Matlab/Simulink 軟件在“高頻電子線路”輔助教學中的應用

陳 艷

（南京理工大學紫金學院，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的一門重要專業基礎課程，該課程以無線通信系統為研究對象，主要研究無線通信系統里發送和接收設備各單元電路。這門課的先修課程有電路、信號與系統、模擬電子線路，后續課程有通信原理、移動通信，是專業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，學生普遍反映難以理解與掌握。為提高教學質量與效果，需對這門課進行課程教學改革，當前的教學改革主要集中在理論教學、實驗教學和仿真輔助教學等幾個方面。理論教學方面有基于關鍵詞和知識點網絡的總結方法[1]，從基本功能單元電路內容、跟蹤新器件和新技術的內容、公共需求內容等3個方面對教學內容做相應調整，并對不同的重點與難點內容做不同處理等[2]。實踐教學方面，將實踐性教學環節分為3部分，即基礎實驗、課程設計與畢業設計、創新基地[2]；在理論講授課程中同步內嵌實驗課[3]；對高頻電子線路實驗課程做相應的調整與改革等[4]。仿真輔助教學有將仿真軟件Multisim應用于“高頻電子線路”的課堂教學和實驗[5]，引入一種結合LabVIEW和Multisim的“高頻電子線路”可視化課程教學方法等[6]。本文以普通調幅（AM）、雙邊帶調幅（DSB-AM）為例，將聲音信號與基于Matlab/Simulink仿真軟件的可視化教學方法應用到“高頻電子線路”的教學中，使學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實驗的局限。

1 AM、DSB-AM的調制解調原理

1.1 AM的調制解調原理

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

圖1 AM調制的一般模型

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

從（2）式可知，單頻調制下的AM信號改變的是載波的幅度，其幅度隨調制信號成線性變化，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信號的解調常用的有同步檢波與包絡檢波兩種方法，現以同步檢波為例說明AM的解調原理。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)為解調后的輸出信號。

圖2 AM同步檢波模型

1.2 DSB-AM的調制解調原理

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

圖3 DSB-AM調制的一般模型

從（4）式可以看出，單頻調制下的DSB-AM信號其幅度已不隨調制信號成線性變化，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DSB-AM信號特點其解調只能采用同步檢波，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)為解調后的輸出信號。AM、DSB-AM調制的實質都是將調制信號從低頻處搬移到高頻處。

2 基于Matlab/Simulink的AM調制解調系統實現

為加深學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習中。根據AM調制解調原理框圖建立AM調制解調系統的仿真模型如圖5所示。

圖5 AM調制解調系統的仿真模型

其中調制信號m(t)=UΩmcosΩt由Sine Wave模塊產生，設定信號頻率為1kHz；外加的直流分量A0由Constant模塊產生，設定為2；載波Ucmcosωct與同步載波信號(t)由Sine Wave1模塊產生，設定信號頻率為10kHz；信道由AWGN Channel模塊產生，設定信噪比為10dB；Analog Filter Design模塊作為帶通濾波器，濾除經信道的帶外噪聲，設定帶通范圍為8.5kHz～11.5kHz；Analog Filter Design1模塊作為低通濾波器，設定其截止頻率為1kHz，合理設置參數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制信號、載波信號、已調信號、經過高斯信道的已調信號、經帶通濾波的信號、同步檢波后的信號，從波形圖可直觀地看出已調信號的幅度隨調制信號呈線性變化，解調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制信號頻譜、載波信號頻譜、已調信號頻譜，從頻譜圖可直觀看出經過調制后調制信號頻譜被搬移到載頻的兩邊實現了調制過程。

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調制系統仿真實現

為加深學生對知識點的進一步理解，將聲音信號引入到“高頻電子線路”的課程教學中[8]。現以DSB-AM調制系統為例說明。

在實際教學中錄一段聲音信號作為調制信號，其波形與頻譜圖如圖8所示。

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

圖8 調制信號波形與頻譜圖。

圖9 已調信號波形與頻譜圖。

4 結束語

本文借助Matlab/Simulink可視化工具與聲音信號對“高頻電子線路”課程進行輔助教學，主要仿真分析了AM、DSB-AM調制系統的實現，在實際教學中發現采用此種教學模式較以往的純理論教學更能激發學生的學習興趣，教學效果得到提高。在今后的教學中可將此教學模式引入到其他知識點的教學中。

[1]尹霄麗，桑紅慶.“高頻電子線路”課程知識點總結與教學實踐[J].北京郵電大學學報（社會科學版），2015，17(5):76-80.

[2]陶丹，胡健，陳后金.高頻電子線路課程的教學模式探索[J].電氣電子教學學報，2015，37(5):55-57.

[3]尹霄麗，牛澤群.“高頻電子線路”理論課內嵌實驗的探討[J].電氣電子教學學報，2016，38(3):116-119.

[4]吳憲祥，郭寶龍，朱娟娟，等.“高頻電子線路實驗”課程教學改革與探索[J].電氣電子教學學報，2015，37(1):26-28.

[5]胡昭華，吳佑林.基于Multisim的“高頻電子線路”教學研究[J].電氣電子教學學報，2010，32(6):116-117，120.

[6]劉玉龍，李曉輝，劉乃安，等.“高頻電子線路”可視化教學方法研究[J].電氣電子教學學報，2016，38(2):102-105.

[7]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系統建模與仿真實例分析[M].北京：清華大學出版社，2008.

[8]龐勇，韓萍，倪育德,等.基于聲音信號的“信號與系統”教學方法研究[J].電氣電子教學學報，2013，35(1):109-111.