虚拟信号发生器仿真系统

资 源 简 介

该项目是一个基于MATLAB GUI开发的集成化虚拟信号发生平台，旨在为科研、教学及工程调试提供灵活的波形生成与处理工具。

详 情 说 明

虚拟信号发生器仿真系统 - 项目说明文档

项目介绍

本项目是一个基于 MATLAB 开发的集成化虚拟信号发生平台，专为科研实验、教学演示及工程调试设计。通过高度直观的图形用户界面（GUI），用户可以实时生成、处理并分析多种波形，实现信号的数学运算与动态可视化输出。系统集成了信号合成、参数配置、统计分析及频谱特征提取等功能，为用户研究信号特性提供了一个便捷的仿真环境。

功能特性

1. 多类型信号源生成：支持正弦波、方波、三角波、锯齿波及高斯白噪声五种基础信号的生成。
2. 双通道参数独立配置：用户可分别对信号 A 与信号 B 的幅度、频率、相位及波形类型进行精确调节。
3. 复杂信号运算处理：支持四种运算模式，包括单一信号展示、信号叠加、幅度调制（AM）以及信号点乘运算。
4. 实时噪声与偏移仿真：允许在合成信号中加入可控的直流偏移及指定方差的随机噪声。
5. 多维动态可视化：通过三个独立的坐标系实时对比显示信号 A、信号 B 以及最终运算结果。
6. 详尽的统计时频分析：自动计算信号的均值、方差、均方根（RMS）、峰峰值、采样点数及通过功率谱估计得出的主频成分。

实现逻辑与功能细节

程序的逻辑架构分为初始化界面、波形生成算法、信号处理逻辑及统计更新四个核心模块：

1. 界面设计逻辑 系统采用栅格布局管理（uigridlayout），将界面划分为三个功能区：

• 控制面板：位于左侧，包含下拉菜单（uidropdown）和数值编辑框（uieditfield），用于交互式输入。
• 绘图区域：位于右侧，由三个坐标轴（uiaxes）构成，分别负责分量信号与结果信号的瀑布流绘制。
• 统计面板：位于底部，采用只读文本域展示实时计算的信号指标。

2. 波形生成算法 系统在内部定义了波形合成逻辑，根据用户选择执行不同的数学计算：

• 正弦波：基于标准三角函数计算。
• 方波：利用 sign 函数对正弦信号进行符号提取。
• 三角波：通过反正弦与正弦函数组合实现平滑转折。
• 锯齿波：通过线性时间序列减去其向下取整值（floor），结合相位偏移算法实现周期性线性爬升。
• 白噪声：利用正态分布随机数生成器产生。

3. 信号运算与合成逻辑 信号处理模块接收两个基础信号，并执行以下逻辑：

• 叠加模式：将信号 A 与信号 B 在时域进行线性相加。
• 幅度调制（AM）：将信号 B 作为调制波，信号 A 作为载波，执行 (1 + yB) .* yA 的运算。
• 乘法模式：对两个信号序列进行点对点的乘法运算。
• 后处理：在最终结果上累加直流分量，并叠加基于指定方差生成的随机噪声序列。

4. 统计指标计算 系统在每次生成波形时同步运行后台计算：

• 时域指标：计算常规统计量，其中均方根值通过自定义函数实现。
• 频域指标：内置了简易版功率谱估计逻辑，通过快速傅里叶变换（FFT）计算功率谱密度，寻找能量最强的频率点作为主频成分。

关键函数与算法分析

• 信号合成函数：采用条件分支结构，将波形选择与数学模型解耦，确保了生成波形的相位连续性。
• 自定义功率谱估计算法：为了脱离特定的工具箱限制，程序手动实现了 FFT 变换、双边谱转单边谱以及归一化处理。该算法通过计算 N 点实信号的模值平方，并提取 0 到 Fs/2 范围内的频谱，精确定位信号的能量中心。
• 动态刷新机制：通过回调函数触发数据流更新，每次点击按钮都会重新计算 0.5 秒时长内的所有样点，并强制刷新坐标轴轨迹。

使用方法

1. 配置参数：在左侧控制面板中选择信号 A 和信号 B 的波形类型，输入所需的幅度、频率和相位。
2. 设置环境：输入采样频率（Fs），并根据需要设定直流偏移或噪声强度。
3. 选择运算：在“运算模式”下拉菜单中选择如何合并这两个信号。
4. 生成结果：点击“生成并更新波形”按钮，系统将立即在右侧绘制三组波形，并在下方显示详细的统计参数报告。

系统要求

• MATLAB R2020a 或更高版本（需支持 App Designer 相关 UI 组件）。
• 无需额外安装信号处理工具箱（系统已内置兼容性核心算法）。