廖湘萍 樂露露 胡世新

(湖南工業(yè)大學(xué)理學(xué)院 湖南 株洲 412007)

王詩龍

(株洲市第八中學(xué) 湖南 株洲 412007)

羅小剛

(邵陽縣巖口鋪鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué) 湖南 邵陽 422106)

1 引言

信息技術(shù)與物理教學(xué)的整合，符合新課程改革的要求，不僅體現(xiàn)了物理教學(xué)的現(xiàn)代化，而且是物理教學(xué)的改革方向之一.因此，如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)方便、高效地滲透到中學(xué)物理教學(xué)之中，從而提高課堂效率、提高學(xué)生的認(rèn)知和理解能力，成為新課改下一名物理教師所必須學(xué)習(xí)和研究的重要課題[1～4].

Guide(Graphical User Interface Development Environment) 可以實(shí)現(xiàn)用戶與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行信息交流，是Matlab圖形用戶接口開發(fā)環(huán)境[5,6].這種用戶接口開發(fā)環(huán)境極大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)和建立Gui的過程，因?yàn)樗峁┝艘幌盗泄ぞ哂糜诮ui對(duì)象，通過按鈕即可運(yùn)行事先設(shè)計(jì)好的包含特定運(yùn)算命令的文件.

“電磁波的發(fā)射傳播和接收”是高中物理的難點(diǎn)內(nèi)容，其中信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)過程抽象，難以在學(xué)生頭腦中構(gòu)建出清晰的模型.同時(shí)，我國很多中學(xué)存在教學(xué)資源不足，因受實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，物理課堂上基本只憑教師講授進(jìn)行教學(xué).這正是本文利用Matlab Guide功能進(jìn)行信號(hào)調(diào)制與解調(diào)演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的.借助仿真將信號(hào)調(diào)制與解調(diào)的動(dòng)態(tài)過程輕松、直觀地呈現(xiàn)在顯示窗口中，將抽象復(fù)雜的內(nèi)容具體化、形象化、圖像化，為教學(xué)研究帶來便利.利用Matlab Guide功能輔助中學(xué)物理教學(xué)為教師教學(xué)提供了一定的方法和思路[7～9].

2 信號(hào)調(diào)制與解調(diào)的原理

2.1 幅度調(diào)制與解調(diào)的原理

調(diào)幅(AM)是幅度調(diào)制，它使載波信號(hào)的振幅隨著調(diào)制信號(hào)的變化而規(guī)律變化.

設(shè)載波信號(hào)為

vc(t)=Vmcos(ωct)

(1)

調(diào)制信號(hào)為

vΩ(t)=VΩmcos(Ωt)

(2)

調(diào)幅信號(hào)的一般表達(dá)式為

vAM(t)=Vm[1+macos(Ωt)]cos (ωct)

(3)

式中ma為調(diào)幅指數(shù).

調(diào)幅解調(diào)的功能是從調(diào)幅信號(hào)中不失真地解調(diào)出原信號(hào).幅度調(diào)制的解調(diào)過程有相干解調(diào)與非相干解調(diào)兩種方式.程序編寫過程中采用Matlab通信工具箱提供的幅度調(diào)制函數(shù)ammod 對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅，用幅度解調(diào)函數(shù)amdemod進(jìn)行解調(diào) ，調(diào)用格式如下：

at=ammod(et,Fc,fs)

et1=amdemod(at,Fc,fs)

其中,et為輸入的調(diào)制信號(hào)，at為輸入的調(diào)幅波，F(xiàn)c，fs分別為載波頻率和采樣頻率.

2.2 頻率調(diào)制與解調(diào)的原理

調(diào)頻(FM)是頻率調(diào)制，它是使載波信號(hào)的頻率隨著調(diào)制信號(hào)的變化而規(guī)律變化.

設(shè)載波信號(hào)為

vc(t)=Vmcos(ωct)

調(diào)制信號(hào)為

vΩ(t)=VΩmcos(Ωt)

調(diào)頻信號(hào)的一般表達(dá)式為

(4)

式中，kf為比例常數(shù)，表示調(diào)制器的靈敏度.

頻率調(diào)制的解調(diào)過程采用鎖相環(huán)方法.本實(shí)驗(yàn)編程采用Matlab通信工具箱提供的頻率調(diào)制函數(shù)fmmod對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻，用頻率解調(diào)函數(shù)fmdemod進(jìn)行解調(diào)，調(diào)用格式如下：

at=fmmod(et,Fc,fs,freqdev)

et2=fmdemod(at,Fc,fs,freqdev)

其中,et為輸入的調(diào)制信號(hào)，at為輸入的調(diào)頻波，F(xiàn)c和fs分別為載波頻率和采樣頻率，freqdev為最大頻率偏移.

3 基于Matlab Guide 的演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 界面的設(shè)計(jì)

除了強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算和圖形處理功能，Matlab還提供了圖形用戶界面的設(shè)計(jì)和開發(fā)功能，即Guide圖形用戶接口開發(fā)環(huán)境.圖形用戶界面包括4個(gè)部分：(1)對(duì)象選擇區(qū)；(2)工具欄；(3)布局區(qū)；(4)狀態(tài)欄.Guide提供的基本圖形用戶界面對(duì)象可分為：用戶界面控件對(duì)象(Uicontrol)、表格(Table)、 面板(Panel)、按鈕組(Button Group)、Activex控制(ActiveX Control).利用上述用戶界面對(duì)象，可以設(shè)計(jì)出界面良好、功能強(qiáng)大和操作簡(jiǎn)便的圖形用戶界面.圖l是信號(hào)調(diào)制與解調(diào)演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)界面圖.

