SystemView在通信系統(tǒng)設(shè)計實踐教學(xué)中的應(yīng)用

范 燁，徐柳娟

(浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江 杭州 310018)

0 引言

通信系統(tǒng)設(shè)計實踐教學(xué)是通信工程專業(yè)、電子信息專業(yè)和光信息專業(yè)的專業(yè)實踐課程，該課程對專業(yè)理論基礎(chǔ)要求高，基礎(chǔ)理論抽象性強，給教學(xué)帶來很大的困難.在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)上，應(yīng)從創(chuàng)新能力的培養(yǎng)高度出發(fā)，要求學(xué)生獨立完成實驗內(nèi)容［1］;這里引入SystemView仿真軟件來輔助通信系統(tǒng)設(shè)計實踐教學(xué)，可以使抽象的理論形象化.對于學(xué)生而言，利用仿真軟件可以給學(xué)生提供直觀的形象思維，并能設(shè)計許多現(xiàn)有設(shè)備無法實現(xiàn)實驗;對于高校教師而言，利用仿真軟件進行備課、教學(xué)，可以更好地擴寬教學(xué)思路，使上課更加淺顯易懂［2］.學(xué)生可以按照理論框圖，自頂而下將系統(tǒng)設(shè)計出來，并且具有很大的靈活性;從而增強學(xué)生對專業(yè)理論知識的理解程度，培養(yǎng)學(xué)生對通信系統(tǒng)設(shè)計的興趣以及積極性，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力;為實踐教學(xué)的創(chuàng)新改革做出貢獻，提升實踐教學(xué)的功效.

1 SystemView通信系統(tǒng)仿真軟件介紹

SystemView仿真軟件是美國ELANIX公司研制的一款動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計、仿真和分析的可視化設(shè)計軟件，可用于通信類、電子信息類專業(yè)中的仿真、設(shè)計和驗證［3］.它由器件庫、信號源、分析模塊構(gòu)成，軟件含有豐富的庫資源.基本庫包括信號源庫、加法器庫、子系統(tǒng)I/O庫、算子庫、函數(shù)庫、乘法器庫、觀察窗庫共8個;此外還包括各種專業(yè)庫，包括通信庫、邏輯庫、數(shù)字信號處理庫、射頻庫共4個，特別適合通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和驗證［4－6］.利用 SystemView軟件進行通信系統(tǒng)仿真設(shè)計，構(gòu)建簡單，不需要軟件編程，也不需要焊接復(fù)雜的硬件電路，也不需要配置相應(yīng)硬件電路的耗材以及實驗設(shè)備.模塊化的設(shè)計模式可以讓使用者全面地了解系統(tǒng)組成和每個模塊的功能，實際仿真出的波形跟實際的通信系統(tǒng)也有很好的一致性，使得設(shè)計結(jié)果更加可靠.

SystemView仿真軟件的通信系統(tǒng)實踐教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)點:

(1)節(jié)約投資，全軟件環(huán)境，不需要實驗箱等相應(yīng)設(shè)備的投資，也無需硬件焊接、元器件等耗材的開銷.

(2)面向系統(tǒng)級的實踐環(huán)境，避免學(xué)生將過多的精力放在硬件電路調(diào)試上.

(3)基于圖符的仿真軟件，無需復(fù)雜的編程語言的學(xué)習(xí)，不需要寫一句代碼，只需要添加相應(yīng)模塊以及設(shè)置相應(yīng)模塊的參數(shù)，就可以完成一個復(fù)雜通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真與驗證，性價比高.

(4)靈活性大，可以動態(tài)修改相應(yīng)模塊的參數(shù)，從而驗證相應(yīng)的實踐結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.

(5)有系統(tǒng)級設(shè)計和仿真的功能，可以使實踐驗證型教學(xué)模式向設(shè)計型教學(xué)模式過渡，可以作為畢業(yè)設(shè)計項目以及創(chuàng)新項目.

2 SystemView通信系統(tǒng)實踐教學(xué)應(yīng)用實例

2.1 通信系統(tǒng)實踐教學(xué)應(yīng)用實例

SystemView為一個操作簡單、內(nèi)容豐富的先進實踐操作平臺，這里結(jié)合實際教學(xué)情況，以項目化主導(dǎo)，設(shè)計了幾個實踐項目.

(1)雙邊帶調(diào)幅項目

通過SystmeWiew所提供的示波器可以分別觀察雙邊帶調(diào)幅AM的調(diào)制信號波形、載波信號波形、以調(diào)信號的波形.

(2)通信系統(tǒng)信號抽樣定理項目

抽樣定理為模擬信號數(shù)字化的理論基礎(chǔ)，采用樣頻率需要2倍以上的最高頻率進行采樣從而避免信號失真.項目以低通信號采樣與恢復(fù)的實例來驗證抽樣定理.其中輸入模擬信號源為1V、200 Hz的正弦波，分別采用200 Hz、400 Hz、600 Hz三種不同的采樣頻率，可以看出當(dāng)采樣頻率為200 Hz時，恢復(fù)信號存在很大的失真.

