Matlab/Simulink 軟件在“高頻電子線路”輔助教學(xué)中的應(yīng)用

陳 艷

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京210046）

“高頻電子線路”是通信工程、電子信息工程等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程以無線通信系統(tǒng)為研究對象，主要研究無線通信系統(tǒng)里發(fā)送和接收設(shè)備各單元電路。這門課的先修課程有電路、信號與系統(tǒng)、模擬電子線路，后續(xù)課程有通信原理、移動通信，是專業(yè)課程體系中具有承上啟下作用的一門課程。該課程理論與實踐性都很強(qiáng)，學(xué)生普遍反映難以理解與掌握。為提高教學(xué)質(zhì)量與效果，需對這門課進(jìn)行課程教學(xué)改革，當(dāng)前的教學(xué)改革主要集中在理論教學(xué)、實驗教學(xué)和仿真輔助教學(xué)等幾個方面。理論教學(xué)方面有基于關(guān)鍵詞和知識點網(wǎng)絡(luò)的總結(jié)方法[1]，從基本功能單元電路內(nèi)容、跟蹤新器件和新技術(shù)的內(nèi)容、公共需求內(nèi)容等3個方面對教學(xué)內(nèi)容做相應(yīng)調(diào)整，并對不同的重點與難點內(nèi)容做不同處理等[2]。實踐教學(xué)方面，將實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)分為3部分，即基礎(chǔ)實驗、課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新基地[2]；在理論講授課程中同步內(nèi)嵌實驗課[3]；對高頻電子線路實驗課程做相應(yīng)的調(diào)整與改革等[4]。仿真輔助教學(xué)有將仿真軟件Multisim應(yīng)用于“高頻電子線路”的課堂教學(xué)和實驗[5]，引入一種結(jié)合LabVIEW和Multisim的“高頻電子線路”可視化課程教學(xué)方法等[6]。本文以普通調(diào)幅（AM）、雙邊帶調(diào)幅（DSB-AM）為例，將聲音信號與基于Matlab/Simulink仿真軟件的可視化教學(xué)方法應(yīng)用到“高頻電子線路”的教學(xué)中，使學(xué)生從視覺與聽覺兩個角度加深對知識點的理解并克服傳統(tǒng)實驗的局限。

1 AM、DSB-AM的調(diào)制解調(diào)原理

1.1 AM的調(diào)制解調(diào)原理

AM調(diào)制模型如圖1所示，其中A0為外加的直流分量，m(t)為調(diào)制信號，Ucmcosωct為載波信號，則產(chǎn)生的AM信號為

圖1 AM調(diào)制的一般模型

為簡化分析現(xiàn)假定調(diào)制信號為單頻信號，即有m(t)=UΩmcosΩt，則AM信號為

從（2）式可知，單頻調(diào)制下的AM信號改變的是載波的幅度，其幅度隨調(diào)制信號成線性變化，其輸出信號中有3個頻率分量：載頻ωc、上邊頻ωc+Ω、下邊頻ωc-Ω。若調(diào)制信號為多頻信號，其輸出信號中將含有載頻與上下兩個邊帶分量。

AM信號的解調(diào)常用的有同步檢波與包絡(luò)檢波兩種方法，現(xiàn)以同步檢波為例說明AM的解調(diào)原理。AM同步檢波的原理如圖2所示。圖中(t)為同步載波信號，uD(t)為解調(diào)后的輸出信號。

圖2 AM同步檢波模型

1.2 DSB-AM的調(diào)制解調(diào)原理

DSB-AM調(diào)制模型如圖3所示，其中m(t)為調(diào)制信號，Ucmcosωct為載波信號，則產(chǎn)生的DSBAM信號：為簡化分析現(xiàn)假定調(diào)制信號為單頻信號，即有m(t)=UΩmcosΩt，則DSB-AM信號：

圖3 DSB-AM調(diào)制的一般模型

從（4）式可以看出，單頻調(diào)制下的DSB-AM信號其幅度已不隨調(diào)制信號成線性變化，其輸出信號中只含有兩個上下邊頻分量：ωc+Ω、ωc-Ω。若調(diào)制信號為多頻信號，其輸出信號中將含有上下兩個邊帶分量。

