基于仿真軟件的通信工程專業(yè)實驗課程教學(xué)探索

郭紅偉，李 江，朱家興，段 武

（紅河學(xué)院工學(xué)院，云南 蒙自 661100）

基于仿真軟件的通信工程專業(yè)實驗課程教學(xué)探索

郭紅偉，李 江，朱家興，段 武

（紅河學(xué)院工學(xué)院，云南 蒙自 661100）

針對普通院校在通信工程專業(yè)建設(shè)初期，由于實驗室建設(shè)的滯后，導(dǎo)致部份實驗課程教學(xué)難以開展的問題，提出采用仿真軟件開展部分課程的實驗教學(xué).首先介紹了Multisim 軟件，通過高頻小信號諧振放大器的仿真實驗說明Multisim在通信電子線路實驗中的應(yīng)用；然后介紹了Matlab軟件，通過離散線性時不變系統(tǒng)的仿真實驗說明Matlab在信號與系統(tǒng)實驗中的應(yīng)用.合理地運用仿真技術(shù)，不僅使學(xué)生加深了對理論知識的理解，還有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力.

實驗教學(xué); 通信電子線路; 信號與系統(tǒng); multisim; matlab

引言

我國高等教育已進入大眾化階段，高等教育需要更貼近社會需求.通信產(chǎn)業(yè)在全球的高速及持續(xù)發(fā)展，使通信工程成為近年最熱門的專業(yè)之一，截止到2006年6月，我國設(shè)有通信工程本科專業(yè)的學(xué)校達到246所[1].而且由于社會對通信人才的廣泛需求，一些地方院校正積極申報開設(shè)通信工程專業(yè)，紅河學(xué)院于2010年開設(shè)通信工程專業(yè).在新專業(yè)的建設(shè)發(fā)展過程中，專業(yè)實驗室建設(shè)是重要環(huán)節(jié)，如果專業(yè)實驗設(shè)施短缺、落后，就會制約人才的培養(yǎng).通信工程專業(yè)一、二年級開設(shè)的主要實驗課程有：電路分析實驗、模擬電子技術(shù)實驗、數(shù)字電子技術(shù)實驗、通信電子線路實驗、信號與系統(tǒng)實驗等.前三門實驗課程作為電2類專業(yè)的基礎(chǔ)課，一般院校都早已建設(shè)有相關(guān)的實驗室，能滿足通信工程專業(yè)一、二年級學(xué)生的實驗教學(xué).而專業(yè)建設(shè)初期，由于專業(yè)實驗室建設(shè)的滯后，部份專業(yè)實驗課如何開展將是任課教師和學(xué)生急需面臨的問題.

本文提出在硬件實驗設(shè)備還不到位的情況下，暫時性的采用Multisim軟件開展通信電子線路實驗教學(xué)，采用Matlab軟件開展信號與系統(tǒng)實驗教學(xué).通過高頻小信號諧振放大器的仿真實驗和離散線性時不變系統(tǒng)的仿真實驗介紹Multisim和Matlab在通信電子線路和信號與系統(tǒng)實驗中的應(yīng)用.從培養(yǎng)學(xué)生運用基礎(chǔ)理論知識和實際操作能力出發(fā)，應(yīng)盡早建立相關(guān)的硬件實驗室.最終把仿真實驗和傳統(tǒng)的實驗教學(xué)有機地結(jié)合起來，取長補短，充分發(fā)揮各種實驗方式的優(yōu)勢，才能使學(xué)生在理論和實驗的教學(xué)中更多地受益.

1 基于Multisim的通信電子線路實驗

1.1 Multisim 仿真軟件

Multisim是加拿大圖像交互技術(shù) (Interactive Image Technologies, IIT)公司在 (Electronics Workbench,EWB)基礎(chǔ)上推出的電子電路仿真設(shè)計軟件，最早的版本是Multisim 2001，其后陸續(xù)推出了升級版本Multisim 7 和Multisim 8.Multisim 被美國國家儀器(National Instruments, NI)公司收購以后，其性能得到了極大的提升，最大的改變就是：Multisim 9與LABVIEW 8的完美結(jié)合，2009年12月該公司推出最新版的Multisim 11.Multisim被廣泛的應(yīng)用到了各類電子線路設(shè)計和一些電子類課程的實驗教學(xué)中[2-5]，文獻[2]在Multisim中建立了約瑟夫森結(jié)的模型對超導(dǎo)器件進行仿真研究，文獻[3]利用Multisim設(shè)計抗干擾AM通信系統(tǒng)，文獻[4]介紹了Multisim在電工電子實驗中的應(yīng)用，文獻[5]通過對調(diào)幅電路的仿真分析介紹Multisim在通信電子線路實驗中的應(yīng)用.

