楊 宇 倪 雪 榮傳振 朱 瑩 陳 亮
(陸軍工程大學(xué) 通信工程學(xué)院 江蘇南京 210007)
“信號(hào)與系統(tǒng)”是電氣電子信息類本科學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字信號(hào)處理、通信原理等后續(xù)課程的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。此課程中,相關(guān)理論包含大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算[1]和豐富的工程應(yīng)用,借助MATLAB/Simulink軟件仿真可以完成復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算與分析,得到可視化的仿真結(jié)果,使得許多抽象的理論得以形象模擬,輔助完成教學(xué)中知識(shí)難點(diǎn)的解釋[2],有助于加強(qiáng)對(duì)信號(hào)與系統(tǒng)理論的理解與應(yīng)用。
MATLAB(Matrix Laboratory,MATLAB)是由Math-Works公司推出的一款具有較強(qiáng)功能性和應(yīng)用性的仿真軟件。目前,其已成為信號(hào)處理、圖像處理、通信原理、自動(dòng)控制等課程的常用仿真平臺(tái)。而Simulink是集成在MATLAB中的一種可視化軟件,主要采用圖形化模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬與仿真,具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰、仿真精細(xì)、顯示直觀、貼近實(shí)際、效率高等優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析,故而被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、信號(hào)處理、自動(dòng)控制的建模和仿真[3]。
本文選取“信號(hào)與系統(tǒng)”課程中的信號(hào)相加運(yùn)算和線性時(shí)不變系統(tǒng)性質(zhì)兩個(gè)知識(shí)點(diǎn),通過MATLAB Simulink 2018b對(duì)其進(jìn)行仿真,直觀的仿真結(jié)果便于學(xué)生理解和掌握抽象的概念,同時(shí)也拓展了其知識(shí)。
線性時(shí)不變(Linear and time invariant,LTI)系統(tǒng)具有線性和時(shí)不變性。這一特性既是教學(xué)過程中的一個(gè)重點(diǎn),也是學(xué)習(xí)時(shí)的一個(gè)難點(diǎn)。在講授這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí),除了理論講解,還要通過Simulink對(duì)RLC串聯(lián)電路的LTI性進(jìn)行仿真,使學(xué)生對(duì)此性質(zhì)有了直觀印象,更有助于對(duì)其進(jìn)行掌握和理解。
線性時(shí)不變系統(tǒng)主要有線性和時(shí)不變性,其線性包括齊次性和疊加性。設(shè)f(t)表示激勵(lì),y(t)表示響應(yīng),“→”表示系統(tǒng)的作用,則齊次性和疊加性可描述為:
齊次性:若f(t)→y(t),則kf(t)→ky(t),k為實(shí)常數(shù)。
疊加性:若f1(t)→y1(t),f2(t)→y2(t),則f1(t)+f2(t)→y1(t)+y2(t)。
綜上所述,線性性質(zhì)又可以表示為:
若f1(t)→y1(t),f2(t)→y2(t),則k1f1(t)+k2f2(t)→k1y1(t)+k2y2(t),k1和k2為實(shí)常數(shù)。
線性時(shí)不變系統(tǒng)的時(shí)不變性,可描述為:
若f(t)→y(t),則f(t-t0)→y(t-t0),t0為延時(shí)時(shí)間。
RLC串聯(lián)電路是由電容、電感、電阻和獨(dú)立電壓源串聯(lián)組成的電路,如圖1所示,其多應(yīng)用于電子諧波振蕩器、帶通或帶阻濾波器等電路中。本節(jié)通過Simulink仿真零狀態(tài)條件下RLC串聯(lián)電路的線性和時(shí)不變性。
圖1 RLC串聯(lián)電路
假設(shè)圖1電路中的開關(guān)在t<0 false時(shí)一直處于斷開狀態(tài),且電容和電感均無初始儲(chǔ)能,其中電阻R=5Ω,電容C=0.5F,電感L=1H。電壓源us(t)為輸入,電流i(t)為輸出。在t=0時(shí)開關(guān)閉合,則t>0時(shí),電路的數(shù)學(xué)模型為:
根據(jù)式(1),可建立此RLC電路的Simulink仿真模型,進(jìn)而建立驗(yàn)證RLC串聯(lián)電路線性時(shí)不變性的仿真模型,如圖2所示。在此模型中,通過step模塊生成單位階躍信號(hào)u(t)與u(t-6)分別作為兩個(gè)子系統(tǒng)的輸入,再利用Gain模塊和Add模塊生成2u(t)+4u(t-6)輸入到第三個(gè)子系統(tǒng)中,最后調(diào)用Scope模塊顯示三個(gè)子系統(tǒng)的輸入和輸出波形。
