《MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用》課件第4章

第4章電子線路仿真試驗4.1信號合并

4.2微積分

4.3觸發(fā)器

4.4分頻器

4.5使能開關(guān)

4.6編程開關(guān)

4.7移位寄存器

4.8整流電路

4.9駐波演示

4.10超外差式接收機4.1信號合并

圖4-1所示是信號合并的仿真系統(tǒng)框圖，圖中正弦信號和鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的信號通過兩個交替打開的門控電路，在合并（疊加）Merge模塊中合成為一路信號，并在示波器中顯示。在仿真系統(tǒng)中采用方波信號發(fā)生器的輸出作為門控信號。圖4-2所示是信號合并的仿真結(jié)果。圖4-1信號合并的仿真系統(tǒng)框圖圖4-2信號合并的系統(tǒng)仿真結(jié)果表4-1~表4-5分別給出了信號合并仿真系統(tǒng)中各個模塊的主要參數(shù)。

4.2微積分

對信號進行微積分運算時可以用M文件編程（在附錄A.5中會介紹），本例是用一個小例子來說明應(yīng)用Simulink的方法進行微積分運算。圖4-3所示是信號微積分運算的仿真系統(tǒng)框圖，圖4-4所示是信號微積分運算的仿真結(jié)果。信號發(fā)生器輸出一個方波，則示波器的三個輸入端（從上到下)分別輸入方波信號以及信號的微分和積分運算的結(jié)果?？梢钥闯觯瑢?yīng)方波的上下沿的微分有大的輸出，其余時間微分為零，在方波保持［－1

1］區(qū)間，積分先線性增長，后線性下降。圖4-3信號微積分運算的仿真系統(tǒng)框圖

圖4-4信號微積分運算的仿真結(jié)果微分和積分的模塊都是來自Simulink＼Continuous庫中，微分模塊不需要設(shè)置，積分模塊的參數(shù)設(shè)置如表4-6所示。積分模塊有兩種工作模式：簡單積分方式（本例）和重置積分方式。當(dāng)設(shè)定的觸發(fā)信號到來時，模塊輸出重置為初始條件。

當(dāng)激活I(lǐng)ntegrator(積分器)模塊時，彈出的對話框中的Externalreset（外部復(fù)位）選項被置于none，模塊工作在簡單積分方式，此時不需要外部觸發(fā)信號輸入端口。選項被置于Rising、Falling、Either時模塊工作在重置積分方式，并且分別表示是用觸發(fā)信號過零時的上升沿、下降沿進行重置的操作。此時，模塊多出一個觸發(fā)信號輸入端口。初始條件源也有兩種：Internal（內(nèi)部）（本例）和External（外部）。初始條件為內(nèi)部時，由對話框內(nèi)的Initialcondition設(shè)定。初始條件為外部時，模塊多出一個初始條件輸入端口。

當(dāng)激活Limitoutput（限制輸出）時，可在對話框中設(shè)定Uppersaturationlimit（限幅上限）及Lowersaturation

limit（限幅下限）。當(dāng)激活Showsaturationport（顯示限幅端口）時，可以從新增的限幅端口輸出限幅信息。

當(dāng)激活Showstateport（顯示狀態(tài)端口）時，可以從新增的狀態(tài)端口輸出狀態(tài)信息。

Absolutetolerance（絕對誤差）是設(shè)定模塊狀態(tài)的絕對誤差。表4-7給出了信號發(fā)生器的主要參數(shù)。

4.3觸發(fā)器

觸發(fā)器是電子工程中經(jīng)常用到的電路，在本節(jié)中用實例來說明其應(yīng)用的方法。

圖4-5所示是觸發(fā)電路仿真演示框圖，在圖中觸發(fā)模塊是實現(xiàn)觸發(fā)的主要工具，圖中常數(shù)矢量設(shè)定為0。圖4-6所示是觸發(fā)電路仿真結(jié)果。圖4-7所示是觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)圖，激活圖中的trigger，可以在彈出的對話框中進行參數(shù)設(shè)置。圖4-5觸發(fā)電路仿真演示框圖圖4-6觸發(fā)電路仿真結(jié)果圖4-7觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)觸發(fā)電路的Triggertype（觸發(fā)類型）設(shè)定為Functioncall（函數(shù)調(diào)用）時和模塊使能時，有三種設(shè)置：Held（有效）、Reset（復(fù)位）和Inherit（繼承）。

此時，Sampletimetype（取樣時間類型）可設(shè)為觸發(fā)或周期。Sampletime（取樣時間）均被激活。

現(xiàn)在以圖4-6中顯示的結(jié)果來分析觸發(fā)的過程：

（1）示波器通道1顯示了作為觸發(fā)信號的信號發(fā)生器的方波，同時還顯示了等于零的基線以及被用作觸發(fā)取樣觀察的正弦信號。（2）示波器通道2顯示了僅在方波信號過零的上升沿觸發(fā)時，采集并保持的正弦信號的樣值。

