第六講MATLAB仿真測量儀器

1、第六講MATLAB仿真測量儀器 應(yīng)用應(yīng)用MATLAB的的Simulink仿真實驗方法可以建仿真實驗方法可以建 立仿真的實驗環(huán)境立仿真的實驗環(huán)境。直接應(yīng)用。直接應(yīng)用MATLAB工具箱中的工具箱中的 測量儀器或構(gòu)建滿足工作需要的測量儀器，既能提測量儀器或構(gòu)建滿足工作需要的測量儀器，既能提 高仿真實驗工作的效率，又使仿真實驗豐富多彩。高仿真實驗工作的效率，又使仿真實驗豐富多彩。 本章介紹應(yīng)用本章介紹應(yīng)用Simulink構(gòu)建和使用測量儀器的構(gòu)建和使用測量儀器的 方法。方法。 第六講MATLAB仿真測量儀器 在在MATLABMATLAB工具庫中有工具庫中有Dials&Gauges Blockset（撥（

2、撥 號盤和儀表盤）工具箱，其中在號盤和儀表盤）工具箱，其中在Global Magic ActiveX Library中有豐富的儀表盤、顯示器、按鍵和控制開關(guān)。中有豐富的儀表盤、顯示器、按鍵和控制開關(guān)。 第六講MATLAB仿真測量儀器 6.2.1 指針式電壓表指針式電壓表 指針式儀表將輸入的量值用圖形化的指針與指針式儀表將輸入的量值用圖形化的指針與 相應(yīng)的刻度表示出來，并通過參數(shù)設(shè)置對話框來相應(yīng)的刻度表示出來，并通過參數(shù)設(shè)置對話框來 設(shè)置儀表的外觀、量程、刻度、顏色及字型等。設(shè)置儀表的外觀、量程、刻度、顏色及字型等。 指針式電壓表取自指針式電壓表取自Angular Gauges（角（角 度儀表盤

3、）模塊。度儀表盤）模塊。 第六講MATLAB仿真測量儀器 指針式電壓表仿真框圖指針式電壓表仿真框圖 第六講MATLAB仿真測量儀器 正弦信號發(fā)生器參數(shù)設(shè)置正弦信號發(fā)生器參數(shù)設(shè)置 可以是一個標(biāo)量或長度為可以是一個標(biāo)量或長度為N的向的向 量，三者向量長度必須一致。量，三者向量長度必須一致。 確定輸出是離散形式的正弦信號還確定輸出是離散形式的正弦信號還 是連續(xù)形式的正弦信號。是連續(xù)形式的正弦信號。 產(chǎn)生正弦波的類型：實數(shù)形式、復(fù)產(chǎn)生正弦波的類型：實數(shù)形式、復(fù) 數(shù)形式。數(shù)形式。 產(chǎn)生離散正弦波的方式：產(chǎn)生離散正弦波的方式：Table lookup、Differential。 正弦波的采樣周期，在參數(shù)正

4、弦波的采樣周期，在參數(shù) Sample mode 設(shè)為設(shè)為Continuous 時，無效。時，無效。 第六講MATLAB仿真測量儀器 指針式電壓表參數(shù)設(shè)置對話框指針式電壓表參數(shù)設(shè)置對話框 第六講MATLAB仿真測量儀器 6.2.2 數(shù)字式電壓表數(shù)字式電壓表 數(shù)字式電壓表取自數(shù)字式電壓表取自LEDLED（自發(fā)光）二極管模塊。（自發(fā)光）二極管模塊。 第六講MATLAB仿真測量儀器 Time range: 默認(rèn)為默認(rèn)為10，顯示在，顯示在 0,10區(qū)間的信號。若信號實際區(qū)間的信號。若信號實際 持續(xù)時間超過設(shè)定時間，不顯示持續(xù)時間超過設(shè)定時間，不顯示 區(qū)間外內(nèi)容。區(qū)間外內(nèi)容。 包含：抽選包含：抽選Dec

