郭交，秦立峰，靳標(biāo)

摘要：《高頻電子線(xiàn)路》是我校電子信息工程專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課程。本文針對(duì)該課程內(nèi)容多、理論性和專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn)，為了提高教學(xué)效果，在教學(xué)過(guò)程針對(duì)性地引入面向系統(tǒng)級(jí)的仿真設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力，改善教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高頻電子線(xiàn)路；系統(tǒng)級(jí)仿真；教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）46-0278-03

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和通信業(yè)的迅速發(fā)展，通信系統(tǒng)（尤其是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)）已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等多個(gè)領(lǐng)域中，因此當(dāng)前社會(huì)上迫切需要相關(guān)專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性人才，而《高頻電子線(xiàn)路》正是培養(yǎng)這類(lèi)人才所必須的，《高頻電子線(xiàn)路》也是我校電子信息工程專(zhuān)業(yè)本科生的一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課程。該課程的顯著特點(diǎn)是教材中包含內(nèi)容多、單元功能模塊電路多、元器件分析較復(fù)雜，其中關(guān)于非線(xiàn)性電路的分析也涉及到大量的理論推導(dǎo)，理論性較強(qiáng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍感覺(jué)內(nèi)容比較枯燥，難以提高學(xué)習(xí)興趣和積極性，從而造成對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、理論的理解及掌握不夠深刻。目前的高頻電子線(xiàn)路實(shí)驗(yàn)大多是基于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)板，是單元電路的驗(yàn)證性試驗(yàn)，而且其中某些實(shí)驗(yàn)易受外界干擾，實(shí)際教學(xué)效果非常有限。針對(duì)該課程在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所存在的問(wèn)題，筆者經(jīng)過(guò)近幾年具體的教學(xué)實(shí)踐，通過(guò)有針對(duì)性地引入面向系統(tǒng)級(jí)的仿真設(shè)計(jì)，使學(xué)生首先建立起無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)級(jí)的概念，同時(shí)加深對(duì)每一級(jí)單元功能電路信號(hào)模型和理論基礎(chǔ)的掌握，然后再具體從每個(gè)功能單元模塊出發(fā)，對(duì)各部分的實(shí)際電路進(jìn)行具體講解和分析，最后通過(guò)系統(tǒng)級(jí)的電路仿真對(duì)課程所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用。

一、高頻電子線(xiàn)路實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

高頻電子線(xiàn)路課程中的實(shí)驗(yàn)主要包括以下兩方面：1）利用已有實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)板的實(shí)際電路功能測(cè)試與分析實(shí)驗(yàn)，例如單/雙調(diào)諧放大器、高頻功率放大器、LC反饋式振蕩器、振幅調(diào)制/解調(diào)等，但是這些實(shí)驗(yàn)都是按照相關(guān)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)“按部就班”地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，大多是單元電路的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，其電路中的元器件參數(shù)很難調(diào)整，極大地限制了學(xué)生的創(chuàng)造能力，而且某些實(shí)驗(yàn)（例如混頻、調(diào)幅與解調(diào)等）易受外界干擾，導(dǎo)致實(shí)際教學(xué)效果非常有限。2）基于電路仿真軟件（例如Multisim，Pspice等）的功能單元電路仿真與分析，能夠在一定程度上克服實(shí)際實(shí)驗(yàn)中存在的參數(shù)調(diào)整困難、電路形式固定、易受外界干擾等問(wèn)題，但是目前大多的電路仿真分析只是停留在單獨(dú)功能單元電路的仿真上，這就使學(xué)生缺乏對(duì)無(wú)線(xiàn)通信全鏈路級(jí)的認(rèn)識(shí)和掌握。

二、面向系統(tǒng)級(jí)的仿真設(shè)計(jì)

針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合近幾年的教學(xué)實(shí)踐，通過(guò)有針對(duì)性地引入面向系統(tǒng)級(jí)的仿真設(shè)計(jì)，使學(xué)生牢固地建立起系統(tǒng)級(jí)通信系統(tǒng)的概念，加深對(duì)每一級(jí)功能電路信號(hào)模型的掌握，然后再?gòu)拿恳粋€(gè)功能單元模塊出發(fā)，對(duì)各部分的實(shí)際電路進(jìn)行具體講解和分析，最后通過(guò)電路級(jí)全系統(tǒng)仿真對(duì)課程各章節(jié)所學(xué)的獨(dú)立知識(shí)進(jìn)行綜合與運(yùn)用。

