专业工具箱

信号处理工具箱

基于科学计算与系统建模仿真基础平台，遵循Modelica与Julia语言及模型/函数开发规范，开展信号处理类工具箱开发，内容涉及到函数库、框图库以及APP实现。其中工具箱开发内容包括：基础信号处理工具箱、DSP系统工具箱、小波工具箱、雷达工具箱、相控阵系统工具箱，可用以满足各类领域及行业中关于信号处理与分析需求。

（1）基础信号处理工具箱

基础信号处理工具箱，用来分析、预处理及提取均匀和非均匀采样信号的特征。可用于滤波器设计和分析、重新采样、平滑处理、去趋势和功率谱估计。同时提供了提取特征（如变化点和包络）、寻找波峰和信号模式、量化信号相似性以及执行SNR和失真等测量的功能。

具体内容包括：

1. 信号分析和可视化：使用信号分析器来可视化、预处理和探查信号；
2. 信号生成和预处理：对信号进行创建、重采样、平滑、去噪和去趋势处理；
3. 测量和特征提取：波峰、信号统计、脉冲和瞬态指标、功率、带宽、失真；
4. 变换、相关性和建模：互相关、自相关、傅里叶、DCT、Hilbert、Goertzel、参数化建模、线性预测编码；
5. 数字和模拟滤波器：FIR和IIR、单速率和多速率滤波器设计、分析和实现；
6. 频谱分析：功率谱、相干性、窗函数；
7. 时频分析：频谱图、同步压缩、重排、Wigner-Ville、时频边缘、数据自适应方法。

（2）DSP系统工具箱

DSP系统工具箱，用于满足信号处理系统的设计、仿真与分析，其组成包括：信号产生、处理与分析，滤波器设计与分析，滤波器实现，变换与谱分析，统计学和线性代数等功能函数。可用于在时域和频域进行分析、测量及显示信号，设计与分析包括FIR、IIR、单速率、多速率、多级滤波器，同时提供傅立叶变换，离散余弦变换，谱分析，线性预测等常用变换和分析方式，可以满足变量、数据文件或来自网络的仿真。

具体研究内容包括：

1. 信号产生、处理和分析：创建、导入、导出、显示和操作信号；
2. 滤波器设计与分析：FIR，IIR，频率变换；
3. 滤波器实现：单速率、多速率和自适应滤波器；
4. 变换与谱分析：傅立叶变换，离散余弦变换，谱分析，线性预测；
5. 统计学与线性代数：测量、统计学、矩阵数学、线性代数。

（3）小波工具箱

小波工具箱提供用于分析和合成信号和图像的应用程序和功能。可以检测异常、变化点和瞬变等事件，并对数据进行降噪和压缩。小波和其他多尺度技术可用于分析不同时间和频率分辨率的数据，并将信号和图像分解为不同的分量。可以使用小波技术来降低维数并从信号和图像中提取区分特征来训练机器学习模型。该工具箱包括用于连续和离散小波分析、小波包分析、多分辨率分析、小波去噪和其他多尺度分析的算法。

具体研究内容包括：

1. 时频分析：CWT、常数 Q 变换、经验模态分解、小波相干性、小波互谱；
2. 离散多分辨率分析：DWT、MODWT、双树小波变换、剪切波、小波包、多信号分析；
3. 去噪和压缩：图像压缩、非参数回归、块阈值、多信号阈值；
4. 滤波器组：正交和双正交小波和缩放滤波器以及lifting小波变换。

（4）雷达工具箱

雷达工具箱可用于多功能雷达系统的设计、仿真、分析和测试，并且提供了机载，地面，舰载和汽车雷达系统的参考示例，该工具箱支持多种工作流程，包括需求分析，设计，部署和现场数据分析，包括发射、接收、传播通道、目标、干扰和杂波的模型，可以使用概率模型和I/Q信号级别模型来模拟处于不同抽象级别的雷达，也可以使用工具箱中提供的信号和数据处理算法处理从这些模型或从雷达系统收集的数据，亦可设计在拥挤的RF共享频谱环境中运行的认知雷达。对于汽车应用，该工具箱可以提供概率和基于物理水平上对雷达传感器进行建模，并模拟数据，包括微多普勒特征和对象列表。

