基于syevmiew的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在通信電子線路中的應(yīng)用

基于syevmiew的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在通信電子線路中的應(yīng)用

0課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)“通信電子路”是一項(xiàng)關(guān)于現(xiàn)代通信電路結(jié)構(gòu)原理和通信電子路設(shè)計(jì)的信息系統(tǒng)。其目標(biāo)是培養(yǎng)面向21世紀(jì)的全面掌握電子科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的電子通信類專業(yè)高級(jí)技術(shù)人才。實(shí)驗(yàn)是教學(xué)中的重要環(huán)節(jié),只有理論聯(lián)系實(shí)踐,才能與基礎(chǔ)理論教學(xué)起到相互促進(jìn)的作用。本課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要有兩類:一是基于硬件實(shí)驗(yàn)電路板的實(shí)驗(yàn);二是利用EDA仿真軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)。EDA仿真虛擬實(shí)驗(yàn)是利用計(jì)算機(jī)仿真方法,構(gòu)造一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境,通過對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)和電路功能的分析,達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果和目的的一種新的實(shí)驗(yàn)方法,且不受地理位置和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制。目前已將ADS、PSpice、EWB、Matlab等仿真工具應(yīng)用于電子線路、通信原理等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。通過EDA仿真,可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握通信系統(tǒng)知識(shí)。1系統(tǒng)仿真系統(tǒng)SystemView是美國Elanix公司推出的基于Windows平臺(tái)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件,主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真。其仿真系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有:能仿真大量的應(yīng)用系統(tǒng)、快速方便地進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真。用戶只需使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖標(biāo)即可完成復(fù)雜系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)和測(cè)試。SystemView因其方便、直觀、形象的系統(tǒng)構(gòu)建,豐富的器件模型資源、強(qiáng)大的分析功能和可視化的開放體系結(jié)構(gòu),已逐漸被電子工程師和系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)人員所認(rèn)可。并作為各種通信、控制及其它系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)以及通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2系統(tǒng)welle-sqp的教學(xué)本課程教學(xué)中應(yīng)用SystemView仿真軟件,可以構(gòu)造出各種通信系統(tǒng)。這里,我們以單次變頻超外差接收機(jī)的工作原理為例,說明SystemView仿真在教學(xué)中的應(yīng)用。在通信電子線路課程中,超外差接收機(jī)的教學(xué)是一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容,學(xué)生的理解比較困難。采用基于SystemView的虛擬實(shí)驗(yàn),克服了傳統(tǒng)教學(xué)中教學(xué)效果不形象的缺點(diǎn)。2.1混頻的頻譜變化超外差接收機(jī)采用一個(gè)混頻器完成信號(hào)的頻率變換,它把所有接收頻率的不同頻率信號(hào)都變成一個(gè)相同的中頻信號(hào)。單次變頻超外差接收機(jī)框圖如圖1所示?，F(xiàn)令超外差接收機(jī)中的本振信號(hào)頻率為fL,接收到的頻率為fR的射頻已調(diào)信號(hào),通過混頻器后,變換為載頻為fI的中頻信號(hào)IF(IntermediateFrequency)。這種變換應(yīng)該是不失真的,不僅保留原載頻已調(diào)波的調(diào)制方式不變,而且攜帶的信息也不會(huì)丟失?；祛l的頻譜變化如圖2所示。在圖2中,超外差接收機(jī)的混頻單元把接收信號(hào)頻率ωR線性地搬移到了|ωL±ωR|的位置,其中ωL-ωR即為中頻頻率。為保證本振頻率始終高出接收頻率一個(gè)固定的中頻頻率fI,必須使用可變頻率的預(yù)選電路和本振頻率實(shí)現(xiàn)與接收信號(hào)載頻的統(tǒng)調(diào)。對(duì)于調(diào)幅AM信號(hào)的解調(diào),可采用二極管包絡(luò)檢波器,檢出AM信號(hào)的包絡(luò)就是恢復(fù)的基帶信號(hào)。2.2信號(hào)接收及時(shí)域觀測(cè)在SystemView中的超外差接收機(jī)仿真如圖3所示。信號(hào)源11產(chǎn)生一個(gè)帶寬為4kHz的基帶信號(hào),本機(jī)振蕩器13產(chǎn)生本地頻率為40kHz的載波信號(hào),經(jīng)上變頻單元12(其載波被抑制)和加法器14完成調(diào)幅AM信號(hào)的發(fā)射。在接收端,混頻單元4把接收到的AM信號(hào)和頻率為60kHz的本振振蕩器5產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行混頻。由中頻濾波器7取出差頻ωL-ωR=ωI,即為中頻信號(hào)fI。經(jīng)二極管包絡(luò)檢波器8檢波,恢復(fù)出基帶信號(hào),最后由低通濾波器9輸出,完成接收解調(diào)過程。圖3中的20、21、6和10單元為波形觀測(cè)單元,可對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域和時(shí)域觀測(cè)。為了說明簡(jiǎn)化超外差接收機(jī)的工作原理和節(jié)省仿真時(shí)間,本例沒有按實(shí)用接收機(jī)那樣具有可調(diào)接收頻率及將455kHz設(shè)置為中頻,而采用了中頻頻率fI=20kHz。在接收端,由本振信號(hào)fL=60kHz與fR=40kHz的接收AM信號(hào)混頻,分別產(chǎn)生fL+fR=100kHz和fL-fR=20kHz兩個(gè)邊帶頻率,由中頻濾波器取出下邊帶頻率作為中頻信號(hào)。中頻濾波器7為一個(gè)具有5極點(diǎn)切比契夫帶通濾波器,中心頻率為20kHz,帶寬為10kHz。輸出端低通濾波器9為一個(gè)具有5極點(diǎn)切比契夫低通濾波器。圖4至圖7分別為AM信號(hào)頻譜圖、混頻器輸出頻譜、中頻濾波器輸出頻譜和二極管包絡(luò)檢波解調(diào)恢復(fù)基帶信號(hào)輸出頻譜圖,圖8為恢復(fù)的基帶信號(hào)時(shí)域波形。通過該超外差接收機(jī)的仿真可以看出,信號(hào)在超外差接收機(jī)每個(gè)部分的變換過程都清楚地顯示出來,易于被學(xué)生理解。3理論與實(shí)踐相結(jié)合過去教學(xué)中,由于沒有使用SystemView仿真軟件進(jìn)行“通信電子線路”的輔助教學(xué),很多內(nèi)容在講述過程中,只能由授課教師在課堂上畫出通信系統(tǒng)中信號(hào)變換的波形,學(xué)生較難理解系統(tǒng)中某些參數(shù)對(duì)輸出信號(hào)的影響。把SystemView引入教學(xué)后,理論與實(shí)踐進(jìn)行了很好的結(jié)合,深受學(xué)生歡迎。EDA仿真實(shí)踐取得了良好的教學(xué)效果,具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。(1)利用SystemView在通信電子線路課程中的輔助教學(xué),豐富并完善了課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。一方面加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,降低了對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的需求。另一方面提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的交互性、靈活性和多樣性,改善了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力。(2)利用SystemView仿真軟件實(shí)施通信電子線路課程的仿真實(shí)驗(yàn),既能保證對(duì)通信系統(tǒng)準(zhǔn)確的模擬,觀察到與實(shí)測(cè)相近的測(cè)試結(jié)果,又能夠在節(jié)約課內(nèi)實(shí)