（3）示波器通道3顯示了僅在方波信號過零的下降沿觸發(fā)時，采集并保持的正弦信號的樣值。

（4）示波器通道4顯示了在方波信號過零的上升或下降沿觸發(fā)時，采集并保持的正弦信號的樣值。

簡而言之，觸發(fā)電路是一個采樣保持電路，采樣的時刻取決于觸發(fā)信號的形狀和觸發(fā)方式的設(shè)定。

表4-8~表4-11分別給出了觸發(fā)電路仿真系統(tǒng)中各個模塊的主要參數(shù)。

4.4分頻器

分頻器應(yīng)用廣泛，下面用一示例說明其使用方法。圖4-8所示是分頻器仿真框圖，其組成僅有三臺設(shè)備：脈沖發(fā)生器、分頻器（計數(shù)器）和示波器。脈沖發(fā)生器產(chǎn)生周期為1s，占空比為50%，幅度為1的方波，饋入計數(shù)器。計數(shù)器設(shè)置為分頻器工作方式，本例中分頻比設(shè)為11，即每輸入11個脈沖，送出一個Hitdata（到達脈沖），Maximumcount（最大計數(shù)）是10，即分頻比減一。Initialcount（初始計數(shù)）表示計數(shù)器中開始計數(shù)時刻，即計數(shù)器中原有的數(shù)，本例是0。Hitvalue（到達值）表示在計數(shù)到第幾（本例是7）個脈沖時，開始輸出到達脈沖。在以后的計數(shù)分頻的過程中，自然都是在分頻周期的這一位置輸出到達脈沖。Output（輸出）設(shè)置決定了計數(shù)器有兩路輸出：第1路是count（計數(shù)），它的數(shù)值表示在本分頻周期內(nèi)記錄到多少個脈沖。第2路是hit（到達），就是分頻后的脈沖輸出。圖4-9所示是分頻器仿真結(jié)果。示波器從上到下顯示的分別是脈沖發(fā)生器的輸出、計數(shù)輸出、分頻脈沖的輸出?？梢钥闯?，分頻比是11，即到達脈沖的數(shù)量是原始脈沖數(shù)的1/11。計數(shù)輸出從0到10（11個量值）變化，分頻脈沖在第8（7+1）個脈沖時輸出。圖4-8分頻器仿真框圖圖4-9分頻器仿真結(jié)果圖4-10所示是計數(shù)器參數(shù)設(shè)置對話框。表4-12所示是該對話框的主要參數(shù)。表4-13所示是PulseGenerator（脈沖信號發(fā)生器）的主要參數(shù)。Countdirection（計數(shù)方向）中Up（增加）表示加法計數(shù)，Down（減少）表示減法計數(shù)。Countsize（計數(shù)長度）設(shè)定為8bit、16bit、32bit時，分頻比分別為28

、216、232。圖4-10計數(shù)器參數(shù)設(shè)置對話框用戶可以設(shè)定任意數(shù)的分頻比，確實十分方便。表4-14所示是示波器的主要參數(shù)。

4.5使能開關(guān)

圖4-11所示是使能電路仿真演示框圖。圖中的正弦信號產(chǎn)生器產(chǎn)生幅度為1，頻率為1rad/s，偏移和相位延遲均為0的正弦信號，分別饋入兩個功能各異的使能功能塊，如圖

4-12所示。圖中，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生幅度為1，周期為5s，占空比為50%的方波，分別用方波的1輸出區(qū)間作為上面功能塊（簡稱塊1）的使能脈沖信號。方波的0輸出區(qū)間經(jīng)過繼電器的反相處理以后，作為下面功能塊（簡稱塊2）的使能脈沖

信號。圖4-11使能電路仿真演示框圖塊1的功能如圖4-12的右圖所示，是在使能期間取輸入信號的絕對值，其余時間輸出為0。（注：MATLAB2008b中的使能模塊復(fù)位功能似乎無效，故外接乘法器使之在使能脈沖為零時輸出為零，在MATLAB6.5等版本中不需要此乘法器模塊。）

塊2的功能如圖4-12的左圖所示，是在使能期間取輸入信號的在－0.75~0.75之間的值（即使輸入信號通過一個限幅器，其上下門限設(shè)定為0.75和－0.75），其余時間則保持門控結(jié)束時的狀態(tài)作為輸出信號。圖4-12使能電路內(nèi)部功能展示圖（左圖對應(yīng)圖4-11中下面的功能塊,右圖對應(yīng)圖4-11中上面的功能塊）在門控關(guān)閉區(qū)間輸出值是為0還是保持結(jié)束時的狀態(tài)，由圖4-13所示Enable（使能）對話框中的使能時的狀態(tài)決定。當(dāng)激活Enablesubx（使能子系統(tǒng)）中的Enable(使能模塊）時，彈出的對話框中的Stateswhenenabling（使能狀態(tài)）選項被設(shè)置為reset（復(fù)位）或held（保持）。經(jīng)過門控功能塊以后的信號與未處理的信號，在Mux（合路器）中合并后，經(jīng)Sum（加法器）后和Constant（常數(shù)源）中的［0

