“高频电子线路”可视化教学方法研究

刘玉龙， 李晓辉， 刘乃安， 徐 征

(1. 西安电子科技大学 通信工程学院， 陕西 西安710071, 2. 美国国家仪器公司， 陕西 西安 710068)

“高频电子线路”可视化教学方法研究

刘玉龙1， 李晓辉1， 刘乃安1， 徐 征2

(1. 西安电子科技大学 通信工程学院， 陕西 西安710071, 2. 美国国家仪器公司， 陕西 西安 710068)

“高频电子线路”课程具有理论性强、内容抽象等特点，学生理解和掌握比较困难。针对这一问题，本文研究了一种结合LabVIEW和Multisim的“高频电子线路”可视化课程教学方法，并以双边带调制和解调为例，说明了“高频电子线路”可视化教学改革的思路，通过直观的图形化设计，便于学生理解和掌握“高频电子线路”的知识，培养学生的学习兴趣，提高分析和设计能力。

“高频电子线路”；可视化课程教学；LabVIEW；Multisim

0 引言

“高频电子线路”是电子信息工程、通信工程、电子信息科学与技术等相关专业的重要的专业基础课，是一门理论性和实践性都很强的课程[1-2]。学生普遍反映难于掌握。如何在有限的教学时间内，让学生有效理解并掌握“高频电子线路”的知识，培养学生的分析能力、设计能力，是该课程教学改革需解决的首要问题[3-5]。

人类接受的信息来源是多方位的，其中视觉信息占70%，听觉信息占20%，其他占10%，可视化的信息能直接对学生视觉和听觉感官发挥作用[6]。因此，“高频电子线路”教学应该引入可视化的教学方式，以激发学生的主动学习潜能。

目前，可视化教学已被引入到“信号与系统”，“数字图像处理”等课程中[6-7]。但是，还很少有关于“高频电子线路”课程可视化教学方法的报道。针对这一现状，本文将LabVIEW和Multisim引入到高频教学中，以双边带调制和解调为例，说明“高频电子线路”可视化教学改革的思路，通过直观的图形化设计，提供一种可视化的教学方法，使得该课程教学更加生动有趣。

1 “高频电子线路”可视化教学工具

为了实现“高频电子线路”的可视化教学，我们首先利用多媒体技术，开发可视化的“高频电子线路”课件。课件中，在讲解原理算法的同时, 给出丰富的实例，让学生从元器件和模块等基本元素出发接触高频电子线路，在理论教学时综合文字、声音和图像，把理论知识与应用结合起来，使抽象的内容形象化，生动化，易于理解与接受。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美国国家仪器(NI)有限公司推出的一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件，可用来方便地创建用户界面[8]。使用控件图标和连线，通过编程对对象进行控制，也就是图形化源代码，具有非常强的可视化效果。

Multisim也是美国国家仪器(NI)有限公司推出的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作[9]。Multisim包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。使用者可以使用Multisim搭建电路原理图，并对电路进行仿真。通过Multisim和虚拟仪器技术，可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

根据LabVIEW和Multisim的特点，我们将其作为开发“高频电子线路”可视化教学的工具，增加教学的实践性、动态性，避免了学生学习过程中的枯燥感，有利于学生真正理解和掌握知识。

2 “高频电子线路”可视化教学方法

本节以双边带调制(DSB)调制为例，给出了“高频电子线路”可视化教学的实际应用。通过将LabVIEW和Multisim引入到“高频电子线路”的教学中，使学生清晰地看到DSB信号的演变过程，其效果是传统板书难以达到的。

2.1 DSB调制

1)DSB调制原理

DSB调制是一种幅度调制，通过抑制载波信号，既提高了效率，又不影响消息的传输。其波形可以表示为

uDSB=kf(t)Vccosωt

(1)

式中，Vccosωct为载波信号，f(t)为调制信号。

在单一正弦信号f(t)=UΩcosΩt调制时，式(1)可以表示为

uDSB=kUcUΩcosΩtcosωct=g(t)cosωct

(2)

式中，g(t)是双边带信号的振幅，与调制信号成正比，即双边带调制信号可用载波与调制信号相乘得到。单频调制的DSB信号只有ωc+Ω及ωc-Ω两个频率分量。

2)基于LabVIEW的DSB调制

根据DSB调制原理的分析，DSB信号来源于载波信号和调制信号的乘积项，因此可以使用乘法器来实现DSB调制。图1给出了DSB调制的LabVIEW源代码。通过图1，我们可以清楚地看出用乘法器实现DSB调制的过程。

图1 DSB调制的LabVIEW源代码

在图1中，我们可以设定调制信号和载波信号的幅值和频率，两个信号经过乘法器，就可以得到已调信号。

我们可以用LabVIEW中的示波器和频谱分析仪来观察调制信号、载波信号和已调信号的频谱图和波形图。图2给出了单一正弦信号作为调制信号时的调制信号、载波信号和已调信号的频谱图和波形图。

图2中，左侧自上至下分别是调制信号、载波信号和已调信号的频谱，右侧分别是调制信号、载波信号和已调信号的波形。通过这种方式。学生可以很直观地了解如何通过乘法器得到DSB信号的波形和频谱。

3)基于Multisim的DSB调制

通过Labview，我们清晰地看出DSB调制器的各组成模块以及波形图和频谱图，避免了大量的分立器件给学生学习初期带来的困扰。但是在学生对调制器的原理和组成比较清楚后，可以通过Multisim来进一步深入学习乘法器是怎样设计的。

