基于仿真软件的通信工程专业实验课程教学探索

郭红伟，李 江，朱家兴，段 武

（红河学院工学院，云南 蒙自 661100）

基于仿真软件的通信工程专业实验课程教学探索

郭红伟，李 江，朱家兴，段 武

（红河学院工学院，云南 蒙自 661100）

针对普通院校在通信工程专业建设初期，由于实验室建设的滞后，导致部份实验课程教学难以开展的问题，提出采用仿真软件开展部分课程的实验教学.首先介绍了Multisim 软件，通过高频小信号谐振放大器的仿真实验说明Multisim在通信电子线路实验中的应用；然后介绍了Matlab软件，通过离散线性时不变系统的仿真实验说明Matlab在信号与系统实验中的应用.合理地运用仿真技术，不仅使学生加深了对理论知识的理解，还有利于培养学生的综合应用能力.

实验教学; 通信电子线路; 信号与系统; multisim; matlab

引言

我国高等教育已进入大众化阶段，高等教育需要更贴近社会需求.通信产业在全球的高速及持续发展，使通信工程成为近年最热门的专业之一，截止到2006年6月，我国设有通信工程本科专业的学校达到246所[1].而且由于社会对通信人才的广泛需求，一些地方院校正积极申报开设通信工程专业，红河学院于2010年开设通信工程专业.在新专业的建设发展过程中，专业实验室建设是重要环节，如果专业实验设施短缺、落后，就会制约人才的培养.通信工程专业一、二年级开设的主要实验课程有：电路分析实验、模拟电子技术实验、数字电子技术实验、通信电子线路实验、信号与系统实验等.前三门实验课程作为电2类专业的基础课，一般院校都早已建设有相关的实验室，能满足通信工程专业一、二年级学生的实验教学.而专业建设初期，由于专业实验室建设的滞后，部份专业实验课如何开展将是任课教师和学生急需面临的问题.

本文提出在硬件实验设备还不到位的情况下，暂时性的采用Multisim软件开展通信电子线路实验教学，采用Matlab软件开展信号与系统实验教学.通过高频小信号谐振放大器的仿真实验和离散线性时不变系统的仿真实验介绍Multisim和Matlab在通信电子线路和信号与系统实验中的应用.从培养学生运用基础理论知识和实际操作能力出发，应尽早建立相关的硬件实验室.最终把仿真实验和传统的实验教学有机地结合起来，取长补短，充分发挥各种实验方式的优势，才能使学生在理论和实验的教学中更多地受益.

1 基于Multisim的通信电子线路实验

1.1 Multisim 仿真软件

Multisim是加拿大图像交互技术 (Interactive Image Technologies, IIT)公司在 (Electronics Workbench,EWB)基础上推出的电子电路仿真设计软件，最早的版本是Multisim 2001，其后陆续推出了升级版本Multisim 7 和Multisim 8.Multisim 被美国国家仪器(National Instruments, NI)公司收购以后，其性能得到了极大的提升，最大的改变就是：Multisim 9与LABVIEW 8的完美结合，2009年12月该公司推出最新版的Multisim 11.Multisim被广泛的应用到了各类电子线路设计和一些电子类课程的实验教学中[2-5]，文献[2]在Multisim中建立了约瑟夫森结的模型对超导器件进行仿真研究，文献[3]利用Multisim设计抗干扰AM通信系统，文献[4]介绍了Multisim在电工电子实验中的应用，文献[5]通过对调幅电路的仿真分析介绍Multisim在通信电子线路实验中的应用.

Multisim 整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件提供了包括示波器、信号发生器、波特图仪、万用表等多达二十余种的虚拟仪器，且仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样.将其引入实验教学中，不仅能够替代实验室中的多种传统仪器，而且可以实现“软件虚拟实验室”，即只要有一台计算机并安装上Multisim 软件，就可以构成一个虚拟的实验工作台.利用Multisim 进行通信电子线路实验教学的流程如图1所示.