5、imation和采樣時和采樣時 間間Sample time。 Decimation：設(shè)置顯示頻度。若：設(shè)置顯示頻度。若 取取n，則每隔，則每隔n1個數(shù)據(jù)點(diǎn)給予顯個數(shù)據(jù)點(diǎn)給予顯 示，默認(rèn)值為示，默認(rèn)值為1。 Sample time：設(shè)置顯示點(diǎn)的采樣：設(shè)置顯示點(diǎn)的采樣 時間間隔。時間間隔。 設(shè)定緩沖區(qū)接受數(shù)據(jù)的長度，默設(shè)定緩沖區(qū)接受數(shù)據(jù)的長度，默 認(rèn)為勾選狀態(tài)，值為認(rèn)為勾選狀態(tài)，值為5000。 多信號顯示區(qū)設(shè)置。默認(rèn)為多信號顯示區(qū)設(shè)置。默認(rèn)為1，模塊，模塊 有有1個輸入口，個輸入口，Scope只有一個信號只有一個信號 顯示區(qū)。顯示區(qū)。 第六講MATLAB仿真測量儀器 設(shè)置顯示數(shù)據(jù)的抽選頻度，默認(rèn)設(shè)

6、置顯示數(shù)據(jù)的抽選頻度，默認(rèn) 為為1，每點(diǎn)顯示，每點(diǎn)顯示，n 為間隔（為間隔（n 1）點(diǎn)顯示。）點(diǎn)顯示。 Display模塊：動態(tài)顯示某個信號的數(shù)值結(jié)果。模塊：動態(tài)顯示某個信號的數(shù)值結(jié)果。 采樣時間，采樣時間，1表示從驅(qū)動模塊繼表示從驅(qū)動模塊繼 承。承。 第六講MATLAB仿真測量儀器 數(shù)字式電壓表參數(shù)設(shè)置對話框數(shù)字式電壓表參數(shù)設(shè)置對話框 第六講MATLAB仿真測量儀器 6.3.1 示波器示波器 用計算機(jī)仿真的示波器應(yīng)用的是數(shù)字技術(shù)，可以用計算機(jī)仿真的示波器應(yīng)用的是數(shù)字技術(shù)，可以 觀測單次現(xiàn)象，正確設(shè)置參數(shù)后，可以保持結(jié)束時的觀測單次現(xiàn)象，正確設(shè)置參數(shù)后，可以保持結(jié)束時的 波形。波形。 例例1：

7、用示波器（：用示波器（Scope）顯示）顯示1GHz正弦波正弦波 第六講MATLAB仿真測量儀器 1GHz正弦波顯示仿真系統(tǒng)框圖正弦波顯示仿真系統(tǒng)框圖 第六講MATLAB仿真測量儀器 示波器主要參數(shù)設(shè)置示波器主要參數(shù)設(shè)置 確定各坐標(biāo)系是否帶有坐標(biāo)軸標(biāo)確定各坐標(biāo)系是否帶有坐標(biāo)軸標(biāo) 簽。簽。all：全部坐標(biāo)系都使用坐標(biāo)：全部坐標(biāo)系都使用坐標(biāo) 軸標(biāo)簽。軸標(biāo)簽。 第六講MATLAB仿真測量儀器 1GHz正弦波的示波器顯示正弦波的示波器顯示 時間偏移：給出時間的起始偏移量時間偏移：給出時間的起始偏移量 （即顯示時間范圍的起始時刻）。（即顯示時間范圍的起始時刻）。 第六講MATLAB仿真測量儀器 例例2：