根據(jù)DSB-AM信號特點其解調(diào)只能采用同步檢波，DSB-AM同步檢波的原理如圖4所示。

圖4 DSB-AM同步檢波模型

圖中(t)為同步載波信號，uD(t)為解調(diào)后的輸出信號。AM、DSB-AM調(diào)制的實質(zhì)都是將調(diào)制信號從低頻處搬移到高頻處。

2 基于Matlab/Simulink的AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)

為加深學(xué)生對上述知識點的理解，將Matlab/Simulink可視化軟件引入到知識點的學(xué)習(xí)中。根據(jù)AM調(diào)制解調(diào)原理框圖建立AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真模型如圖5所示。

圖5 AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真模型

其中調(diào)制信號m(t)=UΩmcosΩt由Sine Wave模塊產(chǎn)生，設(shè)定信號頻率為1kHz；外加的直流分量A0由Constant模塊產(chǎn)生，設(shè)定為2；載波Ucmcosωct與同步載波信號(t)由Sine Wave1模塊產(chǎn)生，設(shè)定信號頻率為10kHz；信道由AWGN Channel模塊產(chǎn)生，設(shè)定信噪比為10dB；Analog Filter Design模塊作為帶通濾波器，濾除經(jīng)信道的帶外噪聲，設(shè)定帶通范圍為8.5kHz～11.5kHz；Analog Filter Design1模塊作為低通濾波器，設(shè)定其截止頻率為1kHz，合理設(shè)置參數(shù)后觀察主要模塊輸出波形及頻譜，分別如圖6、圖7所示。圖6中輸出信號波形自上而下分別是調(diào)制信號、載波信號、已調(diào)信號、經(jīng)過高斯信道的已調(diào)信號、經(jīng)帶通濾波的信號、同步檢波后的信號，從波形圖可直觀地看出已調(diào)信號的幅度隨調(diào)制信號呈線性變化，解調(diào)出的信號與原信號相同，只是因信道衰減而降低。圖7中輸出信號頻譜分別是調(diào)制信號頻譜、載波信號頻譜、已調(diào)信號頻譜，從頻譜圖可直觀看出經(jīng)過調(diào)制后調(diào)制信號頻譜被搬移到載頻的兩邊實現(xiàn)了調(diào)制過程。

圖6 主要模塊的輸出波形

圖7 主要模塊的輸出頻譜。

3 基于聲音信號的DSB-AM調(diào)制系統(tǒng)仿真實現(xiàn)

為加深學(xué)生對知識點的進(jìn)一步理解，將聲音信號引入到“高頻電子線路”的課程教學(xué)中[8]?，F(xiàn)以DSB-AM調(diào)制系統(tǒng)為例說明。

在實際教學(xué)中錄一段聲音信號作為調(diào)制信號，其波形與頻譜圖如圖8所示。

由圖8可知，調(diào)制信號頻率范圍在2kHz以內(nèi)，現(xiàn)對其進(jìn)行DSB-AM調(diào)制，設(shè)定載波頻率為30kHz，則調(diào)制后已調(diào)信號波形與頻譜如圖9所示，其中已調(diào)信號波形截取了其中一部分，由圖可知經(jīng)DSB-AM調(diào)制后不含有載頻，只有兩個上下邊帶分量，表明DSB-AM調(diào)制也能實現(xiàn)將調(diào)制信號搬移到載頻的兩邊這一線性搬移過程。同時觀察調(diào)制信號與已調(diào)信號的聲音特點發(fā)現(xiàn)，已調(diào)信號聲音變得非常尖銳，這主要是因為調(diào)制信號在調(diào)制過程中從低頻搬移到高頻處，這種教學(xué)模式既使學(xué)生直觀理解調(diào)制的物理過程，又讓學(xué)生從聽覺上感受到信號的處理過程。

圖8 調(diào)制信號波形與頻譜圖。

圖9 已調(diào)信號波形與頻譜圖。

4 結(jié)束語

本文借助Matlab/Simulink可視化工具與聲音信號對“高頻電子線路”課程進(jìn)行輔助教學(xué)，主要仿真分析了AM、DSB-AM調(diào)制系統(tǒng)的實現(xiàn)，在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)采用此種教學(xué)模式較以往的純理論教學(xué)更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果得到提高。在今后的教學(xué)中可將此教學(xué)模式引入到其他知識點的教學(xué)中。

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