Multisim 整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來，軟件提供了包括示波器、信號發(fā)生器、波特圖儀、萬用表等多達二十余種的虛擬儀器，且儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣.將其引入實驗教學(xué)中，不僅能夠替代實驗室中的多種傳統(tǒng)儀器，而且可以實現(xiàn)“軟件虛擬實驗室”，即只要有一臺計算機并安裝上Multisim 軟件，就可以構(gòu)成一個虛擬的實驗工作臺.利用Multisim 進行通信電子線路實驗教學(xué)的流程如圖1所示.

圖1 實驗流程

1.2 高頻小信號諧振放大器的仿真實驗

小信號諧振放大器指發(fā)射機和接收機中以LC諧振回路為負載的電壓放大器，其作用是在眾多的微弱信號中選出有用信號加以放大，以達到高頻功放或檢波電路所需要的幅度.在Multisim工作區(qū)創(chuàng)建如圖2所示的測試電路，其中晶體管T1、T2選用2N3019型號，T1管接成共發(fā)射極分壓式負反饋靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路，加上集電極的LC諧振回路組成單級單調(diào)諧放大器.T2管接成共集電極放大電路，具有輸入電阻大，輸出電阻小，電壓放大倍數(shù)略等于1的特點，故又稱為射極輸出器，在電路中用以減小測量儀器對諧振放大器的影響.

圖2 小信號諧振放大器仿真實驗電路

(1) 調(diào)試電路

(2) 測量靜態(tài)工作點

單擊Simulate菜單中Analyses選項下的DC Operating Point命令，添加節(jié)點2、4、5、6、8，點擊Simulate按鈕得電路各節(jié)點對地電壓如圖3所示，得到：

說明T1、T2管工作在放大區(qū).

圖3 靜態(tài)分析結(jié)果

(3) 測量諧振電壓增益

調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，使輸入電壓為頻率f=2MHz ，幅度ui=10mV的正弦信號，接通電路.雙擊示波器打開示波器面版，設(shè)置示波器的相關(guān)測量參數(shù)，觀察電路輸出電壓uo波形.調(diào)節(jié)微調(diào)電容C1，使輸出電壓uo為最大（即示波器上顯示的波形幅度最大），說明回路已諧振.此時的C1=21pF，理論上諧振回路的諧振頻率為：

與實際信號頻率2MHz基本相符.用高頻交流毫伏表測量輸入和輸出電壓分別為ui=7.071mV ，uo=1.49V ，所以諧振電壓增益為：

（4）測量幅頻特性

在電路中接入波特圖儀，設(shè)置波特圖儀的控制面板如圖4顯示電路的幅頻特性曲線.由該幅頻特性曲線可讀取諧振頻率f0=1.997MHz ，這一數(shù)值與理論計算2.11 MHz基本吻合.1.997MHz對應(yīng)的幅度為46.578dB，即：

這一結(jié)果與之前用高頻交流毫伏表測量計算的基本一致.由幅頻特性曲線還可讀取得通頻帶為：

矩形系數(shù)

圖4 波特圖儀顯示的幅頻特性

（5）觀察諧振放大器的選頻作用

設(shè)置輸入信號為2MHz及其2、3、4次諧波（即4MHz、6 MHz 、8 MHz）疊加的復(fù)雜信號，示波器上得到如圖5所示輸入、輸出波形.該波形直觀的說明了諧振放大器的選頻放大作用.

圖5 輸入、輸出波形

2 基于Matlab的信號與系統(tǒng)實驗

2.1 Matlab 仿真軟件

Matlab是矩陣實驗室(Matrix Laboratory)的簡稱，1984年由美國Mathworks公司研制開發(fā)，目前最新版本為Matlab7.13.它是一種科學(xué)計算軟件，專門以矩陣的形式處理數(shù)據(jù).Matlab將數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，為科學(xué)研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計算軟件的先進水平.除在科學(xué)研究和工程設(shè)計方面的廣泛應(yīng)用外，Matlab也被應(yīng)用到很多大學(xué)課程的實驗教學(xué)中[6-7].文獻[6]介紹了Matlab在電磁場與電磁波實驗教學(xué)中的應(yīng)用，文獻[7]利用Matlab的Simulink組件進行AM調(diào)制與解調(diào)實驗介紹其在通信原理實驗教學(xué)中的應(yīng)用.