8、多蹤示波器（：多蹤示波器（Scope）的仿真）的仿真 本例用示波器顯示七蹤信號的仿真。本例用示波器顯示七蹤信號的仿真。 計算輸入的和或差，其輸入可以計算輸入的和或差，其輸入可以 是標(biāo)量、向量或矩陣。是標(biāo)量、向量或矩陣。 第六講MATLAB仿真測量儀器 伯努利信號發(fā)生器產(chǎn)生伯努利分布的伯努利信號發(fā)生器產(chǎn)生伯努利分布的 隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)。隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)。 表示輸出中表示輸出中“0”出現(xiàn)的概率。出現(xiàn)的概率。 表示初始的種子值，可以與表示初始的種子值，可以與 Probability of zero項維數(shù)相同的項維數(shù)相同的 向量，也可是一個標(biāo)量。向量，也可是一個標(biāo)量。 對基于采樣的輸出信號，是向量對基于采樣的

9、輸出信號，是向量 元素的周期，對基于幀的矩陣，元素的周期，對基于幀的矩陣， 是每行的周期。是每行的周期。 第六講MATLAB仿真測量儀器 常量模塊產(chǎn)生一個常數(shù)或復(fù)數(shù)的常量模塊產(chǎn)生一個常數(shù)或復(fù)數(shù)的 常量值，其輸出可是標(biāo)量、向量常量值，其輸出可是標(biāo)量、向量 或矩陣?；蚓仃?。 第六講MATLAB仿真測量儀器 七路信號顯示在同一示波器上七路信號顯示在同一示波器上 第六講MATLAB仿真測量儀器 6.3.2 X-Y記錄儀記錄儀 最早最早X-Y記錄儀的應(yīng)用是觀察李沙育圖形，用標(biāo)記錄儀的應(yīng)用是觀察李沙育圖形，用標(biāo) 準(zhǔn)信號與待測信號形成的李沙育圖形進(jìn)行頻率的測量。準(zhǔn)信號與待測信號形成的李沙育圖形進(jìn)行頻率的測量

10、。 例：用例：用X-Y記錄儀顯示李沙育圖形。記錄儀顯示李沙育圖形。 第六講MATLAB仿真測量儀器 信號發(fā)生器參數(shù)設(shè)置信號發(fā)生器參數(shù)設(shè)置 第六講MATLAB仿真測量儀器 采樣時間一般是采樣時間一般是X、Y輸入信號中輸入信號中 較高的頻率的信號周期的較高的頻率的信號周期的 1/101/20,否則看不到理想的李沙否則看不到理想的李沙 育圖形。育圖形。 第六講MATLAB仿真測量儀器 6.4.1 1G信號的頻譜信號的頻譜 例：用頻譜儀（例：用頻譜儀（Spectrum Scope）顯示）顯示1GHz信號信號 的頻譜。的頻譜。 當(dāng)用戶把連續(xù)時間的當(dāng)用戶把連續(xù)時間的Source blocks連接到離散時間

11、模塊時，連接到離散時間模塊時， 需要零階保持模塊將信號離散化，需要零階保持模塊將信號離散化， 并且在零階保持模塊的采樣時間并且在零階保持模塊的采樣時間 參數(shù)中設(shè)置信號的采樣周期。參數(shù)中設(shè)置信號的采樣周期。 第六講MATLAB仿真測量儀器 頻譜儀參數(shù)設(shè)置要點(diǎn)：頻譜儀參數(shù)設(shè)置要點(diǎn)： v 參數(shù)設(shè)置對話框有四種激活參數(shù)設(shè)置對話框有四種激活Show（顯示）的選項（顯示）的選項 Show scope properties（顯示示波器（顯示示波器 特性）：特性）： 用于設(shè)定存儲器長度、用于設(shè)定存儲器長度、FFT長度、長度、 交疊的長度、計算平均值的點(diǎn)數(shù)與交疊的長度、計算平均值的點(diǎn)數(shù)與 計算快速傅立葉變換的方

