Matlab/Simulink 软件在“高频电子线路”辅助教学中的应用

陈 艳

（南京理工大学紫金学院，江苏 南京210046）

“高频电子线路”是通信工程、电子信息工程等专业的一门重要专业基础课程，该课程以无线通信系统为研究对象，主要研究无线通信系统里发送和接收设备各单元电路。这门课的先修课程有电路、信号与系统、模拟电子线路，后续课程有通信原理、移动通信，是专业课程体系中具有承上启下作用的一门课程。该课程理论与实践性都很强，学生普遍反映难以理解与掌握。为提高教学质量与效果，需对这门课进行课程教学改革，当前的教学改革主要集中在理论教学、实验教学和仿真辅助教学等几个方面。理论教学方面有基于关键词和知识点网络的总结方法[1]，从基本功能单元电路内容、跟踪新器件和新技术的内容、公共需求内容等3个方面对教学内容做相应调整，并对不同的重点与难点内容做不同处理等[2]。实践教学方面，将实践性教学环节分为3部分，即基础实验、课程设计与毕业设计、创新基地[2]；在理论讲授课程中同步内嵌实验课[3]；对高频电子线路实验课程做相应的调整与改革等[4]。仿真辅助教学有将仿真软件Multisim应用于“高频电子线路”的课堂教学和实验[5]，引入一种结合LabVIEW和Multisim的“高频电子线路”可视化课程教学方法等[6]。本文以普通调幅（AM）、双边带调幅（DSB-AM）为例，将声音信号与基于Matlab/Simulink仿真软件的可视化教学方法应用到“高频电子线路”的教学中，使学生从视觉与听觉两个角度加深对知识点的理解并克服传统实验的局限。

1 AM、DSB-AM的调制解调原理

1.1 AM的调制解调原理

AM调制模型如图1所示，其中A0为外加的直流分量，m(t)为调制信号，Ucmcosωct为载波信号，则产生的AM信号为

图1 AM调制的一般模型

为简化分析现假定调制信号为单频信号，即有m(t)=UΩmcosΩt，则AM信号为

从（2）式可知，单频调制下的AM信号改变的是载波的幅度，其幅度随调制信号成线性变化，其输出信号中有3个频率分量：载频ωc、上边频ωc+Ω、下边频ωc-Ω。若调制信号为多频信号，其输出信号中将含有载频与上下两个边带分量。

AM信号的解调常用的有同步检波与包络检波两种方法，现以同步检波为例说明AM的解调原理。AM同步检波的原理如图2所示。图中(t)为同步载波信号，uD(t)为解调后的输出信号。

图2 AM同步检波模型

1.2 DSB-AM的调制解调原理

DSB-AM调制模型如图3所示，其中m(t)为调制信号，Ucmcosωct为载波信号，则产生的DSBAM信号：为简化分析现假定调制信号为单频信号，即有m(t)=UΩmcosΩt，则DSB-AM信号：

图3 DSB-AM调制的一般模型

从（4）式可以看出，单频调制下的DSB-AM信号其幅度已不随调制信号成线性变化，其输出信号中只含有两个上下边频分量：ωc+Ω、ωc-Ω。若调制信号为多频信号，其输出信号中将含有上下两个边带分量。

根据DSB-AM信号特点其解调只能采用同步检波，DSB-AM同步检波的原理如图4所示。

图4 DSB-AM同步检波模型

图中(t)为同步载波信号，uD(t)为解调后的输出信号。AM、DSB-AM调制的实质都是将调制信号从低频处搬移到高频处。

2 基于Matlab/Simulink的AM调制解调系统实现

为加深学生对上述知识点的理解，将Matlab/Simulink可视化软件引入到知识点的学习中。根据AM调制解调原理框图建立AM调制解调系统的仿真模型如图5所示。

图5 AM调制解调系统的仿真模型

其中调制信号m(t)=UΩmcosΩt由Sine Wave模块产生，设定信号频率为1kHz；外加的直流分量A0由Constant模块产生，设定为2；载波Ucmcosωct与同步载波信号(t)由Sine Wave1模块产生，设定信号频率为10kHz；信道由AWGN Channel模块产生，设定信噪比为10dB；Analog Filter Design模块作为带通滤波器，滤除经信道的带外噪声，设定带通范围为8.5kHz～11.5kHz；Analog Filter Design1模块作为低通滤波器，设定其截止频率为1kHz，合理设置参数后观察主要模块输出波形及频谱，分别如图6、图7所示。图6中输出信号波形自上而下分别是调制信号、载波信号、已调信号、经过高斯信道的已调信号、经带通滤波的信号、同步检波后的信号，从波形图可直观地看出已调信号的幅度随调制信号呈线性变化，解调出的信号与原信号相同，只是因信道衰减而降低。图7中输出信号频谱分别是调制信号频谱、载波信号频谱、已调信号频谱，从频谱图可直观看出经过调制后调制信号频谱被搬移到载频的两边实现了调制过程。

图6 主要模块的输出波形

图7 主要模块的输出频谱。

3 基于声音信号的DSB-AM调制系统仿真实现

为加深学生对知识点的进一步理解，将声音信号引入到“高频电子线路”的课程教学中[8]。现以DSB-AM调制系统为例说明。

在实际教学中录一段声音信号作为调制信号，其波形与频谱图如图8所示。

由图8可知，调制信号频率范围在2kHz以内，现对其进行DSB-AM调制，设定载波频率为30kHz，则调制后已调信号波形与频谱如图9所示，其中已调信号波形截取了其中一部分，由图可知经DSB-AM调制后不含有载频，只有两个上下边带分量，表明DSB-AM调制也能实现将调制信号搬移到载频的两边这一线性搬移过程。同时观察调制信号与已调信号的声音特点发现，已调信号声音变得非常尖锐，这主要是因为调制信号在调制过程中从低频搬移到高频处，这种教学模式既使学生直观理解调制的物理过程，又让学生从听觉上感受到信号的处理过程。

图8 调制信号波形与频谱图。

图9 已调信号波形与频谱图。

4 结束语

本文借助Matlab/Simulink可视化工具与声音信号对“高频电子线路”课程进行辅助教学，主要仿真分析了AM、DSB-AM调制系统的实现，在实际教学中发现采用此种教学模式较以往的纯理论教学更能激发学生的学习兴趣，教学效果得到提高。在今后的教学中可将此教学模式引入到其他知识点的教学中。

[1]尹霄丽，桑红庆.“高频电子线路”课程知识点总结与教学实践[J].北京邮电大学学报（社会科学版），2015，17(5):76-80.

[2]陶丹，胡健，陈后金.高频电子线路课程的教学模式探索[J].电气电子教学学报，2015，37(5):55-57.

[3]尹霄丽，牛泽群.“高频电子线路”理论课内嵌实验的探讨[J].电气电子教学学报，2016，38(3):116-119.

[4]吴宪祥，郭宝龙，朱娟娟，等.“高频电子线路实验”课程教学改革与探索[J].电气电子教学学报，2015，37(1):26-28.

[5]胡昭华，吴佑林.基于Multisim的“高频电子线路”教学研究[J].电气电子教学学报，2010，32(6):116-117，120.

[6]刘玉龙，李晓辉，刘乃安，等.“高频电子线路”可视化教学方法研究[J].电气电子教学学报，2016，38(2):102-105.

[7]邵玉斌.Matlab/Simulink通信系统建模与仿真实例分析[M].北京：清华大学出版社，2008.

[8]庞勇，韩萍，倪育德,等.基于声音信号的“信号与系统”教学方法研究[J].电气电子教学学报，2013，35(1):109-111.