具体研究内容包括：

1. 雷达系统工程：雷达方程、环境和系统损耗、检测和跟踪统计、合成孔径雷达（SAR）、性能指标；
2. 场景生成：机载、陆基和舰载平台、地面真轨迹、战情；
3. 数据合成：模拟雷达传感器，生成信号、探测和跟踪，模拟传播通道、杂波、目标RCS和微多普勒特征；
4. 信号和数据处理：创建波形库，估计探测范围、角度和多普勒，执行探测的聚类和跟踪，执行搜索和跟踪。

（5）相控阵系统工具箱

相控阵系统工具箱提供算法和应用程序，用于设计和仿真无线通信、雷达、声纳、声学和医学成像应用中的传感器阵列和波束成形系统。您可以对主动数组和被动数组（包括子数组和任意几何图形）的行为进行建模和分析。仿真信号可以通过这些阵列发送和接收，用于波束成形和信号处理算法设计。

控制系统工具箱

控制系统工具箱计划在实现控制系统分析、基于经典/现代控制理论的控制律设计两大主体功能的基础上，进一步实现（基于模型的）控制器设计工具、鲁棒控制工具、系统辨识工具以及（基于模型的控制器）设计优化工具。

（1）控制系统工具

控制系统工具主要处理以传递函数为主要特征的经典控制和以状态空间为主要特征的现代控制中的问题。该工具箱对控制系统，尤其是LTI线性时不变系统的建模、分析和设计提供了一个完整的解决方案。具体功能包括：

1. 控制系统定义与建模。支持通过脚本或命令的方式建立系统的状态空间、传递函数、零极点增益模型，并可实现任意两者之间的转换，并支持通过串联、并联、反馈连接以及更一般的框图建模来建立复杂系统的模型；同时可通过多种方式实现连续时间系统的离散化、离散时间系统的连续化及重采样；
2. 控制系统分析。针对所创建的控制系统模型，支持对系统进行频域分析，并支持以Bode图、Nyqusit图、Nichols图进行频率响应的可视化；同时支持系统的时域分析，包括对系统的单位阶跃响应、单位冲激响应、零输入响应以及更为广泛的任意输入信号响应进行计算并通过时域响应图进行结果呈现；
3. 控制系统设计。支持系统各类特性的计算，包括可观和可控矩阵、零极点、Lyapunov方程、频率特性与稳定裕度、阻尼系数、根轨迹等，并在此基础上支持系统的可控、可观标准型实现、系统的最小实现、极点配置、观测器设计、最优控制律设计、根轨迹设计、频率法设计等控制律设计手段。

（2）基于模型的控制器设计工具

基于模型的控制器设计工具在设计输入上区分于控制系统工具，以动态仿真模型作为设计输入，具体支持以下功能：

1. 线性系统时/频域分析及可视化。开发针对线性系统模型的时域分析、频域分析功能，支持将分析的结果通过时/频域的专业绘图进行呈现（阶跃响应图、脉冲响应图、Bode图、Nyquist图、Nichols图等），并支持系统时/频域相关的属性获取与可视化呈现；
2. 非线性系统线性化。针对满足线性化条件的非线性系统模型，实现模型的线性化算法，开发模型线性化模块。在此基础上支持系统的时/频域分析，同时支持系统时/频域相关的属性获取与可视化呈现；
3. 强非线性系统的频率特性估算。针对不满足线性化条件的强非线性系统模型，开发基于时域仿真的频域特性估算模块，并支持对频率特性估算结果的专业绘图可视化及属性获取；
4. 基于根轨迹法的控制律设计。开发计算并绘制线性系统根轨迹图的功能，实现在根轨迹图中进行设计，即通过添加/删除/编辑零极点、改变开环增益的方式，以图示化的方式设计系统的校正环节，并能将基于图形化的校正环节设计结果转化为数学模型，以方便后续的模型调用；
5. 基于频域法的控制律设计。实现在频率响应图中进行设计，即通过添加/删除/编辑零极点、改变开环增益的方式，以图示化的方式设计系统的控制律；并能将基于图形化的控制律设计结果转化为数学模型，以方便后续的模型调用。