2］矢量相加，在垂直方向拉開了2（V）的間距，在同一示波器的顯示窗內(nèi)顯示。圖4-13使能圖標(biāo)Enable激活后的對話框圖4-14使能電路仿真演示結(jié)果示波器顯示的仿真結(jié)果如圖4-14所示。中間的圖形是用作使能門控信號的方波脈沖。它的1輸出和0輸出的兩個時段分別對應(yīng)塊1和塊2的非0輸出區(qū)間。上面的圖是塊1的輸出，在門控打開的區(qū)間，它是輸入信號的絕對值。下面的圖是塊2的輸出，在門控打開的區(qū)間，它是輸入信號經(jīng)過限幅以后的值。

表4-15~表4-17分別給出了使能電路仿真系統(tǒng)中各個模塊的主要參數(shù)。

4.6編程開關(guān)

圖4-15所示是編程開關(guān)仿真系統(tǒng)框圖。圖中使用了三個信號產(chǎn)生器，分別產(chǎn)生幅度為1，頻率為1Hz、2Hz、3Hz的正弦波、鋸齒波和方波。VariableSelector（可變選擇器）根據(jù)Idx（指針端口）當(dāng)時的數(shù)據(jù)，決定三個信號饋送到哪個端口。程序4-1是與圖4-15相配套的程序，它產(chǎn)生一個與時鐘t同步的三列的數(shù)據(jù)流y2，該數(shù)據(jù)變量名為D。

D是一個90行4列的數(shù)據(jù)塊，存在Workspace（工作空間）中，由模塊FromWorkspace（從工作空間）饋送到Idx（指針端口），以采樣時間為1的速率，一行一行地讀出（每行三列）數(shù)據(jù)。譬如某時刻是［231］，表示將輸入信號1饋入2端口，輸入信號2饋入3端口，輸入信號3饋入1端口。輸出信號的端口以示波器輸入從上到下排序，示波器實時顯示輸出的信號。圖4-16所示是編程開關(guān)的仿真結(jié)果，該圖中的第4路波形顯示的是三路輸入信號合并在一起時的波形。圖4-15編程開關(guān)仿真系統(tǒng)框圖圖4-16編程開關(guān)仿真結(jié)果程序4-1

%程序4-1編程開關(guān)

clearall

x1=［123231312］;

x=x1′*ones(1,30);

y=x(:);

y1=reshape(y,3,90);

y2=y1′;

t1=0:89;t=t1′;

D=［ty2］;%產(chǎn)生D并供FromWorkspace讀入

sim(′switchi1′)

%啟動仿真程序4-1是與圖4-15所示的仿真系統(tǒng)配套的程序。系統(tǒng)中的VariableSelector（可變選擇器）的參數(shù)SelectorMode（選擇模式）置為Varible（可變）時，必須向可變選擇器顯示從Idx（指針端口）輸入的控制可變選擇器的指令。程序4-1編制的數(shù)據(jù)系列D就是隨時間變化的指令。程序的最后一條語句用來啟動圖4-15所示的仿真系統(tǒng)。

圖4-17所示是可變選擇器參數(shù)設(shè)置對話框，當(dāng)SelectorMode（選擇模式）置為Varible（可變）時，可變選擇器顯示Idx（指針端口）;若置為Fixed（固定）時指針端口消失，此時應(yīng)在Elements（元素）欄設(shè)置數(shù)據(jù)。圖4-17可變選擇器參數(shù)設(shè)置對話框表4-18~表4-22分別給出了編程開關(guān)仿真系統(tǒng)中各模塊的主要參數(shù)。4.7移位寄存器

圖4-18所示是移位寄存器仿真系統(tǒng)框圖。圖中的正弦波產(chǎn)生器產(chǎn)生幅度為1，頻率為2πrad/s的正弦波，饋入MultiSelector（多點選擇器），再由多點選擇器分為三路相同的信號。三路信號一路是直通，另一路延遲7個節(jié)拍（7個采樣時間），第三路延遲23個節(jié)拍。輸出的路數(shù)、延遲時間皆可任意設(shè)定。