12、法有關(guān)的計算快速傅立葉變換的方法有關(guān)的 量。量。 Show display properties（顯示特性）（顯示特性） 彈出的對話框可設(shè)定：顯示時是否加彈出的對話框可設(shè)定：顯示時是否加 Show grid（坐標(biāo)刻度線），顯示窗（坐標(biāo)刻度線），顯示窗 口是否有口是否有l(wèi)egend（圖例），是否有（圖例），是否有 Frame number（幀數(shù)顯示）等。（幀數(shù)顯示）等。 Show axis properties（顯示坐標(biāo)（顯示坐標(biāo) 軸特性）軸特性） 用于設(shè)定采用時間、頻率范圍、用于設(shè)定采用時間、頻率范圍、 坐標(biāo)刻度是對數(shù)還是線性、坐標(biāo)刻度是對數(shù)還是線性、Y軸軸 顯示的范圍、與顯示窗的水平垂顯示的

13、范圍、與顯示窗的水平垂 直坐標(biāo)刻度有關(guān)的量。直坐標(biāo)刻度有關(guān)的量。 Show line properties（線條特性）：（線條特性）： 可設(shè)定與線條顯示有關(guān)的參數(shù)，如可設(shè)定與線條顯示有關(guān)的參數(shù)，如 Line visibility（可視性）、（可視性）、Styles（線（線 形）、形）、Markets（標(biāo)記）、（標(biāo)記）、Colors （顏色）等。（顏色）等。 第六講MATLAB仿真測量儀器 v 頻譜儀應(yīng)用快速頻譜儀應(yīng)用快速FFT變換完成數(shù)據(jù)流從時域到頻域的變換變換完成數(shù)據(jù)流從時域到頻域的變換 Buffer size（緩存長度）：（緩存長度）： 同同F(xiàn)FTFFT長度長度N N，N N必須為必須為2

14、 2的冪；的冪； N N（即時窗的長短）的大小決（即時窗的長短）的大小決 定了頻譜儀的分辨率，定了頻譜儀的分辨率，N N越大，越大， 頻率分辨率越高。頻率分辨率越高。 進(jìn)行進(jìn)行FFT變換，數(shù)據(jù)流分段時變換，數(shù)據(jù)流分段時 Buffer overlap（重疊的長度）、（重疊的長度）、 Number of spectral average（頻（頻 譜數(shù)據(jù)的平均數(shù)）會影響頻譜特譜數(shù)據(jù)的平均數(shù)）會影響頻譜特 性的平滑程度，這兩個數(shù)值越大，性的平滑程度，這兩個數(shù)值越大， 特性越平滑。特性越平滑。 第六講MATLAB仿真測量儀器 v 所研究的譜線應(yīng)出現(xiàn)在頻譜儀顯示窗的中間，能看到在頻所研究的譜線應(yīng)出現(xiàn)在頻譜

15、儀顯示窗的中間，能看到在頻 率軸上譜線的低端和高端的情況，便于觀察分析。率軸上譜線的低端和高端的情況，便于觀察分析。 輸入信號的采樣頻率應(yīng)該取輸入信號的采樣頻率應(yīng)該取 為期望的頻率顯示窗最大值為期望的頻率顯示窗最大值 的兩倍。的兩倍。 采樣頻率采樣頻率Fs4e9，則，則1GHz的的 頻率刻度正好在頻譜儀顯示頻率刻度正好在頻譜儀顯示 窗的中心。窗的中心。 第六講MATLAB仿真測量儀器 v 頻譜儀的采樣頻率與被測信號的采樣頻率要一致。頻譜儀的采樣頻率與被測信號的采樣頻率要一致。 采樣保持電路設(shè)定的參數(shù)采樣保持電路設(shè)定的參數(shù) Sample time應(yīng)與頻譜儀的采應(yīng)與頻譜儀的采 樣時間相同。樣時間相

16、同。 第六講MATLAB仿真測量儀器 6.4.2 m序列的頻譜序列的頻譜 m序列是一種偽隨機(jī)序列，有優(yōu)良的自相關(guān)函數(shù)，序列是一種偽隨機(jī)序列，有優(yōu)良的自相關(guān)函數(shù)， 是狹義的偽噪聲序列，易于產(chǎn)生和復(fù)制，在擴(kuò)展頻是狹義的偽噪聲序列，易于產(chǎn)生和復(fù)制，在擴(kuò)展頻 譜技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。其定義見譜技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。其定義見8.1節(jié)。節(jié)。 例例1：用示波器和頻譜儀觀察：用示波器和頻譜儀觀察m序列的時域和頻域圖形。序列的時域和頻域圖形。 偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器仿真模型偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器仿真模型 第六講MATLAB仿真測量儀器 表示生成多項式的系數(shù)向量，表表示生成多項式的系數(shù)向量，表 示移位寄存器反饋連接的關(guān)系

