高頻電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐金榮，郭彩萍

（太原工業(yè)學(xué)院電子工程系，山西太原 030008）

高頻電子技術(shù)是電子信息工程的基礎(chǔ)課程之一，旨在培養(yǎng)具有扎實(shí)的通信電子電路專業(yè)理論知識(shí)、實(shí)踐能力和工程設(shè)計(jì)能力的學(xué)生。以電路分析基礎(chǔ)、模擬電子線路和信號(hào)與系統(tǒng)等課程為基礎(chǔ)，為學(xué)習(xí)通信理論、移動(dòng)通信技術(shù)、射頻電路設(shè)計(jì)等后續(xù)課程奠定基礎(chǔ)。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(shí)用、最難教與學(xué)”的課程。然而由于課堂上教學(xué)時(shí)間相對(duì)較少，并且課堂上學(xué)生人數(shù)較多，課程內(nèi)容略微晦澀難懂，在如此有限的時(shí)間內(nèi)很難取得預(yù)期的教學(xué)效果。如何在有限的時(shí)間內(nèi)使用不同的方法讓學(xué)生加深對(duì)課堂內(nèi)容的理解和最大限度地培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析相關(guān)問題的能力是值得探討和研究的一項(xiàng)課題[1]。

高頻電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在每個(gè)理工類大學(xué)都是必不可少的，傳統(tǒng)的高頻電子實(shí)驗(yàn)室不僅占地面積大，且功能比較固定，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目過于單一，更換設(shè)備需要的資金比較龐大，并且實(shí)驗(yàn)器材容易滯后無法緊跟時(shí)代，在實(shí)驗(yàn)過程中和后期維護(hù)時(shí)也會(huì)消耗大量資金[2]。以上弊端在一些經(jīng)費(fèi)緊張的學(xué)院在修建此類實(shí)驗(yàn)室時(shí)尤其突出。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，不僅在計(jì)算機(jī)上實(shí)行軟件仿真代替一些設(shè)備某些功能的能力愈發(fā)成熟，同時(shí)也可以幫助經(jīng)費(fèi)不足的學(xué)校在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下讓學(xué)生利用學(xué)校建設(shè)的虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，來彌補(bǔ)缺少或設(shè)備老舊實(shí)驗(yàn)室的不足。利用優(yōu)秀的EWB、MATLAB、Multisim 等計(jì)算機(jī)輔助軟件系統(tǒng)，教師和學(xué)生可以設(shè)計(jì)和模擬高頻電子電路。仿真電路、模擬波形、參數(shù)設(shè)置和結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，從而把抽象的技術(shù)難點(diǎn)的具體內(nèi)容可視化，把復(fù)雜繁瑣的實(shí)際問題簡單化，顯著增強(qiáng)了教學(xué)效果[3]。因此，高頻電子技術(shù)的仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于學(xué)生去理解和掌握這門課起到了至關(guān)重要的作用，設(shè)計(jì)一個(gè)簡捷有效、易于操作的高頻電子技術(shù)虛擬仿真系統(tǒng)是需要著重解決的關(guān)鍵問題[4]。

1 仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用MATLAB 的App Designer 技術(shù)進(jìn)行圖形界面的開發(fā)，界面設(shè)計(jì)的接口不需要手動(dòng)設(shè)計(jì)，可以直接通過組件屬性窗口進(jìn)行修改，并且程序也可以自動(dòng)修改，大大提高了開發(fā)的效率。

1.1 App Designer技術(shù)

以MATLAB2019a為例介紹使用方法：

（1）首先打開MATLAB，并打開App Designer 設(shè)計(jì)工具，或者在命令行輸App Designer。

（2）進(jìn)入App Designer設(shè)計(jì)界面，界面比較簡潔，左側(cè)是常用的功能區(qū)域，右側(cè)是代碼目錄行，中間是設(shè)計(jì)區(qū)域，在設(shè)計(jì)區(qū)域可以切換到代碼視圖。

（3）可以直接從左側(cè)界面拖動(dòng)想要的功能模塊，進(jìn)入設(shè)計(jì)區(qū)，然后在模塊屬性區(qū)域進(jìn)行編輯屬性，相應(yīng)的基本代碼會(huì)自動(dòng)更新，開發(fā)者只需要關(guān)注回調(diào)函數(shù)的內(nèi)容編輯即可。

（4）完成設(shè)計(jì)后，直接點(diǎn)擊運(yùn)行，即可進(jìn)行在線調(diào)試，可實(shí)時(shí)看到設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的內(nèi)容