图1 实验流程

1.2 高频小信号谐振放大器的仿真实验

小信号谐振放大器指发射机和接收机中以LC谐振回路为负载的电压放大器，其作用是在众多的微弱信号中选出有用信号加以放大，以达到高频功放或检波电路所需要的幅度.在Multisim工作区创建如图2所示的测试电路，其中晶体管T1、T2选用2N3019型号，T1管接成共发射极分压式负反馈静态工作点稳定电路，加上集电极的LC谐振回路组成单级单调谐放大器.T2管接成共集电极放大电路，具有输入电阻大，输出电阻小，电压放大倍数略等于1的特点，故又称为射极输出器，在电路中用以减小测量仪器对谐振放大器的影响.

图2 小信号谐振放大器仿真实验电路

(1) 调试电路

(2) 测量静态工作点

单击Simulate菜单中Analyses选项下的DC Operating Point命令，添加节点2、4、5、6、8，点击Simulate按钮得电路各节点对地电压如图3所示，得到：

说明T1、T2管工作在放大区.

图3 静态分析结果

(3) 测量谐振电压增益

调节信号发生器，使输入电压为频率f=2MHz ，幅度ui=10mV的正弦信号，接通电路.双击示波器打开示波器面版，设置示波器的相关测量参数，观察电路输出电压uo波形.调节微调电容C1，使输出电压uo为最大（即示波器上显示的波形幅度最大），说明回路已谐振.此时的C1=21pF，理论上谐振回路的谐振频率为：

与实际信号频率2MHz基本相符.用高频交流毫伏表测量输入和输出电压分别为ui=7.071mV ，uo=1.49V ，所以谐振电压增益为：

（4）测量幅频特性

在电路中接入波特图仪，设置波特图仪的控制面板如图4显示电路的幅频特性曲线.由该幅频特性曲线可读取谐振频率f0=1.997MHz ，这一数值与理论计算2.11 MHz基本吻合.1.997MHz对应的幅度为46.578dB，即：

这一结果与之前用高频交流毫伏表测量计算的基本一致.由幅频特性曲线还可读取得通频带为：

矩形系数

图4 波特图仪显示的幅频特性

（5）观察谐振放大器的选频作用

设置输入信号为2MHz及其2、3、4次谐波（即4MHz、6 MHz 、8 MHz）叠加的复杂信号，示波器上得到如图5所示输入、输出波形.该波形直观的说明了谐振放大器的选频放大作用.

图5 输入、输出波形

2 基于Matlab的信号与系统实验

2.1 Matlab 仿真软件

Matlab是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称，1984年由美国Mathworks公司研制开发，目前最新版本为Matlab7.13.它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据.Matlab将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，并提供了大量的内置函数，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平.除在科学研究和工程设计方面的广泛应用外，Matlab也被应用到很多大学课程的实验教学中[6-7].文献[6]介绍了Matlab在电磁场与电磁波实验教学中的应用，文献[7]利用Matlab的Simulink组件进行AM调制与解调实验介绍其在通信原理实验教学中的应用.

Matlab在信号与系统中的应用主要包括符号运算和数值计算仿真分析.由于信号与系统课程的许多内容都是基于公式演算，而Matlab借助符号数学工具箱提供的符号运算功能，能基本满足信号与系统课程的需求.例如解微分方程、傅里叶正反变换、拉普拉斯正反变换和z正反变换等.Matlab在信号与系统中的另一主要应用是数值计算与仿真分析，主要包括函数波形绘制、函数运算、冲激响应与阶跃响应仿真分析、信号的时域分析、信号的频谱分析、系统的S域分析和零极点图绘制等内容.通过仿真实验，可以使学生从对理论知识的理解过渡到理论引导与实际应用的结合，弥补教学中的不足，加强学生对信号与系统课程的掌握.

2.2 离散线性时不变系统的仿真实验

以某离散系统的Matlab仿真分析过程说明基于Matlab的信号与系统实验.已知离散系统的系统函数为：

实验要求：绘出系统的零极点分布图和单位响应，通过零极点的分布和单位响应判断系统的因果性和稳定性.

