EDA在通信电子线路实验中的教学实践

苗 澎， 田 玲， 唐 路， 李 芹， 陈莹梅

(东南大学 信息科学与工程学院， 江苏 南京 210096)

0 引言

通信领域的飞速发展使得射频电路设计成为当今研究的热点问题，通信行业急需大量具有扎实理论知识和较强实践经验和科学技术创新素质人才[1]。“通信电子线路”课程是为电子通信类专业本科三年级学生开设的一门专业基础课，它既是通信的入门课程，又是电路与系统的专业课程，是通信专业本科生必修的专业基础课程。

针对“通信电子线路”课程的特点，结合工程教育认证的标准以及在教授“通信电子线路”课程过程中的经验，我们力图改变单纯的教师讲授的方式，向以学生为主体的主动学习的方式转变，并落实在实践过程中，为此要实施多层次、立体化教学，实现理论与实践的有机结合[2]。

“通信电子线路实验”旨在培养学生动手能力，激发学生学习兴趣。为适应专业认证评价机制，该实验教学要对教学总体目标进行层次分解，还要对实验知识、实验操作技能、工程设计能力等各类目标统筹兼顾，综合规划，使其在目标体系中各占有合适的地位和比重，有计划、有步骤地落实在各个实验环节上，达到教学大纲所规定的要求。在各个实验教学环节中，借助EDA软件开展通信电子线路虚拟实验，结合实物实验，帮助学生巩固所学的理论知识，是一个较为有效的途径。我院为信息工程专业三年级本科生开设了“通信电子线路”实验的配套课程以来，应用EDA软件开展通信电子线路虚拟实验，取得了较好的实践效果。本文根据“通信电子线路”实验教学的内容，对虚拟实验仿真在教学实践中发挥的作用进行讨论[3]。

1 虚拟实验EDA仿真环境简介

虚拟实验EDA仿真软件各类较多，常用的有Matlab/Simulink，NI公司的Multisim、Angilent公司的ADS和Spice等EDA工具。其中Multisim电路元件和模块较多，适合电路级仿真；而Simulink适合行为级仿真。仿真设计的基本步骤为：根据教学内容确定电路的结构和性能指标, 设计仿真电路原理图；然后根据芯片数据手册和仿真结果对电路参数进行优化，对关键参数进行扫描，观察对仿真结果的影响，再进行电路优化的循序渐进的过程。

我院采用的通信电子线路EDA虚拟仿真由11个单元模块构成，其中的单元电路可以单独实验完成电路功能，也可以组合形成系统级电路实验。主要内容有：PLL锁相环、小数频率合成器、基于PLL的调频和解调、FM调制与移相乘积解调、AM/DSB同步检波、AM波调制、AM包络检波、DSB/混频器、功率放大器、混频器和低噪声放大器等。

下面以我们针对本课程的教学所设计的几个实验为例，介绍其在通信电子线路实验教学中的应用。

2 实验案例

2.1 调幅AM虚拟EDA仿真

振幅调制是使载波信号的振幅按调制信号的规律变化。如果载波信号为uc(t) =UCmcosωct,其中ωc= 2πfc为载波角频率，fc为载波频率。假设调制信号为单音频，即调制信号uΩ(t)=UΩmcosΩt=UΩmcos2πFt，且F<

UAM(t) =Ucm(1+kaUΩm/UcmcosΩt)cosωct

=Ucm(1+MacosΩt)cosωct

(1)

其中Ma是调幅信号的调幅系数，式(1)反映了调幅信号振幅变化的规律，因此也被称为调幅信号的包络函数，式中ka是取决于调幅电路的比例常数，框图如图1所示。

图1 AM调幅信号产生原理框图

在此基础上可进行电路级仿真，核心部件—吉尔伯特双差分对乘法器电路结构如图2所示。图上，信号输入端为下端uR端口，本振输入端为上端uL端口。如果把该乘法器进行功能简化，可以将其看作为线性放大器(进行电压-电流变换)和非线性开关电路两个部分组合工作，如图3所示。

图2 吉尔伯特单元构成的双差分对乘法器

图3 吉尔伯特单元简化框图

进行芯片系统级仿真时，可以从EDA仿真软件里调用MC1496芯片，其核心单元就是可控跨导双差分对的吉尔伯特单元电路。当接上外围器件后就可以完成调幅AM电路功能。MC1496外围元件图如图4所示。

图4即为调幅波AM信号的调制和解调(同步检波)电路原理图。左上角两台信号源XFG1和XFG2分别产生载波信号和基带信号，通过单端—差分转换网络输入到芯片X1(MC1496)双差分乘法器的本振和射频输入端，已调波可从示波器XSC1上观察。同时，产生AM调制的载波信号输入到X2(MC1496)双差分乘法器的载波输入端口，已调波XSC1输入到X2的射频输入端口，解调波形可从示波器XSC2观察到。

在电路构建完成后，首先需要对电路的直流工作特性进行扫描，只有先保证静态工作点正确，电路才能正常工作。该电路选取了10个点进行直流特性扫描，结果如表1所示。要确实保证差分对乘法器输入端直流工作点一致，以确保其对称性。

进行完直流仿真后，开始进行交流动态仿真，参数为：载波1 MHz，振幅1 V，调制信号1 kHz，振幅200 mV，时域仿真波形如图5所示。

表1 AM电路直流仿真结果

图5 调幅AM电路输出信号

振幅解调是振幅调制的逆过程，从频谱搬移的角度看，相当于把调幅信号频谱搬回到基带。

图4 MC1496外围元件图

调幅AM/DSB解调有两种方法：乘积解调(同步检波)和包络检波。即在图4中采用两级MC1496级联，后一级对前一级输出AM波相乘即完成同步检波过程，输出波形如图6所示。

图6 同步检波恢复调制信号

2.2 小数分频频率合成器仿真

为了提高频率合成器的频率分辨率，同时又不降低参考频率，可采用可编程的小数分频频率合成器。假设小数分频器的整数部分为N，小数部分为F，双模分频模数为/A和/(A+1)，则A=N，F×P=Q，Q为一个循环周期内删除的脉冲个数，P为一个周期内总的脉冲个数。可得到小数分频比m= [A(P-Q)+(A+1)Q]/P。小数分频频率合成器框图如图7所示。

图7 小数频率合成器框图

锁相环锁定时的瞬态仿真波形如图8所示，小数频率合成器输出波形如图9所示。

从图9可以看出，当参考信号频率为10 MHz,小数分频在循环周期的时间进行了7次10分频，3次11分频，所以总的分频比为10.3，实现了小数分频功能。

3 结语

根据通信电子线路的教学大纲和教学内容，本文设计了EDA虚拟仿真实验，体现了理论与实践相结合的教学方法。修改电路参数和电路结果在虚拟实施中是非常方便的，这有利于学生学会分析与观察通信电路的基本功能模块和其测试结果，起到了良好的教学效果，有效地培养了学生的动手能力。

图8 小数频率合成器瞬态仿真波形

图9 小数频率合成器输出波形