圖2 RLC串聯(lián)回路LTI性仿真模型
運(yùn)行此模型后,仿真結(jié)果如圖3所示。
圖3 RLC串聯(lián)電路LTI性仿真結(jié)果
圖3(a)和(b)是信號(hào)u(t)和u(t-6)的波形,圖3(d)和(e)是它們分別通過系統(tǒng)所產(chǎn)生的響應(yīng),可以看出u(t-6)的響應(yīng)是將u(t)的響應(yīng)右移了6個(gè)單位,此仿真結(jié)果顯示了圖1電路具有時(shí)不變性。圖3(c)和(f)分別是信號(hào)2u(t)+4u(t-6)及其通過系統(tǒng)響應(yīng)的波形,可以看出響應(yīng)波形是將u(t)響應(yīng)的幅度放大2倍,再與u(t-6)響應(yīng)的幅度放大4倍后相加,故該電路具有線性。
信號(hào)的相加運(yùn)算是信號(hào)基本運(yùn)算之一。本節(jié)利用信號(hào)的相加,通過Simulink仿真雙音多頻信號(hào)的編碼,拓展學(xué)生對(duì)基本運(yùn)算的理解和認(rèn)識(shí)。
信號(hào)的相加是指兩信號(hào)在相同時(shí)刻的值相加,進(jìn)而得到一個(gè)新的信號(hào)。設(shè)兩個(gè)信號(hào)分別為f1(t)和f2(t),它們相加的結(jié)果為y(t),則相加可表示為:
雙音多頻(Dual-tone multifrequency,DTMF)是由貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種用高低兩個(gè)頻率的信號(hào)合成電話撥號(hào)音的信令表示方法。DTMF是從高頻組(1209Hz、1336Hz、1447H)和低頻組(697Hz、770Hz、852Hz、941Hz)各選取一個(gè)頻率,可生成12種組合,表示12個(gè)電話按鍵信號(hào)。比如按鍵1的電話撥號(hào)音是由頻率為1209Hz與697Hz的兩個(gè)信號(hào)合成,而按鍵9的電話撥號(hào)音是由頻率為1447Hz與852Hz的兩個(gè)信號(hào)合成。
其中,f1和f2分別表示低頻和高頻,K1和K2分別表示低頻信號(hào)幅度和高頻信號(hào)幅度,且,頻率f1和f2的誤差要小于1.5%。根據(jù)式(2)選擇高頻正弦信號(hào)與低頻正弦信號(hào)相加,即可生成DTMF信號(hào)。本文利用Simulink生成DTMF信號(hào)的仿真模型時(shí),通過正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生低頻組信號(hào)和高頻組信號(hào),從高頻組與低頻組中各選取一個(gè)信號(hào),再利用加法器將兩者相加即可生成DTMF信號(hào),最后利用Scope和spectrump analyzer分別顯示信號(hào)時(shí)域波形和振幅譜。圖4給出了產(chǎn)生“#”鍵DTMF信號(hào)的仿真模型,即選擇低頻組941Hz與高頻組1447Hz的正弦信號(hào)輸入加法器疊加,并根據(jù)式(2)在正弦信號(hào)發(fā)生器模塊中設(shè)置941Hz信號(hào)的幅度K1=4,1447Hz信號(hào)的幅度K2=5。
圖4 Simulink合成DTMF信號(hào)仿真模型
運(yùn)行Simulink仿真模型后,仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。仿真結(jié)果顯示,生成的DTMF信號(hào)時(shí)域波形和頻譜分別為輸入高頻和低頻信號(hào)的時(shí)域波形疊加和頻譜疊加,分別如圖5第3幅圖和圖6第3幅圖所示。
圖5 Simulink生成“#”DTMF信號(hào)波形
圖6 Simulink生成“#”DTMF信號(hào)頻譜
通過切換圖4中高頻組與低頻組的開關(guān),選取不同的高低頻率組合,即可獲得其他按鍵的信號(hào)波形和頻譜。此仿真直觀地從時(shí)域和頻域展示了信號(hào)相加運(yùn)算的應(yīng)用。
本文通過Simulink利用信號(hào)相加運(yùn)算仿真了DTMF信號(hào)的生成,利用RLC串聯(lián)電路的s域模型驗(yàn)證了其線性和時(shí)不變性。Simulink仿真的引入,將晦澀的理論知識(shí)具體化、形象化,在提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性的同時(shí),加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解與掌握,更提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和獨(dú)立解決問題的能力,達(dá)到了提高教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)效率的目的。