（3）鲁棒控制工具

鲁棒控制工具提供用于在存在对象不确定性的情况下分析和调整控制系统性能和稳健性功能和模块。支持H∞与μ综合工具设计控制器，以最大限度地提高稳健性和性能。具体包括以下功能：

1. 支持不确定系统表示。支持针对具有不确定参数或难以进行机理建模的系统描述；
2. 支持不确定系统分析。支持对不确定系统的稳定性和性能统计及最坏情况分析；
3. 支持鲁棒控制器设计。支持针对不确定系统的频域MIMO控制器设计等；
4. 支持模型与控制器的简化。支持对象模型和综合控制器的降阶处理；
5. 提供线性矩阵不等式LMI求解器。

（4）系统辨识工具

系统辨识工具支持基于测得的输入/输出数据构造动态系统的数学模型。可使用时域和频域输入/输出数据来确定连续时间和离散时间传递函数、过程模型和状态-空间模型。该工具箱提供了极大似然、预测误差最小化(PEM)、子空间系统辨识等辨识方法。具体功能包括以下：

1. 提供参数模型辨识功能。包括AR、ARX、状态空间和输出误差等模型类的辨识功能；
2. 提供非参数模型辨识功能；
3. 提供模型验证功能。支持对辨识模型进行仿真并将真实输出数据与模型预测数据进行比较、计算相应的残差；
4. 提供递推参数估计功能。针对各种参数模型，支持利用递推估计方法获得模型参数；
5. 支持各模型类的建立与转换函数；

提供界面UI。以图形交互方式提供模型类的选择和建立，输入输出数据的加载和与处理，以及模型的估计等功能。

（5）基于模型的设计优化工具

支持基于模型的多目标优化。针对既定模型中的目标信号，支持为其设定优化目标集、调整参数集、优化目标函数、迭代选项等，基于这些限制条件，通过合适的优化算法进行目标优化。

射频与混合信号工具箱

（1）RF工具箱

提供用于设计、建模、分析和可视化射频 (RF) 组件网络的函数、对象和应用程序。该工具箱支持无线通信、雷达和信号完整性应用。支持构建 RF 组件网络，例如滤波器、传输线、匹配网络、放大器和混频器；支持使用Touchstone 文件、网络参数或物理属性等测量数据指定组件；提供用于分析、操作和可视化 RF 数据的函数集；支持分析S参数，实现S、Y、Z、T等网络参数之间的转换；支持使用矩形和极坐标图以及Smith 图表可视化RF数据；可以嵌入、检查和强制执行无源性，以及计算群延迟和相位延迟；支持从噪声、功率和非线性方面分析收发器链，并生成用于电路包络仿真的系统模型；支持对背板、互连和线性组件进行建模，并将它们导出为可视化仿真模块、SPICE网表或 Verilog模块以进行时域仿真。

（2）天线工具箱

提供用于天线元件和阵列的设计、分析和可视化的功能和应用程序。该工具箱支持使用具有参数化几何、任意平面结构或用STL文件描述的自定义3D结构的预定义元素来设计独立天线和构建天线阵列；支持使用电磁求解器来计算阻抗、电流分布、效率以及近场和远场辐射模式；支持使用手动方法或使用工具箱中提供的优化方法，来改进天线设计；支持将天线阵列模式集成到无线系统中，模拟波束成形和波束控制算法；支持将天线安装在车辆或飞机等大型平台上，分析结构对天线性能的影响；提供站点查看器，可使用各种传播模型（包括射线追踪）在3D地形图上可视化天线覆盖范围。