圖1 演示實(shí)驗(yàn)的Guide開發(fā)界面圖

界面圖中包括：(1)3個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)象，分別用于顯示載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的動(dòng)態(tài)模擬圖形；(2)2個(gè)觸控按鈕，分別用于清空?qǐng)D像和結(jié)束程序；(3)1個(gè)靜態(tài)文本標(biāo)簽，用于顯示實(shí)驗(yàn)名稱；(4)一個(gè)按鈕群，用于管理4個(gè)單選按鈕.(5)4個(gè)單選按鈕，分別用于控制正弦波和方波的調(diào)幅與調(diào)頻.

3.2 回調(diào)函數(shù)的編寫

編寫回調(diào)函數(shù)之前，首先要對(duì)Guide界面對(duì)象根據(jù)需要進(jìn)行布局，打開控件的屬性查看器，設(shè)置這些控件的屬性.然后編寫好每一個(gè)組件的回調(diào)程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)組件的控制.用鼠標(biāo)點(diǎn)擊時(shí)，組件完成相應(yīng)的功能.

本實(shí)驗(yàn)調(diào)制信號(hào)頻率為10 Hz的正弦波et=sin(2*pi*10*t)和頻率為10 Hz的方波，采樣頻率fs為1 000 Hz,載波頻率為100 Hz.

正弦波幅度調(diào)制與解調(diào)過程中，按鈕組(Button Group)的主要回調(diào)函數(shù)(SelectionChangeFcn)代碼如下：

switch str

fs=1000;

Fc=100;

N=1000;

t=linspace(0,0.5,fs);

et=sin(2*pi*10*t);

axes(handles.axes1)

comet(t,et)

plot(t,et)

axis([0,0.5,-1,1])

f=[-500:499]/N*fs;

yk=fft(et,N);

yw=abs(fftshift(yk))/N;

at=ammod(et,Fc,fs);

axes(handles.axes2)

comet(t,at)

plot(t,at)

axis([0,0.5,-1,1])

yk1=fft(at,1000);

yw1=abs(fftshift(yk1))/N;

et1=amdemod(at,Fc,fs);

axes(handles.axes3)

comet(t,et1)

plot(t,et1)

axis([0,0.5,-1,1])

回調(diào)程序中利用comet函數(shù)進(jìn)行彗星動(dòng)畫演示.程序動(dòng)態(tài)地繪制了調(diào)制波、已調(diào)波和解調(diào)波的演化圖形，繪制結(jié)束后留下了運(yùn)動(dòng)的軌跡.

3.3 動(dòng)態(tài)圖形的演示

點(diǎn)擊4個(gè)單選按鈕，分別得到如下正弦波調(diào)幅、方波調(diào)幅、正弦波調(diào)頻和方波調(diào)頻的動(dòng)態(tài)圖形.

圖2和圖3是幅度調(diào)制與解調(diào)的動(dòng)態(tài)圖形.可以看出，載波的振幅隨著調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而變化(但頻率保持不變).解調(diào)后的信號(hào)與調(diào)制信號(hào)頻率相同.

圖2 正弦波調(diào)幅信號(hào)圖

圖3 方波調(diào)幅信號(hào)圖

圖4和圖5是頻率調(diào)制與解調(diào)的動(dòng)態(tài)圖形.可以看出，載波的頻率隨著調(diào)制信號(hào)幅度變化而變化(但幅度保持不變).與輸入的調(diào)制信號(hào)相比，解調(diào)后的信號(hào)與調(diào)制信號(hào)頻率相同, 實(shí)現(xiàn)了無失真解調(diào).

圖4 正弦波調(diào)頻信號(hào)圖

圖5 方波調(diào)頻信號(hào)圖

以上所述調(diào)幅和調(diào)頻是兩種不同的信號(hào)調(diào)制方式，它們有各自不同的機(jī)理和特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)需要選擇其中一種調(diào)制方式.比如，為提高信號(hào)的抗干擾能力，可選擇調(diào)頻方式.

4 小結(jié)

本文利用Matlab Guide功能，基于高中物理教學(xué)要求，分別對(duì)頻率調(diào)制與解調(diào)、幅度調(diào)制與解調(diào)過程進(jìn)行仿真.點(diǎn)擊Matlab Guide界面按鈕可以分別將正弦波調(diào)幅、方波調(diào)幅、正弦波調(diào)頻和方波調(diào)頻過程動(dòng)態(tài)地演示出來.本文所做的嘗試一方面幫助學(xué)生建立基本的調(diào)制與解調(diào)概念，理解基本的調(diào)制與解調(diào)原理，區(qū)分調(diào)頻與調(diào)幅的不同本質(zhì).另一方面，生動(dòng)形象的教學(xué)內(nèi)容有助于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象概念的深入理解，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，提高課堂的教學(xué)效果.同時(shí)，借此實(shí)例讓學(xué)生真切地體會(huì)到信息技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用.