根據(jù)高頻電子技術(shù)教學(xué)大綱要求，利用App Designer 設(shè)計(jì)一套關(guān)于高頻電子技術(shù)課程的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括高頻小信號(hào)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(diào)幅及解調(diào)、DSB 調(diào)幅及解調(diào)、SSB調(diào)幅及解調(diào)、模擬乘法混頻、調(diào)頻及鑒頻、調(diào)相及鑒相共11 部分的內(nèi)容，涵蓋了高頻電子技術(shù)課程的主要內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)從原理電路、參數(shù)設(shè)置、波形輸出等角度展示內(nèi)容的基本原理，分析方法及性能指標(biāo)、波形變化，全方位、多角度地幫助人們學(xué)習(xí)高頻電子技術(shù)的課程，幫助掌握模擬通信系統(tǒng)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(yǎng)學(xué)生具有一定工程實(shí)踐的分析及解決問題的能力。

1.3 登錄及注冊(cè)界面

采用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)高頻電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)需要完成注冊(cè)界面、登錄界面、每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的仿真界面等內(nèi)容。以如何實(shí)現(xiàn)注冊(cè)登錄界面為例介紹，圖1為注冊(cè)登記界面的流程圖。為了安全及保密性等要求，系統(tǒng)需使用賬號(hào)登錄，登錄成功，系統(tǒng)則跳轉(zhuǎn)仿真系統(tǒng)的主界面，進(jìn)入主界面。

圖1 注冊(cè)及登記界面的流程圖

在制作登錄界面時(shí)需要用到數(shù)值框、文本框及按鈕。首先在MATLAB 軟件中打開App designer，頁面左側(cè)是常用的功能區(qū)域，右側(cè)是代碼目錄行，中間是設(shè)計(jì)區(qū)域。登錄界面主要功能是驗(yàn)證賬戶密碼的正確性，如沒有賬戶，系統(tǒng)會(huì)提醒你：“如沒有賬號(hào)請(qǐng)注冊(cè)賬號(hào)”，此時(shí)可以點(diǎn)擊注冊(cè)按鈕進(jìn)行注冊(cè)。在注冊(cè)界面，實(shí)現(xiàn)賬號(hào)和密碼的注冊(cè)，并將賬號(hào)密碼保存到數(shù)據(jù)庫，用于登錄時(shí)比對(duì)賬戶密碼是否正確。

2 仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

賬戶密碼驗(yàn)證通過之后就進(jìn)入到系統(tǒng)的主界面，該系統(tǒng)的仿真主界面包括12個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，分別為高頻小信號(hào)調(diào)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(diào)幅及解調(diào)、混頻、調(diào)頻及鑒頻、調(diào)相及鑒相。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋了課程的主要教學(xué)內(nèi)容，符合教學(xué)大綱要求。根據(jù)需求進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行仿真。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)參數(shù)動(dòng)態(tài)設(shè)置和修改，以圖形化和數(shù)據(jù)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，直觀反映參數(shù)改變對(duì)電路功能的影響。

2.1 AM調(diào)幅及解調(diào)實(shí)驗(yàn)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括12項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以AM調(diào)幅為例，要實(shí)現(xiàn)AM調(diào)幅信號(hào)，首先要設(shè)計(jì)調(diào)幅電路，可以采用高電平調(diào)幅和低電平調(diào)幅兩種方法。高電平調(diào)幅方法主要借助丙類功率放大器來實(shí)現(xiàn)AM信號(hào)，既實(shí)現(xiàn)功率放大，又實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制功能，而低電平調(diào)幅借助乘法器實(shí)現(xiàn)。通過電路設(shè)置合適的調(diào)幅系數(shù)，輸入信號(hào)包括載波、調(diào)制信，參數(shù)需要3個(gè)數(shù)值框。一個(gè)圖片框用于展示AM 調(diào)幅及解調(diào)電路，7 個(gè)顯示波形的坐標(biāo)區(qū)用于展示輸入輸出信號(hào)及對(duì)應(yīng)的頻譜，還需要相關(guān)按鍵用于后臺(tái)功能鏈接。最終實(shí)現(xiàn)效果如圖2，為了便于觀察，該實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)載波參數(shù)2 000 Hz，調(diào)制信號(hào)頻率200 Hz，調(diào)幅系數(shù)0.5，得到調(diào)幅信號(hào)的輸出波形，通過波形可以得到輸出的波形的包絡(luò)和調(diào)制信號(hào)成線性比例關(guān)系。同時(shí)還可以觀測(cè)輸入輸出信號(hào)的頻譜，發(fā)現(xiàn)調(diào)幅信號(hào)實(shí)現(xiàn)了頻譜的線性搬移，將調(diào)制信號(hào)搬到載波兩側(cè)，頻譜的結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化。當(dāng)然可是實(shí)時(shí)修改載波的頻率及調(diào)制信號(hào)的波形和調(diào)幅系數(shù)，達(dá)到實(shí)時(shí)顯示波形的效果。AM 信號(hào)的解調(diào)通過后臺(tái)代碼的控制實(shí)現(xiàn)，解調(diào)結(jié)果通過解調(diào)信號(hào)波形展示，通過分析，剛開始解調(diào)波形有一定失真，經(jīng)過一段時(shí)間穩(wěn)定，可以測(cè)得信號(hào)的頻率也是200 Hz。

