微波课设报告正式版.doc

微波通信技术课程设计报告 Smith圆图软件及一种微波通信系统的设计一、Smith圆图介绍Smith圆图是PHSmith于1939年在贝尔实验室发明的，它主要用于计算微波网络的阻抗、导纳及网络阻抗匹配设计，还可用于设计微波元器件。Smith圆图软件不仅适用于微波工程设计，亦可用于电磁场、微波技术及天线与电波传播等课程相关内容的教学，该软件通过形象的演示可以深刻理解圆图的应用。微波网络的正弦稳态分析含有复数计算，运算十分繁琐和耗时。在计算机运算速度和内存不够发达以前，图解分析法得到长足发展，其中多年来应用最广的是Smith 圆图。在计算微波传输线输入阻抗、导纳及阻抗匹配等问题时，它不仅能避开繁琐的公式及复数运算，使工程设计中相关计算简单便捷，而且图解过程物理概念清晰，所得结果直观形象。随着计算机技术的飞速发展，图解法在计算精度上的固有缺陷日益显现，因为，圆图的计算精度取决于圆图中必须有足够的圆周数，而过多的圆周会导致图线过于密集，不便将阻抗、反射系数、电压驻波系数（VSWR ）及电长度等相关数据从图上直接读出。通过对圆图构成的基本原理和应用问题的分析，利用现代计算机技术可以解决圆图计算精度等方面存在的问题，为此设计的Smith圆图软件既保留圆图计算直观、便捷的大众性，又满足工程设计中相关参数的计算精度。在计算机应用日益普及的今天，该软件特别适合电磁场、微波技术与天线等领域的教学和工程设计相关参数计算使用。圆图软件的设计特点二、Smith圆图的软件实现圆图软件设计要求计算结果以图形和数据并行输出，处理包括复数的矩阵运算。为使程序代码简单，执行运算速度快，计算精度高，选择MATLAB 软件作为设计技术平台较为理想（也可利用VC,VB等）。该软件数学表示、函数集丰富且功能强大、良好的用户界面以及许多函数本身会绘制图形且自动选取坐标刻度等显著优点，特别适用大量计算。利用MATLAB强大的作图功能容易画出完整的Smith 圆图。整个圆图软件分为用户图形界面模块、圆图计算模块、画图演示模块。上述: 大模块又进一步分解，其中用户图形界面模块分为：主页、主菜单；圆图计算模块分为反射系数计算、单支节匹配计算、输入阻抗计算以及整个Smith圆图；画图演示模块分为等归一化电阻圆、等归一化电抗圆、反射系数圆等；确定阻抗值在圆图上的位置、圆图的基本应用、求输入阻抗及其在圆图上的位置以及单支节匹配等问题。三、Smith圆图软件设计目的通过具体的软件编程和多媒体制作，进一步加深对微波通信技术的理解和掌握，提高动手能力，提高解决实际问题的综合能力。四、设计要求圆图软件设计要求计算结果以图形和数据并行输出，处理包括复数的矩阵运算。为使程序代码简单，执行运算速度快，计算精度高，选择MATLAB 软件作为设计技术平台较为理想（也可利用VC,VB等）。该软件数学表示、函数集丰富且功能强大、良好的用户界面以及许多函数本身会绘制图形且自动选取坐标刻度等显著优点，特别适用大量计算。利用MATLAB强大的作图功能容易画出完整的Smith 圆图。整个圆图软件分为用户图形界面模块、圆图计算模块、画图演示模块。上述: 大模块又进一步分解，其中用户图形界面模块分为：主页、主菜单；圆图计算模块分为反射系数计算、单支节匹配计算、输入阻抗计算以及整个Smith圆图；画图演示模块分为等归一化电阻圆、等归一化电抗圆、反射系数圆等；确定阻抗值在圆图上的位置、圆图的基本应用、求输入阻抗及其在圆图上的位置以及单支节匹配等问题。五、Smith圆图程序流程图图一 圆图软件程序结构模型6、 演示验证过程（1）GUI文件界面（2）试验程序显示（3）matlab生成的独立可执行程序工程文件七、微波通信系统设计1 引言武器装备的网络化和信息化使对装备的技术支持需要延伸至战场前端，并可以配合局部范围机动作战。因此，在有线网络为主体的条件下，需要辅以无线网络平台，使网络广泛覆盖并可机动应用。2 通信设计无线网络通信系统包括1个中心站，最多36个外围站和若干个转发器组成。中心站和外围站设备主要有点对多点通信设备，网管、监控及调度台，图像编/解码器，摄像头，天线和馈线等，分别装载在通信车和作战车上。系统设备组成框图如图所示。2.1 信道分配系统共有18条无线信道、3路图像信道和1路通播信道，实现中心站与36个外围站的话音、数据和图像的传输。在中心站，共有18支路的业务数据和3路图像，而每个外围站有2个支路业务数据和1路图像。为保证信道资源的高效利用，采用按需分配策略，保证36个外围站根据需要占用18条无线信道和3路图像信道。2.1.1 话音和数据（TDMA信道）中心站申请信道时，由交换机在某个支路上发出信道占用申请，系统在认可后通过信令交互得知该支路要连接的站点，然后为该支路分配一个空闲信道并建立该支路到目标站点的连接，连接建立成功后通知交换机链路建立成功。由于外围站发出的信道占用，必然是去往中心站，所以在外围站不需告诉要连接目标站点。为了防止信道不稳定造成的链接误拆，链路的拆除统一由中心站识别信令来决定。2.1.2 图像（FDMA信道）由于图像信息速率最高为2Mbps，并且同时只传3路，故采用FDMA方式进行传输。当某外围站向中心站传输图像时，首先向中心站提出申请，由中心站调度人员通过调度台给该外围站建立图像传输通道，中心站可同时监视3个外围站上传的3路图像信号。其组成示意图如图所示2.1.3为了提高信道质量，系统采用了多种纠错及组合纠错措施，包括8比特(60,50)RS码、交织(31,21)BCH码、交织(15,11)BCH码和交织11中取9双相大数判纠错。上行管理数据和所有业务数据都采取了GF(8)的(60,50)RS码纠错，可纠正5字节数据的错误，大大提高了业务数据的通信质量。网管数据通信要求有误码率较低的信道，因此采取级联纠错的方法。先对异步数据采取BCH纠错，再进行RS码纠错。RS码纠错是采用与业务数据相同的编码方式，而BCH码采用（15，11）的编码方式。采用BCH纠错，用于在RS纠错基础上，将信道误码率从110-4提高到110-5，从而保证网管数据的通过率。此外还对BCH纠错后的数据进行了交织编码，以减小突发误码对BCH纠错性能的影响。下行信令数据也采取级联纠错的方法，不同的是，BCH码采用（31，21）的编码方式，期望在RS纠错基础上，将信道误码率从110-4提高到110-6，从而为信令数据提供更高的通信质量。