17、。示移位寄存器反饋連接的關(guān)系。 表示移位寄存器的初始狀態(tài)的向表示移位寄存器的初始狀態(tài)的向 量（長度為生成多項式的階數(shù)，量（長度為生成多項式的階數(shù)， 元素值為二進(jìn)制數(shù)）。元素值為二進(jìn)制數(shù)）。 注意：多項式系數(shù)個數(shù)比階數(shù)大注意：多項式系數(shù)個數(shù)比階數(shù)大1。 第六講MATLAB仿真測量儀器 Spectrum Scope（頻譜儀）主要參數(shù)設(shè)置（頻譜儀）主要參數(shù)設(shè)置 第六講MATLAB仿真測量儀器 示波器顯示的示波器顯示的m m序列波形圖序列波形圖頻譜儀顯示的頻譜儀顯示的m m序列的頻譜圖序列的頻譜圖 m序列波形圖可看成序列波形圖可看成m序列與以序列與以1515為周期的沖激序列的卷積。為周期的沖激序列的卷

18、積。 m序列頻譜圖是以序列頻譜圖是以15為周期的沖激序列的頻譜與為周期的沖激序列的頻譜與m序列的碼序列的碼 元（寬度為元（寬度為1）的方波對應(yīng)的譜特性的相乘結(jié)果。）的方波對應(yīng)的譜特性的相乘結(jié)果。 第六講MATLAB仿真測量儀器 例例2：周期為：周期為15 的沖激序列的時域波形和頻譜。的沖激序列的時域波形和頻譜。 第六講MATLAB仿真測量儀器 周期（周期（Ts15）沖激序列的頻譜）沖激序列的頻譜 是間隔為是間隔為1/Ts的序列譜線的序列譜線 頻譜圖頻譜圖 時域波形（脈寬占周期的時域波形（脈寬占周期的1） 第六講MATLAB仿真測量儀器 時域波形（脈寬占周時域波形（脈寬占周 期的期的3） 周期單

19、位沖激序列與窄方周期單位沖激序列與窄方 波卷積后波形的頻譜波卷積后波形的頻譜 第六講MATLAB仿真測量儀器 例例3：碼元寬度為：碼元寬度為1 的隨機(jī)信號的時域波形和頻譜。的隨機(jī)信號的時域波形和頻譜。 第六講MATLAB仿真測量儀器 時域波形時域波形頻譜頻譜 可以看出：脈寬為可以看出：脈寬為1的方波的頻譜類似沖激函數(shù)的形狀，的方波的頻譜類似沖激函數(shù)的形狀， 在在 1、 2、 3處分別是第處分別是第1、2、3零諧振點(diǎn)零諧振點(diǎn)。 第六講MATLAB仿真測量儀器 6.4.3 FM頻率調(diào)制信號帶寬實驗頻率調(diào)制信號帶寬實驗 通信模塊庫通信模塊庫調(diào)制解調(diào)調(diào)制解調(diào) 調(diào)制解調(diào)技術(shù)案通信信號是模擬的還是數(shù)字的，

