高頻電子技術虛擬仿真實驗系統設計與實現

徐金榮，郭彩萍

（太原工業學院電子工程系，山西太原 030008）

高頻電子技術是電子信息工程的基礎課程之一，旨在培養具有扎實的通信電子電路專業理論知識、實踐能力和工程設計能力的學生。以電路分析基礎、模擬電子線路和信號與系統等課程為基礎，為學習通信理論、移動通信技術、射頻電路設計等后續課程奠定基礎。該課程屬于非線性電路的范疇，電路從線性到非線性，在電子電路課程中被看作是“最實用、最難教與學”的課程。然而由于課堂上教學時間相對較少，并且課堂上學生人數較多，課程內容略微晦澀難懂，在如此有限的時間內很難取得預期的教學效果。如何在有限的時間內使用不同的方法讓學生加深對課堂內容的理解和最大限度地培養學生獨立分析相關問題的能力是值得探討和研究的一項課題[1]。

高頻電子技術實驗室在每個理工類大學都是必不可少的，傳統的高頻電子實驗室不僅占地面積大，且功能比較固定，實驗項目過于單一，更換設備需要的資金比較龐大，并且實驗器材容易滯后無法緊跟時代，在實驗過程中和后期維護時也會消耗大量資金[2]。以上弊端在一些經費緊張的學院在修建此類實驗室時尤其突出。隨著計算機科學與技術的發展，不僅在計算機上實行軟件仿真代替一些設備某些功能的能力愈發成熟，同時也可以幫助經費不足的學校在計算機網絡技術的支持下讓學生利用學校建設的虛擬實驗室進行模擬仿真實驗，來彌補缺少或設備老舊實驗室的不足。利用優秀的EWB、MATLAB、Multisim 等計算機輔助軟件系統，教師和學生可以設計和模擬高頻電子電路。仿真電路、模擬波形、參數設置和結果實時顯示，從而把抽象的技術難點的具體內容可視化，把復雜繁瑣的實際問題簡單化，顯著增強了教學效果[3]。因此，高頻電子技術的仿真設計系統對于學生去理解和掌握這門課起到了至關重要的作用，設計一個簡捷有效、易于操作的高頻電子技術虛擬仿真系統是需要著重解決的關鍵問題[4]。

1 仿真系統的設計框架

實驗系統采用MATLAB 的App Designer 技術進行圖形界面的開發，界面設計的接口不需要手動設計，可以直接通過組件屬性窗口進行修改，并且程序也可以自動修改，大大提高了開發的效率。

1.1 App Designer技術

以MATLAB2019a為例介紹使用方法：

（1）首先打開MATLAB，并打開App Designer 設計工具，或者在命令行輸App Designer。

（2）進入App Designer設計界面，界面比較簡潔，左側是常用的功能區域，右側是代碼目錄行，中間是設計區域，在設計區域可以切換到代碼視圖。

（3）可以直接從左側界面拖動想要的功能模塊，進入設計區，然后在模塊屬性區域進行編輯屬性，相應的基本代碼會自動更新，開發者只需要關注回調函數的內容編輯即可。

（4）完成設計后，直接點擊運行，即可進行在線調試，可實時看到設計的App 效果，App Designer 的App可視化效果相較于GUI有了很大的提升。

1.2 虛擬實驗系統的內容

根據高頻電子技術教學大綱要求，利用App Designer 設計一套關于高頻電子技術課程的虛擬實驗系統。該實驗系統包括高頻小信號放大器、高頻功率放大器、Hartley振蕩器、Colpitts振蕩器、Clapp振蕩器、Seiler振蕩器、AM 調幅及解調、DSB 調幅及解調、SSB調幅及解調、模擬乘法混頻、調頻及鑒頻、調相及鑒相共11 部分的內容，涵蓋了高頻電子技術課程的主要內容。實驗系統從原理電路、參數設置、波形輸出等角度展示內容的基本原理，分析方法及性能指標、波形變化，全方位、多角度地幫助人們學習高頻電子技術的課程，幫助掌握模擬通信系統的基本單元電路的組成、基本工作原理及基本分析電路方法。培養學生具有一定工程實踐的分析及解決問題的能力。

1.3 登錄及注冊界面

采用MATLAB軟件實現高頻電子技術虛擬仿真實驗平臺。該平臺需要完成注冊界面、登錄界面、每個實驗項目的仿真界面等內容。以如何實現注冊登錄界面為例介紹，圖1為注冊登記界面的流程圖。為了安全及保密性等要求，系統需使用賬號登錄，登錄成功，系統則跳轉仿真系統的主界面，進入主界面。

圖1 注冊及登記界面的流程圖

在制作登錄界面時需要用到數值框、文本框及按鈕。首先在MATLAB 軟件中打開App designer，頁面左側是常用的功能區域，右側是代碼目錄行，中間是設計區域。登錄界面主要功能是驗證賬戶密碼的正確性，如沒有賬戶，系統會提醒你：“如沒有賬號請注冊賬號”，此時可以點擊注冊按鈕進行注冊。在注冊界面，實現賬號和密碼的注冊，并將賬號密碼保存到數據庫，用于登錄時比對賬戶密碼是否正確。