各外围站的上行信令主要用于链路的建立，其数据量小而且分散，但要求及时的传输，因而不能采用RS纠错，而是采用了11中取9的大数判纠错措施，同时对编码数据进行简单的交织处理。中心站信令的接收端对上行信令进行双相大数判译码，当存在严重的突发误码时，不可靠的信令帧将被抛弃。2.4 勤务设计2.4.1 勤务会议方式勤务采用会议方式，允许各个站点的操作人员可以自由对话，而无需发出呼叫或申请信道。另外，还支持中心站与某一外围站的勤务话音采用AMBE编码，数字勤务话音信号自带帧同步信息。勤务话音发端根据PTT键的状态发送话音信号，当PTT键按下时，发出编码的数字话音信号，否则发全“0”。各个站点的勤务收端不停对勤务数据流进行监测，当检测到勤务的帧同步信息并正确同步后，将勤务码流送话音解码器还原出话音信号。2.5 频率配置设计2.5.1 频率规划系统工作在1350MHz1850MHz频段内，为了频率灵活配置，点对多点微波设备采用步进为1MHz的频率综合器和电调双工滤波器，在直通、1次转发或2次转发工作时，需要至少4个工作频点。2.5.2. 频带设计系统工作频带的带宽为48MHz。其中40MHz带宽传输话音/数据信号，8MHz带宽传输图像信号，频带的3 通信设备设计3.1 点对多点微波设备点对多点微波设备主要包括保密、基带、调制器、上/下变频、发/收频率综合器、功放、电调滤波器。 制变频单元，首先对下行无线群路码流进行差分编码、直序扩频、限带成型，再完成DQPSK调制及滤波放大得到70MHz中频信号。然后利用来自发跳频综合器的发本振信号完成上变频，经带通滤波器抑制带外邻道杂散，缓冲放大送功放单元。功放单元将输入的射频小信号放大到额定电平输出。输出端的定向耦合器对输出电平和反射电平分别检波，且在出现驻波告警时，关闭供电天线接收的中心站信号fr2经接收滤波器滤除带外干扰后，进入低噪声放大器放大，然后与本振混频后变成中频信号fi1。它经2级中频滤波器进一步滤除带外干扰，再由突发AGC及中频放大器快速稳定输出中频电平。该中频信号又与发端本振进行变频，经变频滤波滤除载波和镜频成分后变成ft4信号，再经功率放大器放大，由发端滤波器滤除带外杂散干扰后，经天线输出，发往外围站。天线接收的外围站信号fr2转发过程与上相似，变换后经天线输出，发往中心站。转发器配备高稳定的10MHz时钟源，给各个本振源作为环路锁定参考。3.2 转发设备天线接收的中心站信号fr2经接收滤波器滤除带外干扰后，进入低噪声放大器放大，然后与本振混频后变成中频信号fi1。它经2级中频滤波器进一步滤除带外干扰，再由突发AGC及中频放大器快速稳定输出中频电平。该中频信号又与发端本振进行变频，经变频滤波滤除载波和镜频成分后变成ft4信号，再经功率放大器放大，由发端滤波器滤除带外杂散干扰后，经天线输出，发往外围站。天线接收的外围站信号fr2转发过程与上相似，变换后经天线输出，发往中心站。转发器配备高稳定的10MHz时钟源，给各个本振源作为环路锁定参考。4. 结论以微波通信方式实现的无线局域网，通过IP接口将无线局域网接入广域网，构建了一个全方位、多层次的网络平台。在可能的条件下，也可以通过卫星转播建设独立的广域网。无线网络将使网络技术更广泛的应用于各个领域，是网络化进程中的重要一环。八、总结四周的实验中，从中得到了很多的收获。毕竟刚刚接触matlab编程，在这期间还是遇到了很多困难的，有很多疑难杂症急需解决。通过小组讨论与利用互联网资源，都逐一解决了。其中印象较为深刻的就是MatLab的GUI编程，在这之前从未接触过，此刻发现它的画图的功能很强大，用它做圆图的设计非常的方便。通过做这个程序，也加深了微波课上所学到的理论知识，巩固了很多比较复杂的公式。也同时锻炼我的自主学习能力以及动手能力。由于这个程序大部分不是自己编写的，所以要在编写前，首先就是要读懂程序的代码，理解程序的整体思路，才能改编成自己的。故在此步骤中，我查阅了很多的资料，百度了很多的程序语句是什么用处，受益匪浅。附录： 1源程序（包括调试程序）function varargout = lbj(varargin)% LBJ M-file for lbj.fig% LBJ, by itself, creates a new LBJ or raises the existing% singleton*.% H = LBJ returns the handle to a new LBJ or the handle to% the existing singleton*.% LBJ(CALLBACK,hObject,eventData,handles,.) calls the local% function named CALLBACK in LBJ.M with the given input arguments.% LBJ(Property,Value,.) creates a new LBJ or raises the% existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are% applied to the GUI before Smithwo_OpeningFunction gets called. An% unrecognized property name or invalid value makes property application% stop. All inputs are passed to lbj_OpeningFcn via varargin.% *See GUI Options on GUIDEs Tools menu. Choose GUI allows only one% instance to run (singleton).% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES % Copyright 2002-2003 The MathWorks, Inc. % Edit the above text to modify the response to help lbj % Last Modified by GUIDE v2.5 17-Jun-2014 20:48:17 % Begin initialization code - DO NOT EDITgui_Singleton = 1;gui_State = struct(gui_Name, mfilename, . gui_Singleton, gui_Singleton, . gui_OpeningFcn, lbj_OpeningFcn, . gui_OutputFcn, lbj_OutputFcn, . gui_LayoutFcn, , . gui_Callback, );if nargin & ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1);end if nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);end% End initialization code - DO NOT EDIT % - Executes just before lbj is made visible.function lbj_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)% This function has no output args, see OutputFcn.% hObject handle to figure% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)% varargin command line arguments to lbj (see VARARGIN)global h1 h2 h3 h4 h5 h6 Sm I X Y;%定义全局变量I=1;h1=handles.real_edit;h2=handles.image_edit;h3=handles.absolute;h4=handles.phase;h5=handles.K_text;h6=handles.P_text;Sm=handles.Smith;set(gcf,WindowButtonMotionFcn,Mouse);Draw_Background;set(handles.Smith,Color,get(handles.figure1,color);set(handles.Smith,XColor,get(handles.figure1,color);set(handles.Smith,YColor,get(handles.figure1,color); % Choose default command line output for lbjhandles.output = hObject; % Update handles structureguidata(hObject, handles); % UIWAIT makes lbj wait for user response (see UIRESUME)% uiwait(handles.figure1); % - Outputs from this function are returned to the command line.function varargout = lbj_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) % varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);% hObject handle to figure% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Get default command line output from handles structurevarargout1 = handles.output; % Draw a circle with the pole at (x0,y0) and a radius rfunction Draw_Circle(x0,y0,r,color) %画圆的函数t=0:0.01:2*pi;x=x0+cos(t)*r;y=y0+sin(t)*r;plot(x,y,-,color,color,HitTest,off); % Draw an archfunction Draw_Arch(x0,y0,color)% 画弧的函数if(x0 = 1) if y00 a=2*atan(-(y0+1)/(y0-1); if a0 t1=a; else t1=2*pi+a; end t2=1.5*pi; else t1=0.5*pi; t2=pi-2*atan(y0+1)/(y0-1); end t=t1:0.01:t2; x=x0+cos(t)*abs(y0); y=y0+sin(t)*abs(y0); plot(x,y,-,color,color,HitTest,off);elseif(x0 = -1) if y00 a=2*atan(-(y0+1)/(y0-1); if a0 t1=a; else t1=2*pi+a; end t2=1.5*pi; else t1=0.5*pi; t2=pi-2*atan(y0+1)/(y0-1); end t=t1:0.01:t2; x=x0-cos(t)*abs(y0); y=y0+sin(t)*abs(y0); plot(x,y,-,color,color,HitTest,off);end function Draw_Background %初始化背景的函数global Sm;subplot(Sm);hold on;plot(-1 1,0 0,-,color,0.6 0.6 0.6,HitTest,off);hold on; Draw_Circle(0,0,1,0.6 0.6 0.6);hold on; Draw_Circle(0.25/(0.25+1),0,1/(0.25+1),0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Circle(0.5/(0.5+1),0,1/(0.5+1),0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Circle(1/(1+1),0,1/(1+1),0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Circle(2/(2+1),0,1/(2+1),0.6 