山東理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 劉 剛 董 延 王立香

“通信電子線路”是電子信息工程、通信工程一門重要的理論性、實踐性都很強專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程主要研究無線通信系統(tǒng)中的各單元電路的設(shè)計方法和理論，具有內(nèi)容多、內(nèi)容抽象、理論性強的特點，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)效果較差，學(xué)生普遍感到學(xué)習(xí)困難。

為適應(yīng)當(dāng)前無線通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，作者在通信電子線路教學(xué)中，將虛擬電路仿真引入課堂，將電路中不同節(jié)點處的電信號參數(shù)通過虛擬示波器等虛擬儀器實時顯示，以此培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際并用于實際的能力，使得抽象的知識變得形象生動，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，開拓了學(xué)生的思維模式，有效提高了課堂的教學(xué)效果和學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效率。本文以Multisim作為電路虛擬仿真開發(fā)平臺，以幅度調(diào)制為例，對電路理論與虛擬仿真相結(jié)合的教學(xué)方法進行分析和研究。

1 課堂教學(xué)過程設(shè)計

課堂教學(xué)的設(shè)計，是通信電子線路教學(xué)改革的主要表現(xiàn)形式，好的課堂設(shè)計，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情，起到事半功倍的作用。在幅度調(diào)制教學(xué)過程中，首先需要對AM調(diào)制的原理進行理論分析，引出AM信號的包絡(luò)與音頻信號的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上對調(diào)幅系數(shù)對AM信號波形的影響進行分析。接下來，通過虛擬仿真電路，對AM信號的波形進行仿真分析，使學(xué)生對AM電路的構(gòu)成有一個基本的了解，為隨后的電路原理講解奠定基礎(chǔ)。本文設(shè)計了四個層層遞進的電路教學(xué)活動，對虛擬通信電子電路仿真在課堂教學(xué)活動中的節(jié)點位置及與理論知識的結(jié)合過程，進行設(shè)計分析。

1.1 AM信號原理分析

幅度調(diào)制（AM）就是利用音頻信號（低頻）來控制載波信號（高頻）信號的幅度參數(shù)，這樣載波信號的幅度變化就能包含了音頻信號的信息。假定音頻信號UΩ表示為：

高頻載波信號表示為：

則AM信號可以寫為：

式中，ma為調(diào)幅系數(shù)，表征了高頻載波電壓幅度受到音頻信號UΩ的調(diào)制后改變的程度，一般要求：0＜ma≤ 1。

1.2 虛擬電路仿真分析

利用Multisim設(shè)計的AM仿真電路原理圖如圖1所示。

圖1 AM信號產(chǎn)生電路

圖1所示中，在音頻信號上疊加一直流電壓，因此，乘法器的輸入端分信號別為：

設(shè)置乘法器的系數(shù)k= 1V/V，則乘法器的輸出：

對比式(6)和式(3)，很容易看出，調(diào)節(jié)EC的大小，調(diào)幅系數(shù)的大小也會發(fā)生改變。分別通過調(diào)節(jié)調(diào)幅系數(shù)可變電阻的大小，調(diào)節(jié)EC的值分別為：2V，1V和0.8V，對應(yīng)的分別為0.5，1，和1.25。觀察虛擬示波器的波形，如圖2(a～c)所示，圖中藍色單頻余弦曲線為音頻信號隨時間變化曲線，紅色曲線表示調(diào)制后，得到的AM信號。

圖2 不同調(diào)幅系數(shù)AM信號波形

1.3 調(diào)幅系數(shù)對AM信號的影響分析

由前述環(huán)節(jié)的教學(xué)，學(xué)生對調(diào)幅系數(shù)改變時，AM波形的變換特點有了較為深刻的印象。從圖2(a)和圖2(b)中可以看出，調(diào)幅信號的上包絡(luò)隨時間的變化，與音頻信號幅度隨時間的變化一致，這充分體現(xiàn)了調(diào)幅信號的特點。圖2(c)中，顯然，調(diào)幅信號的上包絡(luò)已經(jīng)不能正確反映音頻信號的變化，因此，普通的調(diào)幅信號中，要求調(diào)幅系數(shù)0＜ma≤ 1。

根據(jù)AM信號數(shù)學(xué)表達式(3)，令上包絡(luò)的極大值和極小值分別為Vmax和Vmm，可以推導(dǎo)出調(diào)幅系數(shù)的第二種計算方法：

由圖2(a)所示，從圖中讀出AM上包絡(luò)的極大、極小電壓值，上式可以計算出ma= 0.5。

此值ma與計算的調(diào)幅系數(shù)結(jié)果是一致的。由此，根據(jù)AM信號的波形，可以計算出調(diào)幅系數(shù)的大小，使理論與波形參數(shù)得到了良好的印證。

1.4 思考

根據(jù)前文對AM信號的分析以及調(diào)幅系數(shù)對AM信號的影響，對AM信號的課堂教學(xué)設(shè)計兩個思考問題，用以促進學(xué)生的思考能力和解決實際問題的能力。

思考題(1)：圖1給出了AM信號的原理電路框圖，實際的電路應(yīng)該如何在該電路基礎(chǔ)上進行設(shè)計，并用模擬乘法器MC1596設(shè)計一個實現(xiàn)普通調(diào)幅的電路圖。

思考題(2)：在實際的AM廣播中，由于音頻信號不是單頻信號，那么AM信號的包絡(luò)應(yīng)該呈現(xiàn)什么特點？

2 結(jié)論

本文對通信電子線路的教學(xué)方法進行了研究和分析，將電路虛擬仿真與課堂教學(xué)相結(jié)合，理論聯(lián)系實際。從理論分析、虛擬仿真、理論與實踐結(jié)合和課堂思考四個方面，對課堂教學(xué)進行了設(shè)計。實踐表明，通過虛擬仿真與理論結(jié)合的教學(xué)方法改革，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，提高了學(xué)習(xí)效果。