VariableSelector（可變選擇器）可以任意交換輸出三路信號的秩序，在連接示波器的上面三路信號就是通過交換排序后的波形，如圖4-19所示。以它的第四路信號波形的極大值為參考，從左向右數(shù)1、2、3個波形，它們代表的三路波形就是未經(jīng)過交換秩序的輸出信號。圖4-20和表4-23分別給出了多點選擇器的參數(shù)設(shè)置對話框和參數(shù)設(shè)置。其他模塊的參數(shù)設(shè)置見表4-24~表4-26。圖4-18移位寄存器仿真系統(tǒng)框圖圖4-19移位寄存器仿真結(jié)果圖4-20多點選擇器對話框

4.8整流電路

圖4-21所示是整流系統(tǒng)仿真框圖，在框圖中用幅度為1.1、頻率為1000Hz的正弦信號作為信號輸入，使用Saturation（限幅）模塊，將限幅下限設(shè)定為0，構(gòu)成半波整流電路。在框圖中上面的頻譜儀顯示它的頻譜，如圖4-23中的右圖所示。在整流電路中使用了Abs（取絕對值）模塊，將信號的負(fù)半周也變成正值，構(gòu)成全波整流電路。在框圖中下面的頻譜儀顯示它的頻譜，如圖4-22中的左圖所示。示波器將三路信號與常數(shù)矢量相加后，在垂直方向分開顯示，如圖4-23所示。圖4-21整流系統(tǒng)仿真框圖圖4-22整流系統(tǒng)仿真結(jié)果（頻譜圖）圖4-23整流系統(tǒng)仿真結(jié)果（時域波形）下面uh(t)與uf(t)分別表示半波整流和全波整流之后的頻率譜，由公式（4-1）、（4-2）可見半波整流后有直流分量、一次波（基波）、二次波、四次波、六次波等。全波整流與半波整流相比較，除基波沒有外其余都有，但幅度不一樣，這可以從圖4-22中看出。(4-1）(4-２）表4-27~表4-31分別給出了整流仿真系統(tǒng)中各個模塊的主要參數(shù)。

4.9駐波演示

在傳輸線的理論課中，討論了入射波與反射波的疊加形成駐波的原理。程序4-2通過動畫的方式表現(xiàn)了入射波、反射波和駐波的工作過程。

我們用ω表示傳播電磁波的角頻率(程序中是w)，用v

表示在傳輸線上的波速，x表示距離信號源的距離，t

表示時間，這樣就可以用下面的a

及

a1

表達式描述入射波和反射波的傳輸特性:(4-3)入射波和反射波的疊加就是駐波。從這里可以看出，應(yīng)用MATLAB的M文件編程的方法與平時思維的方法(即數(shù)學(xué)表達的方法)是十分接近的。這里表示的是開路終端的傳輸特性，如果改變a1的幅度及相位，則可以表現(xiàn)當(dāng)終端負(fù)載為不同阻抗特性時的傳輸線的傳輸特性。

應(yīng)用作圖指令“stem”作出入射波、反射波和駐波關(guān)于變量x（距離信號源的距離）的火柴桿圖。得到t時刻在傳輸線上的電壓分布圖，如圖4-24所示。圖中，從上到下分別是入射波、反射波和駐波的波形。程序中將時間t設(shè)為循環(huán)變量，隨著循環(huán)變量t的變化，傳輸線上的分布將隨著變化，指令“w1=moviein（100）”規(guī)定了將上述變化用動畫來表示。圖4-24入射波、反射波和駐波動畫程序4-2

%終端開路反射波疊加

fort=1:100;

v=2;

w=pi/5;

x=0:.1:20;

a=cos（w*（t－x/v））;

%入射波

a1=cos（w*（t+x/v））;

%反射波

A=a+a1;

%駐波

w1=moviein（100）;

subplot（311）

stem（x，a） %畫入射波

subplot（312）

stem（x，a1，′k′） %畫反射波

subplot（313）

stem（x，A，′r′） %畫駐波

w1（:，t）=getframe;

end

4.10超外差式接收機

超外差式接收機的工作方式在通信系統(tǒng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。它最主要的工作原理是：頻率搬移，選頻放大。發(fā)射機發(fā)出的信號經(jīng)過各種傳輸環(huán)境后信號十分微弱，將它放大到正常接收的程度，需要100dB量級的增益。應(yīng)用頻率搬移即變頻的方法，可以將增益分配到工作在不同頻段的若干個放大器上，在獲得很高的總增益的同時又保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定。變頻的基本原理可以用下面的公式來描述：(4-4)兩個不同頻率的余弦信號相乘后，得到的是兩個頻率的和以及兩個頻率的差的余弦信號，其中f1是本地振蕩的頻率，f2是射頻信號的頻率。圖4-25所示是超外差接收機仿真系統(tǒng)框圖。本例中本地振蕩f1=66kHz，射頻信號f2=50kHz，基帶調(diào)制信號是1kHz單音頻。下面分別介紹以下部分的功能。(為了簡化問題，有的部分未安排。)

發(fā)射機部分：SignalGenerator（信號發(fā)生