0.6 0.6);hold on; Draw_Circle(-0.25/(0.25+1),0,1/(0.25+1),0.7 0.7 0.7);hold on;Draw_Circle(-0.5/(0.5+1),0,1/(0.5+1),0.7 0.7 0.7);hold on;Draw_Circle(-1/(1+1),0,1/(1+1),0.7 0.7 0.7);hold on;Draw_Circle(-2/(2+1),0,1/(2+1),0.7 0.7 0.7);hold on; Draw_Arch(1,1/0.2,0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Arch(1,1/0.5,0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Arch(-1,-1/0.8,0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Arch(1,1/1,0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Arch(1,1/1.5,0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Arch(-1,-1/1.5,0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Arch(1,1/4,0.6 0.6 0.6);hold on; Draw_Arch(1,-2,0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Arch(-1,-1/0.8,0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Arch(1,-1/1,0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Arch(1,-1/1.5,0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Arch(-1,-1/2,0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Arch(1,-1/4,0.6 0.6 0.6);hold on; Draw_Arch(1,1/0.2,0.6 0.6 0.6);hold on;Draw_Arch(-1,1/0.5,0.7 0.7 0.7);hold on;Draw_Arch(-1,-1/0.8,0.7 0.7 0.7);hold on;Draw_Arch(-1,1/1,0.7 0.7 0.7);hold on;Draw_Arch(-1,1/1.5,0.7 0.7 0.7);hold on;Draw_Arch(-1,-1/2,0.7 0.7 0.7);hold on;Draw_Arch(-1,1/4,0.7 0.7 0.7);hold on; Draw_Arch(-1,-2,0.7 0.7 0.7);hold on;Draw_Arch(-1,-1/0.8,0.7 0.7 0.7);hold on;Draw_Arch(-1,-1/1,0.7 0.7 0.7);hold on;Draw_Arch(-1,-1/1.5,0.7 0.7 0.7);hold on;Draw_Arch(-1,-1/2,0.7 0.7 0.7);hold on;Draw_Arch(-1,-1/4,0.7 0.7 0.7);hold on; X=0.2 0.5 0.8 1 1.5 2 4;R=0.25 0.5 1 2;Text_Color=0.5 0 0;for rr=R xc=rr/(1+rr); % x position of the center rd=1/(1+rr); % radius of the circle text(xc-rd,0,num2str(rr,%.2f), . horizontalalignment,left,VerticalAlignment,bottom,. color,Text_Color,Rotation,90,HitTest,off);end; for xx=X alpha_xx= 2*atan(1/xx); text(1.1*cos(alpha_xx),1.1*sin(alpha_xx),num2str(xx,+%.1f), . horizontalalignment,center,VerticalAlignment,middle,. color,Text_Color,HitTest,off); text(1.1*cos(alpha_xx),-1.1*sin(alpha_xx),num2str(xx,-%.1f), . horizontalalignment,center,VerticalAlignment,middle,. color,Text_Color,HitTest,off);end; text(-1.1,0,0.0, . horizontalalignment,center,VerticalAlignment,middle,. color,Text_Color,HitTest,off);text(1.1,0,infty, . horizontalalignment,center,VerticalAlignment,middle,. color,Text_Color,HitTest,off);axis image; function real_edit_Callback(hObject, eventdata, handles)%激活计算实部的回调函数% hObject handle to real_edit (see GCBO)% eventdata reserved -