MATLAB GUI已調信號性質及調幅原理分析系統設計

任亞莉

摘 ?要 高頻電子線路課程中的已調信號性質及調幅原理分析，內容繁多，畫圖困難，應用MATLAB GUI設計兩個動態模擬系統。通過GUI界面，從時域和頻域角度分析調幅、調頻與調相信號的性質以及斬波調幅和平衡斬波調幅原理，以交互的方式實現三種已調信號性質及調幅原理動態模擬仿真，將抽象的信號調制內容直觀化、可視化，激發學生學習興趣，提高教學質量。

關鍵詞 已調信號;調幅原理;動態模擬演示;MATLAB GUI

中圖分類號：G434 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：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、應用電子、通信等專業的重要基礎課，是現代通信原理、現代通信技術、終端維修等課程的前導課程，是一門實踐性很強的課程。該課程內容多，物理概念抽象，基本原理復雜，學習起來困難，不斷探索新型教學方法對該門課程尤其重要。

無線電信號發射時要進行調制，其中連續波調制有調幅、調頻與調相三種方式，對應生成調幅波、調頻波與調相波三種已調信號。斬波調幅是調幅的一種方式，可以得到載波被抑制的雙邊帶信號。不論是三種已調信號性質分析，還是斬波調幅原理分析，課堂講解困難，效率低，學生難以理解和掌握。應用MATLAB GUI設計的“已調信號性質分析動態模擬系統”及“斬波調幅原理分析動態模擬系統”，通過GUI直觀界面動態模擬顯示，避免了手工畫圖的煩瑣，而且調頻波和調相波的區別等難點內容一目了然，學生更能輕松、直觀地理解信號調制的特點與一般規律。

2 已調信號性質分析動態模擬系統

系統選擇 ?載波信號表達式為7cos（2π×30t），調制信號表達式為cos（2π×Ft），其中F為調制頻率，可進行調整。系統界面如圖1所示，由五部分組成。

1）四個坐標區，顯示三種已調信號時—頻域波形圖。

2）參數改變區，由窗口右上角的“調制指數”及“調制頻率”組成，三種已調波的調制指數由同一個滑動鍵控制，通過三個按鍵進行選擇，其值顯示在對應的上方文本框中。調制頻率的改變是針對調頻、調相方式的，通過兩個按鍵進行選擇，其值顯示在對應的上方文本框中。

3）參數計算區，由窗口右中間的“參數計算”及“塞爾函數值”組成，其中調制指數的計算是指改變“調制頻率”時兩種調角波的調制指數隨調制頻率的改變情況，調制指數的初值是由上方“調制指數”文本框中的當前值決定，塞爾函數值的自變量即當前計算的調制指數值。

4）圖像保存區，由窗口左下角四個按鈕組成，點擊任何一個按鈕，會打開一個“圖像保存”窗口，將對應四個坐標的圖形以jpg形式保存在當前目錄中。

5）菜單區，有“說明文檔”和“操作視頻”兩個菜單。

系統主要功能

1）改變調制指數時，三種已調信號時域波形及頻譜圖動態變化模擬顯示。

2）改變調制指數時，兩種調角波瞬時角頻率及瞬時相位動態變化模擬顯示。

3）改變調制頻率時，兩種調角波時域波形及頻譜圖動態變化模擬顯示。

4）改變調制指數或調制頻率時，三種已調信號帶寬、最大頻移及相移等參數的計算。

5）0～7階第一類貝塞爾函數值的計算。

圖1中，選擇“調幅”按鍵，通過滑動鍵改變調制指數，調制指數的值顯示在對應的文本框中。隨著調制指數改變，在“已調信號”和“頻譜圖”兩個坐標中可看到調幅波時—頻域圖動態變化情況，當調制指數為0.7、調制頻率初值為1 kHz時，結果如圖2所示。選擇“調頻”按鍵，當調制指數為2、調制頻率為1 kHz時，結果如圖3所示。調頻波的邊頻分量有無數多個，頻譜圖中只顯示振幅不小于未調制載波振幅10%的邊頻分量，由這些頻譜分量確定的調頻波頻帶寬度與“參數計算”中的帶寬有誤差，“參數計算”中的帶寬是完全按照理論公式計算的結果。貝塞爾函數文本框中是頻譜圖中頻譜分量對應的貝塞爾函數值。

