MATLAB GUI已調(diào)信號(hào)性質(zhì)及調(diào)幅原理分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任亞莉

摘 ?要 高頻電子線路課程中的已調(diào)信號(hào)性質(zhì)及調(diào)幅原理分析，內(nèi)容繁多，畫圖困難，應(yīng)用MATLAB GUI設(shè)計(jì)兩個(gè)動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)。通過GUI界面，從時(shí)域和頻域角度分析調(diào)幅、調(diào)頻與調(diào)相信號(hào)的性質(zhì)以及斬波調(diào)幅和平衡斬波調(diào)幅原理，以交互的方式實(shí)現(xiàn)三種已調(diào)信號(hào)性質(zhì)及調(diào)幅原理動(dòng)態(tài)模擬仿真，將抽象的信號(hào)調(diào)制內(nèi)容直觀化、可視化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 已調(diào)信號(hào);調(diào)幅原理;動(dòng)態(tài)模擬演示;MATLAB GUI

中圖分類號(hào)：G434 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）20-0035-03

Abstract It has many contents and it is difficult to draw pictures in analysis of modulated signal properties and amplitude modulation principle in the course of High-frequency Electronic Circuit. Two dynamic simulation systems are designed by using MATLAB GUI. Three kinds of modulated signal properties and dynamic simulation of amplitude modulation principle are realized in an interactive way through GUI interface. This system can analyze the properties of amplitude modulation， frequency modulation and phase modulation signals as well as the principles of chopper amplitude modulation and balanced chopper amplitude modulation. The abstract signal modulation content is visualized and visualized. It can stimulate stu-dents interest in learning and improve teaching quality.

Key words modulated signal; amplitude modulation principle; dyna-mic simulation system; MATLAB GUI

1 前言

高頻電子線路是電子信息、應(yīng)用電子、通信等專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，是現(xiàn)代通信原理、現(xiàn)代通信技術(shù)、終端維修等課程的前導(dǎo)課程，是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。該課程內(nèi)容多，物理概念抽象，基本原理復(fù)雜，學(xué)習(xí)起來困難，不斷探索新型教學(xué)方法對(duì)該門課程尤其重要。

無線電信號(hào)發(fā)射時(shí)要進(jìn)行調(diào)制，其中連續(xù)波調(diào)制有調(diào)幅、調(diào)頻與調(diào)相三種方式，對(duì)應(yīng)生成調(diào)幅波、調(diào)頻波與調(diào)相波三種已調(diào)信號(hào)。斬波調(diào)幅是調(diào)幅的一種方式，可以得到載波被抑制的雙邊帶信號(hào)。不論是三種已調(diào)信號(hào)性質(zhì)分析，還是斬波調(diào)幅原理分析，課堂講解困難，效率低，學(xué)生難以理解和掌握。應(yīng)用MATLAB GUI設(shè)計(jì)的“已調(diào)信號(hào)性質(zhì)分析動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)”及“斬波調(diào)幅原理分析動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)”，通過GUI直觀界面動(dòng)態(tài)模擬顯示，避免了手工畫圖的煩瑣，而且調(diào)頻波和調(diào)相波的區(qū)別等難點(diǎn)內(nèi)容一目了然，學(xué)生更能輕松、直觀地理解信號(hào)調(diào)制的特點(diǎn)與一般規(guī)律。

2 已調(diào)信號(hào)性質(zhì)分析動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)

系統(tǒng)選擇 ?載波信號(hào)表達(dá)式為7cos（2π×30t），調(diào)制信號(hào)表達(dá)式為cos（2π×Ft），其中F為調(diào)制頻率，可進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)界面如圖1所示，由五部分組成。

1）四個(gè)坐標(biāo)區(qū)，顯示三種已調(diào)信號(hào)時(shí)—頻域波形圖。

2）參數(shù)改變區(qū)，由窗口右上角的“調(diào)制指數(shù)”及“調(diào)制頻率”組成，三種已調(diào)波的調(diào)制指數(shù)由同一個(gè)滑動(dòng)鍵控制，通過三個(gè)按鍵進(jìn)行選擇，其值顯示在對(duì)應(yīng)的上方文本框中。調(diào)制頻率的改變是針對(duì)調(diào)頻、調(diào)相方式的，通過兩個(gè)按鍵進(jìn)行選擇，其值顯示在對(duì)應(yīng)的上方文本框中。

3）參數(shù)計(jì)算區(qū)，由窗口右中間的“參數(shù)計(jì)算”及“塞爾函數(shù)值”組成，其中調(diào)制指數(shù)的計(jì)算是指改變“調(diào)制頻率”時(shí)兩種調(diào)角波的調(diào)制指數(shù)隨調(diào)制頻率的改變情況，調(diào)制指數(shù)的初值是由上方“調(diào)制指數(shù)”文本框中的當(dāng)前值決定，塞爾函數(shù)值的自變量即當(dāng)前計(jì)算的調(diào)制指數(shù)值。

4）圖像保存區(qū)，由窗口左下角四個(gè)按鈕組成，點(diǎn)擊任何一個(gè)按鈕，會(huì)打開一個(gè)“圖像保存”窗口，將對(duì)應(yīng)四個(gè)坐標(biāo)的圖形以jpg形式保存在當(dāng)前目錄中。

