的動(dòng)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(gè)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(shí)域波形對比和已調(diào)信號時(shí)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(diǎn)，并且可以通過點(diǎn)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(shí)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(jì)與實(shí)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(gè)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(shí)時(shí)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(cuò)功能的(7，4)漢明碼、(15，7‘)循環(huán)碼等，并顯示糾錯(cuò)碼的糾錯(cuò)位數(shù)。信源編碼功能的實(shí)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(shí)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(shí)域、頻域波形，及信源編碼后的PCM碼流波形。

　　點(diǎn)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(xiàng)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(shí)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(gè)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(shí)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(jì)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(jì)方案與實(shí)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(shí)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(shí)看到信號處理的文字和圖形描述，便于更好的實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)無線通信傳輸具有重要意義。