觀察改變“調制頻率”對調相波的影響。在圖3基礎上，調制指數值為2時，選擇“調制頻率”中的“調相”按鍵，通過滑動鍵改變調制頻率，調制指數（最大相移）與調制頻率無關，最大頻移隨調制指數正比變化，帶寬變化范圍大，當調制頻率為1.6 kHz時如圖4所示。需要說明的是，改變調制指數或調制頻率可交叉進行，五個按鍵任意選擇，每次只能有一個選中，坐標中的圖及參數都和選中的按鍵對應。

3 斬波調幅原理分析動態模擬系統

系統分析了調制信號參數、載波信號參數及比例系數對調幅信號時域、頻域性質的影響及斬波調幅、平衡斬波調幅原理，系統界面如圖5所示，由七部分組成。

1）八個坐標區，左列四個坐標顯示信號時域波形圖，右列四個坐標對應顯示信號頻域波形圖。

2）功能選擇區，由窗口右上角“功能選擇”中兩個按鍵“調幅波性質”和“調幅原理”進行選擇。

3）參數改變區，由“調制信號參數”“載波信號參數”及“比例系數”組成，每個參數通過單獨的滑動鍵控制，其值顯示在對應的上方文本框中，此時文本框中是初值。

4）參數計算區，是調幅度大小的計算，顯示在“調幅度”文本框中，初值為0。

5）調幅類型選擇區，由兩個按鍵“斬波調幅”和“平衡斬波調幅”進行選擇。

6）圖像保存區，由窗口右下角八個按鈕組成，點擊任何一個按鈕會打開一個“圖像保存”窗口，將對應八個坐標的圖形以jpg形式保存在當前目錄中。圖1～圖4對應右列四個坐標，圖5～圖7對應左列四個坐標。

7）菜單區，有“說明文檔”和“操作視頻”兩個菜單。

系統主要功能

1）調制信號振幅、角頻率改變時，調制信號、調幅波振幅及調幅波時域波形及頻譜圖動態變化模擬顯示;

2）載波信號振幅、角頻率改變時，載波信號、調幅波振幅及調幅波時域波形及頻譜圖動態變化模擬顯示;

3）比例系數改變時，調幅波振幅及調幅波時域波形及頻譜圖動態變化模擬顯示;

4）調幅度隨調制信號、載波信號振幅及比例系數改變而動態改變;

5）斬波調幅和平衡斬波調幅兩種情況下，調制信號振幅、角頻率及載波信號角頻率改變時，開關信號、斬波信號及雙邊帶信號時域波形及頻譜圖動態變化模擬顯示。

首先觀察各參數對調幅信號性質的影響。圖5中，“功能選擇”中選中“調幅波性質”按鍵，調整調制信號、載波信號參數及比例系數大小，相應坐標中的時域、頻域波形動態變化，如圖6所示，此時調幅度ma>1，進入過量調幅狀態。

在圖6中，“功能選擇”中選中“調幅原理”按鍵，“調幅類型”中選中“斬波調幅”按鍵，后六個坐標中的圖自動轉換為“斬波調幅”時當前參數下對應的信號，如圖7所示，其中雙邊帶信號是斬波信號通過帶通濾波器后的輸出。

4 結語

基于MATLAB GUI功能設計的“已調信號性質及調幅原理分析”動態模擬系統，將抽象的信號調制內容直觀化、可視化，加深了學生對內容的理解與掌握，激發了學習興趣，具有很好的參考和應用價值。系統窗口界面大方，功能齊全，控制精細，既可在課堂上進行理論講解演示，也可用于實驗教學，或提供給學生自主操作學習，教師進行答疑與輔導。為確保每個系統正常順利運行，操作時若未進行相關項的選擇時，有相應的“信息提示”窗口。為了使系統適應不同類型的顯示器，應用屏幕適應性算法，程序運行后，其窗口界面及控件的大小和比例會保持不變。

為方便學生學習，系統提供了說明文檔和操作視頻：說明文檔是Word文檔，詳細說明系統設計的思路方法、組成結構、實現功能及操作方法等;操作視頻是mp4文件，配有語音和字幕，簡單演示該系統的操作方法，可使學生快速掌握該系統的操作。學生在使用學習過程中可提出自己的修改意見，使系統不斷得到完善和補充，切實感受到可視化教學過程，積極參與教學過程，從灌輸課堂向對話課堂轉變。

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