5）菜單區(qū)，有“說明文檔”和“操作視頻”兩個(gè)菜單。

系統(tǒng)主要功能

1）改變調(diào)制指數(shù)時(shí)，三種已調(diào)信號(hào)時(shí)域波形及頻譜圖動(dòng)態(tài)變化模擬顯示。

2）改變調(diào)制指數(shù)時(shí)，兩種調(diào)角波瞬時(shí)角頻率及瞬時(shí)相位動(dòng)態(tài)變化模擬顯示。

3）改變調(diào)制頻率時(shí)，兩種調(diào)角波時(shí)域波形及頻譜圖動(dòng)態(tài)變化模擬顯示。

4）改變調(diào)制指數(shù)或調(diào)制頻率時(shí)，三種已調(diào)信號(hào)帶寬、最大頻移及相移等參數(shù)的計(jì)算。

5）0～7階第一類貝塞爾函數(shù)值的計(jì)算。

圖1中，選擇“調(diào)幅”按鍵，通過滑動(dòng)鍵改變調(diào)制指數(shù)，調(diào)制指數(shù)的值顯示在對(duì)應(yīng)的文本框中。隨著調(diào)制指數(shù)改變，在“已調(diào)信號(hào)”和“頻譜圖”兩個(gè)坐標(biāo)中可看到調(diào)幅波時(shí)—頻域圖動(dòng)態(tài)變化情況，當(dāng)調(diào)制指數(shù)為0.7、調(diào)制頻率初值為1 kHz時(shí)，結(jié)果如圖2所示。選擇“調(diào)頻”按鍵，當(dāng)調(diào)制指數(shù)為2、調(diào)制頻率為1 kHz時(shí)，結(jié)果如圖3所示。調(diào)頻波的邊頻分量有無數(shù)多個(gè)，頻譜圖中只顯示振幅不小于未調(diào)制載波振幅10%的邊頻分量，由這些頻譜分量確定的調(diào)頻波頻帶寬度與“參數(shù)計(jì)算”中的帶寬有誤差，“參數(shù)計(jì)算”中的帶寬是完全按照理論公式計(jì)算的結(jié)果。貝塞爾函數(shù)文本框中是頻譜圖中頻譜分量對(duì)應(yīng)的貝塞爾函數(shù)值。

觀察改變“調(diào)制頻率”對(duì)調(diào)相波的影響。在圖3基礎(chǔ)上，調(diào)制指數(shù)值為2時(shí)，選擇“調(diào)制頻率”中的“調(diào)相”按鍵，通過滑動(dòng)鍵改變調(diào)制頻率，調(diào)制指數(shù)（最大相移）與調(diào)制頻率無關(guān)，最大頻移隨調(diào)制指數(shù)正比變化，帶寬變化范圍大，當(dāng)調(diào)制頻率為1.6 kHz時(shí)如圖4所示。需要說明的是，改變調(diào)制指數(shù)或調(diào)制頻率可交叉進(jìn)行，五個(gè)按鍵任意選擇，每次只能有一個(gè)選中，坐標(biāo)中的圖及參數(shù)都和選中的按鍵對(duì)應(yīng)。

3 斬波調(diào)幅原理分析動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)

系統(tǒng)分析了調(diào)制信號(hào)參數(shù)、載波信號(hào)參數(shù)及比例系數(shù)對(duì)調(diào)幅信號(hào)時(shí)域、頻域性質(zhì)的影響及斬波調(diào)幅、平衡斬波調(diào)幅原理，系統(tǒng)界面如圖5所示，由七部分組成。

1）八個(gè)坐標(biāo)區(qū)，左列四個(gè)坐標(biāo)顯示信號(hào)時(shí)域波形圖，右列四個(gè)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)顯示信號(hào)頻域波形圖。

2）功能選擇區(qū)，由窗口右上角“功能選擇”中兩個(gè)按鍵“調(diào)幅波性質(zhì)”和“調(diào)幅原理”進(jìn)行選擇。

3）參數(shù)改變區(qū)，由“調(diào)制信號(hào)參數(shù)”“載波信號(hào)參數(shù)”及“比例系數(shù)”組成，每個(gè)參數(shù)通過單獨(dú)的滑動(dòng)鍵控制，其值顯示在對(duì)應(yīng)的上方文本框中，此時(shí)文本框中是初值。

4）參數(shù)計(jì)算區(qū)，是調(diào)幅度大小的計(jì)算，顯示在“調(diào)幅度”文本框中，初值為0。

5）調(diào)幅類型選擇區(qū)，由兩個(gè)按鍵“斬波調(diào)幅”和“平衡斬波調(diào)幅”進(jìn)行選擇。

6）圖像保存區(qū)，由窗口右下角八個(gè)按鈕組成，點(diǎn)擊任何一個(gè)按鈕會(huì)打開一個(gè)“圖像保存”窗口，將對(duì)應(yīng)八個(gè)坐標(biāo)的圖形以jpg形式保存在當(dāng)前目錄中。圖1～圖4對(duì)應(yīng)右列四個(gè)坐標(biāo)，圖5～圖7對(duì)應(yīng)左列四個(gè)坐標(biāo)。