Matlab在信號與系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括符號運算和數(shù)值計算仿真分析.由于信號與系統(tǒng)課程的許多內(nèi)容都是基于公式演算，而Matlab借助符號數(shù)學(xué)工具箱提供的符號運算功能，能基本滿足信號與系統(tǒng)課程的需求.例如解微分方程、傅里葉正反變換、拉普拉斯正反變換和z正反變換等.Matlab在信號與系統(tǒng)中的另一主要應(yīng)用是數(shù)值計算與仿真分析，主要包括函數(shù)波形繪制、函數(shù)運算、沖激響應(yīng)與階躍響應(yīng)仿真分析、信號的時域分析、信號的頻譜分析、系統(tǒng)的S域分析和零極點圖繪制等內(nèi)容.通過仿真實驗，可以使學(xué)生從對理論知識的理解過渡到理論引導(dǎo)與實際應(yīng)用的結(jié)合，彌補教學(xué)中的不足，加強學(xué)生對信號與系統(tǒng)課程的掌握.

2.2 離散線性時不變系統(tǒng)的仿真實驗

以某離散系統(tǒng)的Matlab仿真分析過程說明基于Matlab的信號與系統(tǒng)實驗.已知離散系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)為：

實驗要求：繪出系統(tǒng)的零極點分布圖和單位響應(yīng)，通過零極點的分布和單位響應(yīng)判斷系統(tǒng)的因果性和穩(wěn)定性.

Matlab 源程序為

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

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

>> z=roots(b); %求系統(tǒng)的零點

>> p=roots(a); %求系統(tǒng)的極點

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

>> xlabel('實部');

>> ylabel('虛部');

>> title('系統(tǒng)的零極點分布圖');

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

>> xlabel('n');

>> ylabel('幅度');

>> title('系統(tǒng)的單位響應(yīng)');

程序運行結(jié)果如圖6所示，該系統(tǒng)的所有極點均在單位圓內(nèi)，系統(tǒng)的單位響應(yīng)隨著n增大而收斂，所以，該系統(tǒng)是一個因果穩(wěn)定系統(tǒng).實際實驗過程中，還可用Matlab分析系統(tǒng)在0 ～ π頻率范圍內(nèi)的絕對幅頻響應(yīng)、相對幅頻響應(yīng)、相位頻率響應(yīng)和群延遲等.

3 結(jié)語

通過小信號諧振放大器的Multisim仿真實驗和離散線性時不變系統(tǒng)的Matlab仿真實驗，說明Multisim在通信電子線路實驗中的應(yīng)用和Matlab在信號與系統(tǒng)實驗中的應(yīng)用.仿真實驗不僅避免了傳統(tǒng)實驗室由于儀器老化、元件損壞和線路接觸不良等原因造成的實驗數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，而且還能完成傳統(tǒng)實驗室中難以進行的實驗.因此，對于通信工程專業(yè)建設(shè)初期，若專業(yè)實驗室建設(shè)滯后，可暫時性的采用Multisim軟件開展通信電子線路實驗教學(xué)，采用Matlab軟件開展信號與系統(tǒng)實驗教學(xué).待相關(guān)的硬件實驗室建設(shè)完善后，采取仿真實驗與硬件實驗相結(jié)合的方式開展實驗教學(xué)，充分發(fā)揮各種實驗方式的優(yōu)勢，將有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合分析能力、開發(fā)能力和創(chuàng)新能力.

[1] 孫云山,劉婷,張立毅.我國通信工程專業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2006,24(S1):85-87.

[2] 樊彬,周鐵戈,閻少林等.Multisim在超導(dǎo)器件研究中的應(yīng)用[J].電子學(xué)報,2010,38(8):1886-1891.

[3] 劉博文.基于Multisim的抗干擾AM通信系統(tǒng)設(shè)計[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,45(4):459-462.

[4] 付揚.Multisim仿真在電工電子實驗中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2011,30(4):120-122.

[5] 孫俊卿,羅云林,黃建宇.基于Multisim的高頻電路實驗教學(xué)研究[J].實驗技術(shù)與管理,2010,27(7):80-83..

[6] 呂秀麗,牟海維,李賢麗.Matlab在電磁場與電磁波實驗教學(xué)中之應(yīng)用[J].實驗室研究與探索,2010,29(2):110-112.

[7] 關(guān)雪梅,陳純鍇.基于Matlab的通信原理實驗教學(xué)的研究[J].實驗技術(shù)與管理,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

紅河學(xué)院教學(xué)建設(shè)項目(JJ201007)

郭紅偉（1980-），男(彝族)，云南蒙自人，講師，碩士.研究方向：電子類課程的教學(xué)和圖像處理.

[責(zé)任編輯 自正發(fā)]