1.基于Matlab Simulink的系統(tǒng)級(jí)仿真實(shí)驗(yàn)。Simulink是Matlab環(huán)境的重要組件，能夠提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境，通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的操作可以構(gòu)造出較復(fù)雜的系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)通信系統(tǒng)的發(fā)射/接收通道在Simulink環(huán)境中進(jìn)行建模，可以使學(xué)生建立牢固的通信尤其是無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備系統(tǒng)級(jí)概念，加深對(duì)整個(gè)發(fā)射/接收鏈路和單元電路的數(shù)學(xué)模型掌握，從根本上徹底解決理論基礎(chǔ)薄弱的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于已建模的通信系統(tǒng)，也容易進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，便于分析不同參數(shù)對(duì)整個(gè)鏈路中各信號(hào)時(shí)/頻域特性的影響，另外，借助于Simulink中集成的虛擬測(cè)試儀器和Matlab自身強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析及繪圖功能，能夠?qū)θ溌分懈麝P(guān)鍵點(diǎn)處的信號(hào)波形進(jìn)行直觀(guān)觀(guān)測(cè)和深入分析。例如圖1所示為AM調(diào)制無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)射通道Simulink仿真結(jié)果，圖1（a）為AM調(diào)制仿真鏈路的建模，包括了低頻放大器、調(diào)制器、載波、功率放大器等模塊，還有相應(yīng)的虛擬示波器和相應(yīng)的頻譜分析儀，以便觀(guān)察各信號(hào)的時(shí)域與頻域波形。圖1（b）和（c）從上向下分別為消息信號(hào)、載波和AM已調(diào)波的時(shí)域波形和相應(yīng)的頻譜，從中可以形象化地觀(guān)測(cè)到輸入輸出各個(gè)信號(hào)的時(shí)域和頻域特性。

2.基于Multisim的電路級(jí)系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)?；赟imulink的系統(tǒng)級(jí)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生從通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收全鏈路出發(fā)，牢固地掌握高頻電子線(xiàn)路課程所包含的基本理論及各功能單元模塊的信號(hào)模型，在此基礎(chǔ)上，再結(jié)合教材中各獨(dú)立章節(jié)關(guān)于具體單元電路的詳細(xì)介紹，以電路的具體形式實(shí)現(xiàn)上述每個(gè)單元模塊的功能，這就要用到基于電子元器件的電路級(jí)仿真軟件，例如Multisim，電路級(jí)的仿真分析不僅能從直觀(guān)上觀(guān)測(cè)電路的組成結(jié)構(gòu)和各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電流電壓波形，而且可以較容易地調(diào)節(jié)電路中各元器件的參數(shù)，觀(guān)察到輸出信號(hào)與電路中各關(guān)鍵元器件參數(shù)之間的直接關(guān)系，能夠作為理論分析和推導(dǎo)的重要補(bǔ)充和充分驗(yàn)證，例如在改進(jìn)型三端式電容反饋振蕩器（克拉波振蕩器）的講授中，利用Multisim仿真軟件設(shè)計(jì)相應(yīng)的克拉波振蕩器電路圖，如圖2所示。圖3為克拉波振蕩器輸出的正弦振蕩信號(hào)波形和相應(yīng)的實(shí)時(shí)頻率測(cè)量結(jié)果，通過(guò)比較圖3（a）和（b）可以得出，通過(guò)改變電路中C4的電容量，振蕩器的輸出頻率會(huì)有明顯變化，可以和理論估算的結(jié)果相對(duì)比，以驗(yàn)證理論分析和相關(guān)參數(shù)工程估算的正確性。在講解完各單元模塊電路的基礎(chǔ)上，就可以實(shí)現(xiàn)電路的系統(tǒng)級(jí)仿真，建議初始階段以分立元件為主進(jìn)行全鏈路的設(shè)計(jì)和分析，后續(xù)可以利用現(xiàn)有的集成IC芯片完成相應(yīng)的高頻電路設(shè)計(jì)。

三、結(jié)論

經(jīng)過(guò)近幾年高頻電子線(xiàn)路課程的實(shí)踐教學(xué)，逐漸發(fā)現(xiàn)了在該課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問(wèn)題，并通過(guò)有針對(duì)性地引入面向系統(tǒng)級(jí)的仿真設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后的講授獲得了學(xué)生的普遍認(rèn)可和廣泛好評(píng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性顯著增加，對(duì)基本概念的掌握更加牢固，實(shí)際分析及解決問(wèn)題的能力也有了一定提升，教學(xué)質(zhì)量明顯提高，后續(xù)將進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)有的集成IC芯片，從系統(tǒng)級(jí)電路仿真實(shí)驗(yàn)向“高頻電路設(shè)計(jì)-PCB設(shè)計(jì)-電路焊接、測(cè)試與分析”層面發(fā)展，以期進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)出滿(mǎn)足社會(huì)需求的卓越人才。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾興雯，劉乃安，陳健，等.高頻電路原理與分析（第五版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2013.

[2]曾興雯，劉乃安，陳健，等.高頻電子線(xiàn)路輔導(dǎo)書(shū)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]黃智偉，黃國(guó)玉，王麗君，等.基于NI Multisim的電子電路計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與分析[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[4]呂波，王敏，等.Multisim 14電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[5]何俊，房靈芝，張華，等.從第二屆全國(guó)電工電子基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽談創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（02）.

[6]王成剛，應(yīng)朝龍，李建海，等.電工電子實(shí)踐技能培養(yǎng)教學(xué)體系建設(shè)與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（03）：217- 221.