图2 DSB调制的LabVIEW输出频谱图和波形图

根据前面的分析，具有乘积功能的电路均可作为DSB信号的调制电路，包括二极管调制电路、差分对调制电路等。其中，双差分对电路可以逼近理想的乘法器，因此在DSB调制中得到了广泛应用。

图3是使用Multisim来搭建的双差分对DSB调制器。图中，Q1、Q2、Q5和Q3、Q4、Q6分别构成2个差分对，实现DSB调制的功能。

图3 双差分对DSB调制器

图4是该乘法器的输出。这里我们的调制信号选择为三角波。

我们通过LabVIEW和Multisim，从模块级和器件级分别展示DSB调制器的实现方法，让学生先通过LabVIEW理解实现架构、掌握波形和频谱等，然后再学习通过分立元件实现DSB调制的方法，这种可视化教学可以减少学生单纯从课本上学习器件带来的困扰。在使用Multisim进行电路搭建时，可以让学生直接操作，并可以尝试着改变参数设置，分析

图4 DSB调制的输出波形图

不同的参数对输出有什么影响，更加深入地进行高频电子线路的学习。

2.2 基于LabVIEW的DSB信号解调

DSB信号解调是DSB信号调制的逆过程，可采用同步检波法实现。同步检波分为乘积型同步检波和叠加性同步检波。这里我们以乘积型同步检波为例，介绍DSB信号解调的工作原理。

乘积型同步检波是直接把本地恢复的载波与接收信号相乘，用低通滤波器将低频调制信号提取出来，如图5所示。

图5 DSB信号解调工作原理

图中，DSB已调信号和本地恢复载波相乘，可以表示为

(3)

经过低通滤波后，输出的信号为

uo=Uocos(Δωct+φ)cosΩt

(4)

其中Δωc=ωt-ωc。如果ωr=ωc，φ=0，Uo=UΩ，输出信号

uo=UΩcosΩt=uΩ

(5)

即可以得到调制信号uΩ。

图6给出了用乘法器实现同步检波的LabVIEW源代码。

图7自上至下是调制信号、已调信号和解调信号的对比图。

通过图6和图7，可以展示出如何用乘法器实现DSB同步检波，从而验证了DSB调制和解调理论的正确性和有效性。

图6 DSB同步检波的LabVIEW源代码

图7 DSB同步检波的LabVIEW输出波形图

3 结语

本文提出了将LabVIEW和Multisim引入“高频

电子线路”课程教学的方法，通过可视化的教学改革，能够让学生直观地看到调制/解调器的模块级及元器件级的实现方法、波形图和频谱，让抽象的“高频电子线路”理论和实现方法一目了然，便于学生理解和掌握“高频电子线路”的知识，提高分析和设计能力，培养学生的学习兴趣和创新意识，为学生进行更为深入的研究与开发奠定了基础。

[1] 马令坤, 李慧贞, 郑恩让, 张玲, 张震强. 《高频电子线路》 课程教学改革探讨[J]. 长春: 吉林省教育学院学报, 2014(4): 41-42

[2] 姚澄, 朱昌平, 高远. “高频电子线路”课程教学改革探索[J]. 南京: 电气电子教学学报, 2009(9): 44-46

[3] 赵发, 瞿成明. 高频电子线路课程教学改革研究[J]. 北京: 中国现代教育装备, 2011(9): 109-110

[4] 孔令荣. 高频电子线路教学改革研究[J]. 北京: 中国电力教育, 2012(30): 46-47

[5] 张琳, 曹义, 张颖, 刘亿文. 《高频电子线路》的立体式实践教学改革[J]. 北京: 科技资讯,2014(17): 159-159

[6] 郭宝龙, 朱娟娟, 吴宪祥, 闫允一. 信号与系统课程可视化教学的实践探索[J]. 南京: 电气电子教学学报，2010(10): 62-64

[7] 张坤华，纪震. 数字图像处理可视化教学体系探索[J]. 南京：电气电子教学学报，2007(1): 113-115

[8] 王莉, 杨鹏. 基于LabVIEW的虚拟示波器的设计与实现[J]. 上海：实验室研究与探索，2010(1): 62-64

[9] 李剑清. Multisim 在电路实验教学中的应用[J]. 杭州：工业大学学报，2007(5): 543-546

Research on Visual Teaching of High-Frequency Electronic Circuit

IU Yu-long1， Li Xiao-hui1， IU Nai-an1， Xu Zheng2

(1.SchoolofTelecommunicationsEngineering,XidianUniversity,Xi'an710071,China2.NationalInstrumentCompany,Xi'an710068,China)

High-Frequency Electronic Circuit course is hard to be understood since it is full of abstract theories. Aiming at this problem, a visual teaching method for High Frequency Electronic Circuit is proposed on the basis of LabVIEW and Multisim. Take DSB (double sideband) modulation for example, we present the thought of the visual reform of education of High-Frequency Electronics Circuit. Through the directly graphic illustration method, the students can understand and master the knowledge, raise the study interest，and improve the analysis and the design capacity.

high-frequency electronic circuit；visual teaching method；LabVIEW；Multisim

2015-05-29;

2015-09- 23

刘玉龙(1990-)，男，硕士生，研究方向为宽带无线通信，E-mail：welcomeyou2010@126.com

李晓辉(1972-)，女，教授，博士，主要从事高频理论教学、宽带无线接入研究工作，E-mail：xhli@mail.xidian.edu.cn

G426

A

1008-0686(2016)02-0102-04

刘乃安(1966-)，男，教授，博士，主要从事无线通信与射频电路、宽带无线IP网络与技术教学和研究工作，E-mail：naliu@mail.xidian.edu.cn