7）菜單區(qū)，有“說明文檔”和“操作視頻”兩個(gè)菜單。

系統(tǒng)主要功能

1）調(diào)制信號(hào)振幅、角頻率改變時(shí)，調(diào)制信號(hào)、調(diào)幅波振幅及調(diào)幅波時(shí)域波形及頻譜圖動(dòng)態(tài)變化模擬顯示;

2）載波信號(hào)振幅、角頻率改變時(shí)，載波信號(hào)、調(diào)幅波振幅及調(diào)幅波時(shí)域波形及頻譜圖動(dòng)態(tài)變化模擬顯示;

3）比例系數(shù)改變時(shí)，調(diào)幅波振幅及調(diào)幅波時(shí)域波形及頻譜圖動(dòng)態(tài)變化模擬顯示;

4）調(diào)幅度隨調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)振幅及比例系數(shù)改變而動(dòng)態(tài)改變;

5）斬波調(diào)幅和平衡斬波調(diào)幅兩種情況下，調(diào)制信號(hào)振幅、角頻率及載波信號(hào)角頻率改變時(shí)，開關(guān)信號(hào)、斬波信號(hào)及雙邊帶信號(hào)時(shí)域波形及頻譜圖動(dòng)態(tài)變化模擬顯示。

首先觀察各參數(shù)對(duì)調(diào)幅信號(hào)性質(zhì)的影響。圖5中，“功能選擇”中選中“調(diào)幅波性質(zhì)”按鍵，調(diào)整調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)參數(shù)及比例系數(shù)大小，相應(yīng)坐標(biāo)中的時(shí)域、頻域波形動(dòng)態(tài)變化，如圖6所示，此時(shí)調(diào)幅度ma>1，進(jìn)入過量調(diào)幅狀態(tài)。

在圖6中，“功能選擇”中選中“調(diào)幅原理”按鍵，“調(diào)幅類型”中選中“斬波調(diào)幅”按鍵，后六個(gè)坐標(biāo)中的圖自動(dòng)轉(zhuǎn)換為“斬波調(diào)幅”時(shí)當(dāng)前參數(shù)下對(duì)應(yīng)的信號(hào)，如圖7所示，其中雙邊帶信號(hào)是斬波信號(hào)通過帶通濾波器后的輸出。

4 結(jié)語

基于MATLAB GUI功能設(shè)計(jì)的“已調(diào)信號(hào)性質(zhì)及調(diào)幅原理分析”動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，將抽象的信號(hào)調(diào)制內(nèi)容直觀化、可視化，加深了學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解與掌握，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，具有很好的參考和應(yīng)用價(jià)值。系統(tǒng)窗口界面大方，功能齊全，控制精細(xì)，既可在課堂上進(jìn)行理論講解演示，也可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，或提供給學(xué)生自主操作學(xué)習(xí)，教師進(jìn)行答疑與輔導(dǎo)。為確保每個(gè)系統(tǒng)正常順利運(yùn)行，操作時(shí)若未進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)的選擇時(shí)，有相應(yīng)的“信息提示”窗口。為了使系統(tǒng)適應(yīng)不同類型的顯示器，應(yīng)用屏幕適應(yīng)性算法，程序運(yùn)行后，其窗口界面及控件的大小和比例會(huì)保持不變。

為方便學(xué)生學(xué)習(xí)，系統(tǒng)提供了說明文檔和操作視頻：說明文檔是Word文檔，詳細(xì)說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路方法、組成結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)功能及操作方法等;操作視頻是mp4文件，配有語音和字幕，簡單演示該系統(tǒng)的操作方法，可使學(xué)生快速掌握該系統(tǒng)的操作。學(xué)生在使用學(xué)習(xí)過程中可提出自己的修改意見，使系統(tǒng)不斷得到完善和補(bǔ)充，切實(shí)感受到可視化教學(xué)過程，積極參與教學(xué)過程，從灌輸課堂向?qū)υ捳n堂轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)

[1]張肅文.高頻電子線路[M].5版.北京：高等教育出版社，2011.

[2]舒若，郭曉菲.Matlab對(duì)高頻電子線路的教學(xué)促進(jìn)[J].教育教學(xué)論壇，2016（13）：161-162.

[3]王雯.高頻電子線路中調(diào)制的仿真[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017（14）：38-39.

[4]陳艷.Matlab/Simulink軟件在“高頻電子線路”輔助教學(xué)中的應(yīng)用[J].安慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（2）：115-118.

[5]張?jiān)孪?新工科背景下高頻電子線路課程改革研究[J].當(dāng)代教育實(shí)踐與教學(xué)研究，2020（4）：97-98.

[6]侯文靜，王淑嬌.新工科背景下《高頻電子線路》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革的研究[J].電子世界，2020（6）：106.

[7]李健，常紅霞，魯業(yè)頻.高頻電子線路仿真教學(xué)改革研究：以調(diào)幅及其解調(diào)為例[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019（8）：153-154.

[8]蔣珉.MATLAB程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2015.