面向系统级仿真设计的高频电子线路课程改革

郭交，秦立峰，靳标

摘要：《高频电子线路》是我校电子信息工程专业本科生的一门专业核心课程。本文针对该课程内容多、理论性和专业性强等特点，为了提高教学效果，在教学过程针对性地引入面向系统级的仿真设计，提高学生的学习兴趣和实践能力，改善教学质量。

关键词：高频电子线路；系统级仿真；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）46-0278-03

随着现代电子技术和通信业的迅速发展，通信系统（尤其是无线通信系统）已广泛应用于工农业生产和日常生活等多个领域中，因此当前社会上迫切需要相关专业理论知识扎实、实践能力强的专业性人才，而《高频电子线路》正是培养这类人才所必须的，《高频电子线路》也是我校电子信息工程专业本科生的一门专业核心课程。该课程的显著特点是教材中包含内容多、单元功能模块电路多、元器件分析较复杂，其中关于非线性电路的分析也涉及到大量的理论推导，理论性较强，学生在学习过程中普遍感觉内容比较枯燥，难以提高学习兴趣和积极性，从而造成对基础知识、理论的理解及掌握不够深刻。目前的高频电子线路实验大多是基于现有的实验箱或实验板，是单元电路的验证性试验，而且其中某些实验易受外界干扰，实际教学效果非常有限。针对该课程在理论和实验教学中所存在的问题，笔者经过近几年具体的教学实践，通过有针对性地引入面向系统级的仿真设计，使学生首先建立起无线通信系统级的概念，同时加深对每一级单元功能电路信号模型和理论基础的掌握，然后再具體从每个功能单元模块出发，对各部分的实际电路进行具体讲解和分析，最后通过系统级的电路仿真对课程所学知识进行综合运用。

一、高频电子线路实验的特点

高频电子线路课程中的实验主要包括以下两方面：1）利用已有实验箱或实验板的实际电路功能测试与分析实验，例如单/双调谐放大器、高频功率放大器、LC反馈式振荡器、振幅调制/解调等，但是这些实验都是按照相关的实验指导书“按部就班”地进行实验操作，大多是单元电路的验证性实验，其电路中的元器件参数很难调整，极大地限制了学生的创造能力，而且某些实验（例如混频、调幅与解调等）易受外界干扰，导致实际教学效果非常有限。2）基于电路仿真软件（例如Multisim，Pspice等）的功能单元电路仿真与分析，能够在一定程度上克服实际实验中存在的参数调整困难、电路形式固定、易受外界干扰等问题，但是目前大多的电路仿真分析只是停留在单独功能单元电路的仿真上，这就使学生缺乏对无线通信全链路级的认识和掌握。

二、面向系统级的仿真设计

针对上述问题，结合近几年的教学实践，通过有针对性地引入面向系统级的仿真设计，使学生牢固地建立起系统级通信系统的概念，加深对每一级功能电路信号模型的掌握，然后再从每一个功能单元模块出发，对各部分的实际电路进行具体讲解和分析，最后通过电路级全系统仿真对课程各章节所学的独立知识进行综合与运用。

1.基于Matlab Simulink的系统级仿真实验。Simulink是Matlab环境的重要组件，能够提供动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，通过相对简单的操作可以构造出较复杂的系统。通过对通信系统的发射/接收通道在Simulink环境中进行建模，可以使学生建立牢固的通信尤其是无线通信设备系统级概念，加深对整个发射/接收链路和单元电路的数学模型掌握，从根本上彻底解决理论基础薄弱的问题，同时对于已建模的通信系统，也容易进行相关参数的调整，便于分析不同参数对整个链路中各信号时/频域特性的影响，另外，借助于Simulink中集成的虚拟测试仪器和Matlab自身强大的数据分析及绘图功能，能够对全链路中各关键点处的信号波形进行直观观测和深入分析。例如图1所示为AM调制无线通信系统的发射通道Simulink仿真结果，图1（a）为AM调制仿真链路的建模，包括了低频放大器、调制器、载波、功率放大器等模块，还有相应的虚拟示波器和相应的频谱分析仪，以便观察各信号的时域与频域波形。图1（b）和（c）从上向下分别为消息信号、载波和AM已调波的时域波形和相应的频谱，从中可以形象化地观测到输入输出各个信号的时域和频域特性。

2.基于Multisim的电路级系统仿真实验。基于Simulink的系统级仿真实验能够使学生从通信系统的发射和接收全链路出发，牢固地掌握高频电子线路课程所包含的基本理论及各功能单元模块的信号模型，在此基础上，再结合教材中各独立章节关于具体单元电路的详细介绍，以电路的具体形式实现上述每个单元模块的功能，这就要用到基于电子元器件的电路级仿真软件，例如Multisim，电路级的仿真分析不仅能从直观上观测电路的组成结构和各个关键点的电流电压波形，而且可以较容易地调节电路中各元器件的参数，观察到输出信号与电路中各关键元器件参数之间的直接关系，能够作为理论分析和推导的重要补充和充分验证，例如在改进型三端式电容反馈振荡器（克拉波振荡器）的讲授中，利用Multisim仿真软件设计相应的克拉波振荡器电路图，如图2所示。图3为克拉波振荡器输出的正弦振荡信号波形和相应的实时频率测量结果，通过比较图3（a）和（b）可以得出，通过改变电路中C4的电容量，振荡器的输出频率会有明显变化，可以和理论估算的结果相对比，以验证理论分析和相关参数工程估算的正确性。在讲解完各单元模块电路的基础上，就可以实现电路的系统级仿真，建议初始阶段以分立元件为主进行全链路的设计和分析，后续可以利用现有的集成IC芯片完成相应的高频电路设计。

三、结论

经过近几年高频电子线路课程的实践教学，逐渐发现了在该课程理论和实验教学中存在的一些问题，并通过有针对性地引入面向系统级的仿真设计，经过上述改进后的讲授获得了学生的普遍认可和广泛好评，学生的学习兴趣和积极性显著增加，对基本概念的掌握更加牢固，实际分析及解决问题的能力也有了一定提升，教学质量明显提高，后续将进一步结合现有的集成IC芯片，从系统级电路仿真实验向“高频电路设计-PCB设计-电路焊接、测试与分析”层面发展，以期进一步提高学生的实践和创新能力，培养出满足社会需求的卓越人才。

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