（3）混合信号工具箱

提供用于设计和验证混合信号集成电路 (IC) 的组件和损伤模型、分析工具和测试台。支持在不同的抽象级别对PLL、数据转换器和其他系统进行建模；这些模型可用于仿真混合信号组件以及复杂的 DSP算法和控制逻辑；支持自定义模型以包含噪声、非线性、抖动和量化效果等损伤；支持使用可变步长求解器进行快速系统级仿真，而无需开展晶体管级仿真；提供混合信号可视化程序，对混合信号数据进行分析、识别趋势和可视化；支持导入SPICE网表，并使用从IC 设计中提取的寄生元件创建或修改线性、时不变电路；提供仿真结果的后处理分析功能，以验证规格、拟合特性和报告测量结果。

通信工具箱

基于科学计算与系统建模仿真基础平台，遵循Modelica与Julia语言及模型/函数开发规范，开展通信类工具箱开发，内容涉及到函数库、框图库以及APP实现。其中工具箱开发内容包括：基础通信工具箱、WLAN工具箱、LTE工具箱、5G工具箱，可用于满足基础通信及无线通信分析需求。

（1）基础通信工具箱

基础通信工具箱为通信系统的分析、设计、端到端仿真和验证提供算法和应用程序。工具箱算法（包括信道编码、调制、MIMO和OFDM）能够用于构建和模拟基于标准或定制设计的无线通信系统的物理层模型。工具箱提供了波形发生器、星座图和眼图、误码率以及其他分析工具，用于验证设计。工具支持生成和分析信号，可视化通道特性，并获得性能指标，如误差向量幅度（EVM）。工具箱包括SISO和MIMO统计和空间信道模型。可选的信道配置包括Rayleigh信道、Rician信道和WINNER II信道。还包括射频损伤，包括射频非线性和载波偏移以及补偿算法，包括载波和符号定时同步器。算法可用于链路级建模仿真，并验证补偿信道降级的影响。

具体研究内容包括：

1. 物理层组件：物理层功能包括波形生成、信源编码、误差控制编码、调制、MIMO、空时编码、滤波、均衡和同步；
2. 射频元件建模：射频无线电建模与损伤校正；
3. 传播和信道模型：站点和地形可视化、规范传播模型（包括Longley Rice）、信号强度、信号覆盖图以及静态和衰落信道模型；
4. 测试和测量：波形生成、可视化和性能分析。

汽车工具箱与模型库

基于科学计算与系统建模仿真基础平台，遵循Modelica与Julia语言及模型/函数开发规范，开展车辆行业专业工具箱开发，建设基于模型的标定工具箱，可用于满足车辆行业设计验证分析需求。

（1）基于模型的标定工具箱

工具箱支持基于试验数据的模型未知参数标定。根据系统的试验数据，可以选择相关的待标定参数集，通过设定的目标函数进行匹配迭代，最终给出满足要求的参数集。具体包括以下功能：

1. 试验数据导入与关联。支持对各类试验数据的导入，同时支持将试验数据与变量进行关联；
2. 标定参数集设置。支持从模型变量树中选择待优化的参数形成参数集；
3. 支持优化设置。支持设置寻优选项，包括迭代算法、迭代步数、误差范围等选项；
4. 标定结果评价。支持以最小二乘或极大似然的方式对标定的参数结果进行评价。

（2）热管理模型库

1. 模型库包括热管理系统组件，如冷凝器、蒸发器、管道、膨胀阀、压缩机等；
2. 模型库具备可扩展性，支持用户自定义开发

（3）汽车电子模型库

模型库包括雨刮器模型、座椅模型、车窗模型、门锁模型、门把手模型、后视镜模型、尾门模型、方向盘位置模型、充电盖模型、前舱盖模型、大灯模型、风扇模型、除霜器模型、一般静态负载模型和基于图表的电子负载模型等。模型库具备可扩展性，支持用户自定义开发