20、調(diào)制解調(diào)技術(shù)案通信信號是模擬的還是數(shù)字的， 分為：模擬調(diào)制解調(diào)和數(shù)字調(diào)制解調(diào)。都是通過將通信分為：模擬調(diào)制解調(diào)和數(shù)字調(diào)制解調(diào)。都是通過將通信 信號的信息加載到載波的幅度、頻率或相位上，因此，信號的信息加載到載波的幅度、頻率或相位上，因此， 調(diào)制解調(diào)又可分為：幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。調(diào)制解調(diào)又可分為：幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。 模擬調(diào)制技術(shù) 幅度調(diào)制AM頻率調(diào)制FM相位調(diào)制PM 正交幅度調(diào) 制QAM 單邊帶調(diào)制 SSB 雙邊帶調(diào)制 DSB 第六講MATLAB仿真測量儀器 2. Simulink對調(diào)制解調(diào)過程的仿真有兩種：對調(diào)制解調(diào)過程的仿真有兩種： 通帶仿真和基帶仿真。通帶仿真和基帶仿

21、真。 通帶仿真：通帶仿真的載波信號包含在模型的發(fā)射部分，通帶仿真：通帶仿真的載波信號包含在模型的發(fā)射部分， 載波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的最高頻率。載波頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號的最高頻率。 基帶仿真：低通等效法仿真，它使用的是通帶信號的復(fù)基帶仿真：低通等效法仿真，它使用的是通帶信號的復(fù) 數(shù)包絡(luò)。當(dāng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)的參數(shù)選擇或性能要求不是設(shè)數(shù)包絡(luò)。當(dāng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)的參數(shù)選擇或性能要求不是設(shè) 計的關(guān)鍵時，為加快仿真速度，通常使用基帶仿真。計的關(guān)鍵時，為加快仿真速度，通常使用基帶仿真。 第六講MATLAB仿真測量儀器 3、FM頻率調(diào)制概念頻率調(diào)制概念 載波信號：載波信號： )cos()(cos)( 00 tAtAtc 頻

22、率調(diào)制的定義：若使瞬時頻率直接隨調(diào)制信號頻率調(diào)制的定義：若使瞬時頻率直接隨調(diào)制信號m（t） 線性地變化，則稱為頻率調(diào)制。線性地變化，則稱為頻率調(diào)制。 這時，瞬時角頻率為這時，瞬時角頻率為 及瞬時相位為及瞬時相位為 這時，已調(diào)信號的表示式為：這時，已調(diào)信號的表示式為： )()( 0 tmkt fi 000 )()()(dttmktdttt fi )(cos)( 00 dttmktAts ff 上式表明，載波相位隨調(diào)制信號的積分線性地變化上式表明，載波相位隨調(diào)制信號的積分線性地變化 。 k f 是調(diào)制常數(shù)。是調(diào)制常數(shù)。 第六講MATLAB仿真測量儀器 4、FM頻率調(diào)制信號帶寬實驗頻率調(diào)制信號帶寬實

23、驗 FM Modulator Passband 模塊模塊 模塊進(jìn)行頻率調(diào)制，輸出為通帶形式的調(diào)制信號，模塊進(jìn)行頻率調(diào)制，輸出為通帶形式的調(diào)制信號， 輸出信號的頻率隨輸入信號的幅度而改變。輸出信號的頻率隨輸入信號的幅度而改變。 若輸入信號為時間函數(shù)若輸入信號為時間函數(shù)u（t），則輸出信號為：），則輸出信號為： fc為載頻，為載頻，為初始相位，為初始相位，Kc為調(diào)制常數(shù)。為調(diào)制常數(shù)。 cos(22( ) cc t f tKud 第六講MATLAB仿真測量儀器 例：兩個調(diào)頻信號的頻譜分布仿真實驗系統(tǒng)。例：兩個調(diào)頻信號的頻譜分布仿真實驗系統(tǒng)。 觀測兩個幅度為觀測兩個幅度為1，頻率為，頻率為50Hz的正弦信號，分別調(diào)的正弦信號，分別調(diào) 制在制在1000Hz和和1400Hz的載頻上，調(diào)制指數(shù)的載頻上，調(diào)制指數(shù)m2。 第六講MATLAB仿真測量儀器 信號發(fā)生器主要參數(shù)（本例中為調(diào)制信號）信號發(fā)生器主要參數(shù)（本例中為調(diào)制信號） 第六講MATLAB仿真測量儀器 調(diào)