2 仿真系統的實現

賬戶密碼驗證通過之后就進入到系統的主界面，該系統的仿真主界面包括12個實驗項目，分別為高頻小信號調諧放大器、非線性丙類功率放大器、Hartley 振蕩器、Colpitts 振蕩器、Clapp 振蕩器、Seiler振蕩器、AM、DSB 和SSB 調幅及解調、混頻、調頻及鑒頻、調相及鑒相。實驗項目涵蓋了課程的主要教學內容，符合教學大綱要求。根據需求進入到對應的實驗項目進行仿真。每個實驗項目實現參數動態設置和修改，以圖形化和數據顯示實驗結果，直觀反映參數改變對電路功能的影響。

2.1 AM調幅及解調實驗

整個實驗系統包括12項實驗內容，以AM調幅為例，要實現AM調幅信號，首先要設計調幅電路，可以采用高電平調幅和低電平調幅兩種方法。高電平調幅方法主要借助丙類功率放大器來實現AM信號，既實現功率放大，又實現幅度調制功能，而低電平調幅借助乘法器實現。通過電路設置合適的調幅系數，輸入信號包括載波、調制信，參數需要3個數值框。一個圖片框用于展示AM 調幅及解調電路，7 個顯示波形的坐標區用于展示輸入輸出信號及對應的頻譜，還需要相關按鍵用于后臺功能鏈接。最終實現效果如圖2，為了便于觀察，該實驗預設載波參數2 000 Hz，調制信號頻率200 Hz，調幅系數0.5，得到調幅信號的輸出波形，通過波形可以得到輸出的波形的包絡和調制信號成線性比例關系。同時還可以觀測輸入輸出信號的頻譜，發現調幅信號實現了頻譜的線性搬移，將調制信號搬到載波兩側，頻譜的結構沒有發生變化。當然可是實時修改載波的頻率及調制信號的波形和調幅系數，達到實時顯示波形的效果。AM 信號的解調通過后臺代碼的控制實現，解調結果通過解調信號波形展示，通過分析，剛開始解調波形有一定失真，經過一段時間穩定，可以測得信號的頻率也是200 Hz。

圖2 AM調幅及解調實驗

2.2 FM調幅及解調實驗

FM 調幅有直接調頻和間接調頻兩種方法實現，間接調頻借助調相電路來間接實現調頻。兩種方法要求調頻信號的瞬時角頻率和調制信號呈線性關系。該實驗要探討瞬時頻率、附加相位、輸出的調頻波及解調出來的信號，設計界面需要7個坐標軸來分別展示需要觀察的信號波形，同時還需要設置參數，實時更改參數來動態顯示仿真結果，需要3個數值框，還需要一個圖片框展示調頻信號的原理電路，根據調頻電路進行參數設置得到相應的仿真結果。如圖3，經過調頻之后，信號的瞬時角頻率和調制信號呈線性關系，因相位和頻率相互滿足積分和微分關系，附加相位和積分后的調制信號呈線性關系。從調頻波的波形可以看到，調制信號的振幅大時，瞬時頻率大，波形顯得密集，而調制信號的振幅小時，瞬時頻率小，波形顯得稀疏。滿足調頻信號的原理。

圖3 FM調幅及解調實驗

上述闡述了AM 和FM 的調制和解調如何實現及輸入輸出波形等功能展示，對于該系統的其余十個實驗項目不再贅述。該系統不僅實現每個實驗內容的常規性驗證功能，而且每個實驗項目實現電路參數動態設置和修改，以圖形化實時顯示實驗結果，直觀反映參數改變對電路功能的影響，每個實驗具有學生自主創建器件庫的功能，允許學生自行搭建電路的功能，開展設計性、綜合性實驗，加強學生創新，激勵學生更有興趣去探索課程[5]。

3 總結

對虛擬仿真背景研究和意義進行深入研究，實現了一種高頻電子技術模擬試驗仿真平臺的設計。平臺還包含了注冊及登錄界面、實驗項目選擇界面和各仿真實驗界面等功能，該系統可以對電路參數進行設定與調整，實時圖形化展示實驗成果，直觀體現參數變化對仿真成果的影響。系統包含了高頻電子技術課程中所學到的大部分電路，實驗項目可以基本保證學生進行高頻電子技術中仿真，以生動、直觀的方式來對已學到的知識進行理解和驗證。當然，系統還有一些需要改進的方面。首先，對該系統的實驗內容和頁面布局進行優化，讓系統更加完善。其次，系統是基于MATLAB 進行開發并且封裝成一個桌面應用，下一步可以嘗試使用Java 軟件進行開發，便于仿真系統進行聯網使用。

虛擬仿真技術也是新時代科技革命的產物對很多方面都有重要的意義[6]：比如在科研工作，或者與科技相關的生產中，如果可以充分利用虛擬技術，可以減少大部分的硬件資源浪費，也可以在實施某種設計方案之前多次用虛擬技術進行測試，來檢測設計方案的可行性，運行時產生的數據也可以給工程師更好的參考，在避免資源浪費的同時，也可以省出一筆不小的經費用于其他投資。