基于MATLAB GUI 平台的数字微波工程设计【摘 要】数字微波工程设计是一项繁重复杂的工作，为减少设计人员工作量，实现自动化设计，开发了一个数字微波工程设计平台。
该平台基于MATLAB GUI 编程，通过路径信息分析、天线高度设计、性能指标估算等一系列功能模块实现了高效可靠的数字微波工程设计。
本文对平台的总体设计和具体实现进行了详细的阐述。
实践证明平台简便实用，对数字微波通信系统的工程设计具有较强的指导作用。
【关键词】数字微波，工程设计，MATLAB GUI 【中图分类号】 TN925+.91【文献标识码】 B 【本文献信息】张欣， 王三山，艾杰.基于MATLAB GUI 平台的数字微波工程设计[J].广播与电视技术，2014,Vol.41(10).Design of Digital Microwave Engineering Based on MATLAB GUI PlatformZHANG Xin, WANG Sanshan, AI Jie（Wireless Transmission Center of Henan Province, Henan 450003, China ）Abstract Engineering design of digital microwave is a heavy and complex work. In order to reduce the workload of designers and realize theautomatic design, an engineering design platform of digital microwave is developed. Base on MATLAB GUI programming, the platform achieves effi cient and reliable engineering design of digital microwave by a series of function modules, such as path analysis, antenna height design, performance estimation and so on. The general design and implementation of the platform are elaborated in this paper. Application proves the convenience and practicability of the platform, which would be a helpful guidance for engineering design of digital microwave communication system.Keywords Digital microwave, Engineering design, MATLAB GUI张欣， 王三山，艾杰（河南省无线发射传输管理中心,河南 450003）0 引言随着通信技术的飞速发展，融合微波技术和数字技术诸多优点的数字微波已经成为现代通信网络中重要的传输工具，特别是在专网、移动网和宽带数据网中，数字微波的应用日益广泛[1][2]。
需求的增长对工程设计提出了更高的要求，如何高效而且高质量地完成繁重复杂的数字微波工程设计，成为摆在设计人员面前的现实问题。
MATLAB 是Mathworks 公司推出的一款功能强大的数学软件，具有强大的科学计算和图形显示能力，为科学研开发Android 系统手机远程监控客户端，开发GSM 短信报警等等，让多路卫星电视信号频谱监测系统成为保障卫星广播电视安全播出的利器。
参考文献［1］陈燕莉.卫星频谱综合监测和干扰识别系统的设计与实现[J ].广播与电视技术, 2013（9）：118-122.［2］刘洪才.广播电视卫星数字传输技术[M ].北京：中国广播电视出版社,2003.［3］车晴，张文杰，王晶玲.数字卫星广播与微波技术[M ].北京：中国广播电视出版社,2004.作者简介：黄展刚，男，1977年生，大学本科学历，广电工程师，主要从事广播电视卫星传输技术、计算机科学与技术方面的研究。
究、工程设计及众多学科领域提供一种简洁、高效的编程工具，在图像处理、控制设计、信号检测、金融建模设计等领域均得到广泛应用[3][4]。
本文基于MATLAB GUI(Graphic User Interface，图形用户界面)编程，创新开发了数字微波工程设计平台，实现了简洁友好、功能齐全的人机交互界面，为数字微波工程设计人员提供了一个又快又准的设计辅助工具。
1 平台总体设计1.1 设计分析数字微波工程设计涉及面极广，除微波系统本身的电波传播设计，还包括信道组织、监控系统、电源系统、防雷接地、铁塔和土建等辅助设计[5]。
本文所开发的工程设计平台主要针对电波传播设计，这也是数字微波通信系统的基础部分和核心部分。
设计人员在进行数字微波工程设计时通常会有以下感受：1. 电波传播空间具有多样性和时变性[6]，对于每条微波电路都需要进行一个完整的设计过程，以得到个性化配置来适应传播路径的差异。
可以说，数字微波工程设计只可借鉴，不可复制。