圖2 AM調(diào)幅及解調(diào)實(shí)驗(yàn)

2.2 FM調(diào)幅及解調(diào)實(shí)驗(yàn)

FM 調(diào)幅有直接調(diào)頻和間接調(diào)頻兩種方法實(shí)現(xiàn)，間接調(diào)頻借助調(diào)相電路來間接實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。兩種方法要求調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)角頻率和調(diào)制信號(hào)呈線性關(guān)系。該實(shí)驗(yàn)要探討瞬時(shí)頻率、附加相位、輸出的調(diào)頻波及解調(diào)出來的信號(hào)，設(shè)計(jì)界面需要7個(gè)坐標(biāo)軸來分別展示需要觀察的信號(hào)波形，同時(shí)還需要設(shè)置參數(shù)，實(shí)時(shí)更改參數(shù)來動(dòng)態(tài)顯示仿真結(jié)果，需要3個(gè)數(shù)值框，還需要一個(gè)圖片框展示調(diào)頻信號(hào)的原理電路，根據(jù)調(diào)頻電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)置得到相應(yīng)的仿真結(jié)果。如圖3，經(jīng)過調(diào)頻之后，信號(hào)的瞬時(shí)角頻率和調(diào)制信號(hào)呈線性關(guān)系，因相位和頻率相互滿足積分和微分關(guān)系，附加相位和積分后的調(diào)制信號(hào)呈線性關(guān)系。從調(diào)頻波的波形可以看到，調(diào)制信號(hào)的振幅大時(shí)，瞬時(shí)頻率大，波形顯得密集，而調(diào)制信號(hào)的振幅小時(shí)，瞬時(shí)頻率小，波形顯得稀疏。滿足調(diào)頻信號(hào)的原理。

圖3 FM調(diào)幅及解調(diào)實(shí)驗(yàn)

上述闡述了AM 和FM 的調(diào)制和解調(diào)如何實(shí)現(xiàn)及輸入輸出波形等功能展示，對(duì)于該系統(tǒng)的其余十個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不再贅述。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的常規(guī)性驗(yàn)證功能，而且每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)電路參數(shù)動(dòng)態(tài)設(shè)置和修改，以圖形化實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，直觀反映參數(shù)改變對(duì)電路功能的影響，每個(gè)實(shí)驗(yàn)具有學(xué)生自主創(chuàng)建器件庫的功能，允許學(xué)生自行搭建電路的功能，開展設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新，激勵(lì)學(xué)生更有興趣去探索課程[5]。

3 總結(jié)

對(duì)虛擬仿真背景研究和意義進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)了一種高頻電子技術(shù)模擬試驗(yàn)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)。平臺(tái)還包含了注冊(cè)及登錄界面、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇界面和各仿真實(shí)驗(yàn)界面等功能，該系統(tǒng)可以對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)定與調(diào)整，實(shí)時(shí)圖形化展示實(shí)驗(yàn)成果，直觀體現(xiàn)參數(shù)變化對(duì)仿真成果的影響。系統(tǒng)包含了高頻電子技術(shù)課程中所學(xué)到的大部分電路，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以基本保證學(xué)生進(jìn)行高頻電子技術(shù)中仿真，以生動(dòng)、直觀的方式來對(duì)已學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行理解和驗(yàn)證。當(dāng)然，系統(tǒng)還有一些需要改進(jìn)的方面。首先，對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和頁面布局進(jìn)行優(yōu)化，讓系統(tǒng)更加完善。其次，系統(tǒng)是基于MATLAB 進(jìn)行開發(fā)并且封裝成一個(gè)桌面應(yīng)用，下一步可以嘗試使用Java 軟件進(jìn)行開發(fā)，便于仿真系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)使用。

虛擬仿真技術(shù)也是新時(shí)代科技革命的產(chǎn)物對(duì)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(guān)的生產(chǎn)中，如果可以充分利用虛擬技術(shù)，可以減少大部分的硬件資源浪費(fèi)，也可以在實(shí)施某種設(shè)計(jì)方案之前多次用虛擬技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，來檢測(cè)設(shè)計(jì)方案的可行性，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也可以給工程師更好的參考，在避免資源浪費(fèi)的同時(shí)，也可以省出一筆不小的經(jīng)費(fèi)用于其他投資。