面向系統級仿真設計的高頻電子線路課程改革

郭交，秦立峰，靳標

摘要：《高頻電子線路》是我校電子信息工程專業本科生的一門專業核心課程。本文針對該課程內容多、理論性和專業性強等特點，為了提高教學效果，在教學過程針對性地引入面向系統級的仿真設計，提高學生的學習興趣和實踐能力，改善教學質量。

關鍵詞：高頻電子線路；系統級仿真；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）46-0278-03

隨著現代電子技術和通信業的迅速發展，通信系統（尤其是無線通信系統）已廣泛應用于工農業生產和日常生活等多個領域中，因此當前社會上迫切需要相關專業理論知識扎實、實踐能力強的專業性人才，而《高頻電子線路》正是培養這類人才所必須的，《高頻電子線路》也是我校電子信息工程專業本科生的一門專業核心課程。該課程的顯著特點是教材中包含內容多、單元功能模塊電路多、元器件分析較復雜，其中關于非線性電路的分析也涉及到大量的理論推導，理論性較強，學生在學習過程中普遍感覺內容比較枯燥，難以提高學習興趣和積極性，從而造成對基礎知識、理論的理解及掌握不夠深刻。目前的高頻電子線路實驗大多是基于現有的實驗箱或實驗板，是單元電路的驗證性試驗，而且其中某些實驗易受外界干擾，實際教學效果非常有限。針對該課程在理論和實驗教學中所存在的問題，筆者經過近幾年具體的教學實踐，通過有針對性地引入面向系統級的仿真設計，使學生首先建立起無線通信系統級的概念，同時加深對每一級單元功能電路信號模型和理論基礎的掌握，然后再具體從每個功能單元模塊出發，對各部分的實際電路進行具體講解和分析，最后通過系統級的電路仿真對課程所學知識進行綜合運用。

一、高頻電子線路實驗的特點

高頻電子線路課程中的實驗主要包括以下兩方面：1）利用已有實驗箱或實驗板的實際電路功能測試與分析實驗，例如單/雙調諧放大器、高頻功率放大器、LC反饋式振蕩器、振幅調制/解調等，但是這些實驗都是按照相關的實驗指導書“按部就班”地進行實驗操作，大多是單元電路的驗證性實驗，其電路中的元器件參數很難調整，極大地限制了學生的創造能力，而且某些實驗（例如混頻、調幅與解調等）易受外界干擾，導致實際教學效果非常有限。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際實驗中存在的參數調整困難、電路形式固定、易受外界干擾等問題，但是目前大多的電路仿真分析只是停留在單獨功能單元電路的仿真上，這就使學生缺乏對無線通信全鏈路級的認識和掌握。

二、面向系統級的仿真設計

針對上述問題，結合近幾年的教學實踐，通過有針對性地引入面向系統級的仿真設計，使學生牢固地建立起系統級通信系統的概念，加深對每一級功能電路信號模型的掌握，然后再從每一個功能單元模塊出發，對各部分的實際電路進行具體講解和分析，最后通過電路級全系統仿真對課程各章節所學的獨立知識進行綜合與運用。

1.基于Matlab Simulink的系統級仿真實驗。Simulink是Matlab環境的重要組件，能夠提供動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境，通過相對簡單的操作可以構造出較復雜的系統。通過對通信系統的發射/接收通道在Simulink環境中進行建模，可以使學生建立牢固的通信尤其是無線通信設備系統級概念，加深對整個發射/接收鏈路和單元電路的數學模型掌握，從根本上徹底解決理論基礎薄弱的問題，同時對于已建模的通信系統，也容易進行相關參數的調整，便于分析不同參數對整個鏈路中各信號時/頻域特性的影響，另外，借助于Simulink中集成的虛擬測試儀器和Matlab自身強大的數據分析及繪圖功能，能夠對全鏈路中各關鍵點處的信號波形進行直觀觀測和深入分析。例如圖1所示為AM調制無線通信系統的發射通道Simulink仿真結果，圖1（a）為AM調制仿真鏈路的建模，包括了低頻放大器、調制器、載波、功率放大器等模塊，還有相應的虛擬示波器和相應的頻譜分析儀，以便觀察各信號的時域與頻域波形。圖1（b）和（c）從上向下分別為消息信號、載波和AM已調波的時域波形和相應的頻譜，從中可以形象化地觀測到輸入輸出各個信號的時域和頻域特性。

2.基于Multisim的電路級系統仿真實驗。基于Simulink的系統級仿真實驗能夠使學生從通信系統的發射和接收全鏈路出發，牢固地掌握高頻電子線路課程所包含的基本理論及各功能單元模塊的信號模型，在此基礎上，再結合教材中各獨立章節關于具體單元電路的詳細介紹，以電路的具體形式實現上述每個單元模塊的功能，這就要用到基于電子元器件的電路級仿真軟件，例如Multisim，電路級的仿真分析不僅能從直觀上觀測電路的組成結構和各個關鍵點的電流電壓波形，而且可以較容易地調節電路中各元器件的參數，觀察到輸出信號與電路中各關鍵元器件參數之間的直接關系，能夠作為理論分析和推導的重要補充和充分驗證，例如在改進型三端式電容反饋振蕩器（克拉波振蕩器）的講授中，利用Multisim仿真軟件設計相應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波形和相應的實時頻率測量結果，通過比較圖3（a）和（b）可以得出，通過改變電路中C4的電容量，振蕩器的輸出頻率會有明顯變化，可以和理論估算的結果相對比，以驗證理論分析和相關參數工程估算的正確性。在講解完各單元模塊電路的基礎上，就可以實現電路的系統級仿真，建議初始階段以分立元件為主進行全鏈路的設計和分析，后續可以利用現有的集成IC芯片完成相應的高頻電路設計。

三、結論

經過近幾年高頻電子線路課程的實踐教學，逐漸發現了在該課程理論和實驗教學中存在的一些問題，并通過有針對性地引入面向系統級的仿真設計，經過上述改進后的講授獲得了學生的普遍認可和廣泛好評，學生的學習興趣和積極性顯著增加，對基本概念的掌握更加牢固，實際分析及解決問題的能力也有了一定提升，教學質量明顯提高，后續將進一步結合現有的集成IC芯片，從系統級電路仿真實驗向“高頻電路設計-PCB設計-電路焊接、測試與分析”層面發展，以期進一步提高學生的實踐和創新能力，培養出滿足社會需求的卓越人才。

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