2. 数字微波工程设计纷繁芜杂，包括路径分析、天线配置、性能估算在内的许多重要环节都需要大量的公式计算和细致的图上作业，而微波传输理论公式复杂、计算繁琐，图上作业往往需要在抛物面坐标纸上实际绘制[7]，这些因素不仅使设计人员耗时耗神，而且容易造成设计本身分散凌乱。
对于上面两个问题，个人经验会弥补些许不足，但将手和笔解放出来，让设计人员把时间和精力集中在思考和判断上，才是使工程设计高效实用的根本。
基于此，决定开发基于MATLAB GUI的数字微波工程设计平台，该平台需要实现的主要功能有：1. 路径剖面图和电波传播路径图自动绘制；2. 天线高度设计；3. 反射点和余隙计算；4. 电路性能指标分配；5. 性能指标估算及评判；6. 工程配置文件自动生成。
1.2 系统构架在详细的设计分析基础上，构建基于MATLAB GUI的数字微波工程设计平台系统构架，模块框图如图1所示。
与传统的系统构架不同，图1除了在输入输出模块标明清晰的数据流向之外，在主模块上并没有给出更多的数据流向信息，这是因为本文所构建的平台着眼于工程设计，而非一般的信号处理，因此数据流向可根据设计过程中各模块的逻辑关系灵活安排。
平台各模块的功能以及它们之间的基本关联简单说明如下：1. .xls文件输入模块：该模块主要以.xls表格形式记录距离数据、地面海拔高度数据和经纬度数据，为数字微波工程设计平台提供规范的数据输入。
在运行平台进行工程设计之前，包含设计对象相关数据的.xls文件必须按照特定格式提前准备好。
2. 路径信息显示模块：该模块读取.xls文件输入信息，直观显示等效地球半径系数、站点、海拔峰值、站距、地形和气候条件等路径信息，同时在图形显示模块中绘制相应的路径剖面图。
3. 性能指标分配模块：该模块根据设计对象的电路长度和容量将其归为高级、中级或用户级假设参考数字通道，进而参照相关标准进行电路性能指标分配。
性能指标的合理分配是性能评判有效进行的前提。
4. 频率及容量配置模块：该模块实现工作频率和系统容量的配置。
工作频率是设计天线高度所需要的基本参量，系统容量则是计算频率选择性衰落所需要的参量。
5. 天线高度设计模块：该模块是数字微波工程设计平台的核心模块，后续的反射点计算、余隙计算以及性能指标估算等模块均依赖于所设计的天线高度。
为兼顾计算机的自动设计和设计人员的经验设计，采用自动估算加手工调整的方法来实现天线高度设计。
6. 反射点计算模块：该模块只有在完成天线高度设计之后才能正常使用，实现的功能是计算不同等效地球半径系数下的反射点位置，并根据反射面类型自动估算反射系数。
反射点位置和反射系数是影响电波传播路径和反射衰耗的重要参量。
7. 余隙计算模块：该模块只有在完成天线高度设计之后才能正常使用，实现的功能是计算所选位置点上的第一费涅尔半径、自由空间余隙、路径余隙、相对余隙等参量。
8. 性能指标估算模块：该模块对工程设计结果进行性能指标估算，具体分为五个子模块：1) 反射损耗估算模块：主要用于估算反射路径绕射损耗、天线方向性对反射波的损耗、反射波地面损耗等；2) 天馈线估算模块：主要用于估算天线增益和馈线损耗；3) 衰落储备估算模块：这是性能指标估算模块中最重要的子模块，主要用于计算自由空间损耗、无衰落时的路径损耗、平衰落储备等，另外由于该模块的计算涉及天馈线增益、发射功率和最小接收电平等关键性能指标，所以对数字微波天馈线、收发信机以及其它相关部分的设备选型、设备调测甚至后期的设备运维都具有积极的指导作用；4) 雨衰和不可用性模块：主要用于估算降雨衰减、年不可用性等；5) 中断率估算模块：主要用于估算平衰落、选择性衰落、系统中断率、分集配置等。
9. 性能评判模块：该模块运行在性能指标分配和性能指标估算完成以后，实现的功能是判断年不可用性和系统中断率是否满足设计要求。
若满足，则将设计结果展现在工程配置显示模块当中。
10. 工程配置显示模块：该模块用于显示天线高度、天线俯仰角、天线方位角等工程配置设计结果。
11. .xls文件输出模块：作为数字微波工程设计平台的数据输出模块，该模块以.xls表格形式记录工程配置设计结果，.xls文件的数据写入由平台自动完成。
12. 图形显示模块：该模块配合相关模块完成路径剖面图和电波传播路径图等图形的绘制和显示，其功能实现贯穿在平台运行的始终。
结合以上讨论看出，图1所示的模块布局已尽量考虑了系统构架中各模块之间的逻辑关系，基本遵照了先上后下、先左后右的布局原则。
2 平台具体实现2.1 实现步骤MATLAB GUI提供了两种开发方式供选择[8]：使用.ml 文件动态添加控件、使用自带的GUIDE工具创建GUI界面。
GUIDE作为一种可视化编辑方法具有快速直观的优点，但.m 文件动态添加控件的灵活性和可复用性是GUIDE无法比拟的。
经过比较，选择.m文件的方法来进行平台的开发，这意味着所有的命令行都需要手工输入，巨大的代码量使得程序结构的合理安排显得尤为重要。
为了清晰有序地完成代码编写，参照C、C++等编程方法[9][10]，采用主程序加子函数的结构来进行MATLAB编程，其中主程序相当于C、C++的main 函数，用来完成GUI界面布局，子函数则用来完成控件的计算和绘图，一个或多个控件组合完成系统构架的各模块功能，进而整合实现平台的总体功能。