Matlab 源程序为

>> b=[4,-1.6,-1.6,4];

>> a=[1,0.4,0.35,-0.4];

>> z=roots(b); %求系统的零点

>> p=roots(a); %求系统的极点

>> subplot(121),zplane(b,a);

>> xlabel('实部');

>> ylabel('虚部');

>> title('系统的零极点分布图');

>> subplot(122),impz(b,a,20);

>> xlabel('n');

>> ylabel('幅度');

>> title('系统的单位响应');

程序运行结果如图6所示，该系统的所有极点均在单位圆内，系统的单位响应随着n增大而收敛，所以，该系统是一个因果稳定系统.实际实验过程中，还可用Matlab分析系统在0 ～ π频率范围内的绝对幅频响应、相对幅频响应、相位频率响应和群延迟等.

3 结语

通过小信号谐振放大器的Multisim仿真实验和离散线性时不变系统的Matlab仿真实验，说明Multisim在通信电子线路实验中的应用和Matlab在信号与系统实验中的应用.仿真实验不仅避免了传统实验室由于仪器老化、元件损坏和线路接触不良等原因造成的实验数据不准确，而且还能完成传统实验室中难以进行的实验.因此，对于通信工程专业建设初期，若专业实验室建设滞后，可暂时性的采用Multisim软件开展通信电子线路实验教学，采用Matlab软件开展信号与系统实验教学.待相关的硬件实验室建设完善后，采取仿真实验与硬件实验相结合的方式开展实验教学，充分发挥各种实验方式的优势，将有利于培养学生综合分析能力、开发能力和创新能力.

[1] 孙云山,刘婷,张立毅.我国通信工程专业的发展与现状[J].太原理工大学学报(社会科学版),2006,24(S1):85-87.

[2] 樊彬,周铁戈,阎少林等.Multisim在超导器件研究中的应用[J].电子学报,2010,38(8):1886-1891.

[3] 刘博文.基于Multisim的抗干扰AM通信系统设计[J].河南农业大学学报,2011,45(4):459-462.

[4] 付扬.Multisim仿真在电工电子实验中的应用[J].实验室研究与探索,2011,30(4):120-122.

[5] 孙俊卿,罗云林,黄建宇.基于Multisim的高频电路实验教学研究[J].实验技术与管理,2010,27(7):80-83..

[6] 吕秀丽,牟海维,李贤丽.Matlab在电磁场与电磁波实验教学中之应用[J].实验室研究与探索,2010,29(2):110-112.

[7] 关雪梅,陈纯锴.基于Matlab的通信原理实验教学的研究[J].实验技术与管理,2008,25(5):99-101.

Experimental Courses of Communication Eng ineering Specialty Based on Simulation Software

GUO Hong-wei, LI Jiang, ZHU Jia-xing, DUAN Wu
(Engineering College, Honghe University, Mengzi 661100, China)

For the communicat ions eng ineering construct ion of general institutions in the early stage, due to the lag of laboratory construct ion, some experiments are hard to carry out.In this paper, the using of simulation software for the experimental teaching is suggested.First of all, with the example of simulat ion for high-frequency small-signal resonance amplifier, the applicat ion of simulation software Mult isim in the communicat ion electronic circuit experiments is clearly illustrated.Then, with the simulation example of discrete linear time-invariant system, the application of Matlab in signals and systems experiment is goo d explained.In conclusion, rational use of simulation technology, can not only enable students to deepen the understanding of theoretical know ledge, but also help students to develop their proficiency.

experiment teaching; communication electronic circuit; signals and systems; mult isim; matlab

TN91

A

1008-9128（2012）02-0049-04

2011-08-26

红河学院教学建设项目(JJ201007)

郭红伟（1980-），男(彝族)，云南蒙自人，讲师，硕士.研究方向：电子类课程的教学和图像处理.

[责任编辑 自正发]