(3)PCM脈沖編碼調(diào)制項目

PCM是把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的調(diào)制方式，通過采樣、量化、編碼三個步驟將模擬信號編碼.其中量化方式采樣非均勻量化，量化前將小信號放大、對大信號壓縮，通常有13折線A律和μ律兩種標準.采用SystemView可以實現(xiàn)PCM編碼中的信號壓縮與擴展過程仿真，可以明顯看出System-View中壓縮器模塊將小信號放大、大信號壓縮;擴張器模塊將大信號壓縮、小信號放大.擴張器模塊還原后的波形和系統(tǒng)輸入波形一致.

(4)數(shù)字濾波器設(shè)計項目

數(shù)字濾波器設(shè)計是通信系統(tǒng)設(shè)計中不可或缺的組成部分，SystemView算子庫中帶有一個“Linear Sys Filters”圖標，讓學(xué)生直接、直觀地操作數(shù)字濾波器設(shè)計.設(shè)計實現(xiàn)IIR、FIR、通信濾波器，學(xué)生可以直接從圖形界面設(shè)計所需要的幅頻響應(yīng)曲線，由SystemView自動計算各系數(shù)，省去理論計算部分，即可完成數(shù)字示波器的設(shè)計.

(5)偽隨機序列產(chǎn)生項目

擴頻碼被廣泛地應(yīng)用于擴頻系統(tǒng)中的信號頻譜擴展，擴頻碼中應(yīng)用最廣的是偽隨機序列(m序列)，SystemView在系統(tǒng)信號源圖符中為用戶提供了PN碼信號源，學(xué)生只需要在輸入端加入時鐘信號，在“參數(shù)設(shè)置”中設(shè)置移位寄存器程度、起始種子，就可以通過示波器直觀的看到m序列輸出.

(6)數(shù)字傳輸系統(tǒng)仿真項目

SystemView可以實現(xiàn) 2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、MSK、QAM16、QPSK 等數(shù)字傳輸系統(tǒng)的仿真，可以讓學(xué)生熟悉數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、特點以及性能.后面會以2ASK、2FSK兩種基礎(chǔ)調(diào)制系統(tǒng)的仿真為例，詳細介紹 SystemView的仿真過程.

2.2 2ASK調(diào)制系統(tǒng)仿真

二進制幅移鍵控2ASK調(diào)制信號為二進制數(shù)據(jù)，即利用二進制數(shù)據(jù)“0”或者“1”的基帶信號來控制載波信號的通斷.有載波輸出時表示“1”，無載波輸出時表示“0”.

2ASK調(diào)制器的產(chǎn)生方法有兩種，一種是相乘電路法、另外一種是通斷鍵控法［7］.這里采用的是相乘電路法，具體系統(tǒng)實現(xiàn)原理框圖，見圖1.

圖1 2ASK調(diào)制原理框圖

2ASK調(diào)制器具體在SystemView上仿真電路圖，見圖2.模塊0為信號源，產(chǎn)生一路PN碼脈沖信號，作為基帶信號;模塊1為示波器，可以觀測基帶信號源實際輸出波形;模塊為2為乘法器;模塊為3為信號源，產(chǎn)生一路正弦波，作為載波信號;模塊4為示波器，可以觀察最后輸出的2ASK調(diào)制信號.

圖2 2ASK調(diào)制器SystemView仿真電路圖

基帶信號為“0”或者“1”PN碼脈沖信號，基帶信號和載波信號相乘，就可以實現(xiàn)2ASK調(diào)制波形的輸出.具體仿真波形，見圖3，其中左圖為基帶信號的波形，右圖為2ASK調(diào)制器輸出的波形.

圖3 2ASK調(diào)制器SystemView仿真波形圖

2.3 2FSK調(diào)制系統(tǒng)仿真

二進制頻移鍵控2FSK調(diào)制信號為二進制數(shù)據(jù)，即利用二進制數(shù)據(jù)“0”或者“1”的基帶信號來控制兩路載波信號的選中.基帶信號為“1”時輸出一路載波信號f1，基帶信號為“0”時輸出另外一路載波信號f2.

2FSK調(diào)制器的產(chǎn)生方法有兩種，一種是模擬調(diào)頻電路法、另外一種是鍵控法［8］.這里采用的是鍵控法來實現(xiàn)，兩個載波發(fā)生器分別產(chǎn)生f1或者f2的載波，調(diào)制器按照輸入的二進制基帶信號為“0”或者“1”，通過開關(guān)電路來選擇兩個載波信號輸出，使其在一個碼元周期內(nèi)輸出其中一路載波信號.具體系統(tǒng)實現(xiàn)原理框圖，見圖4.

圖4 2FSK調(diào)制原理框圖

2FSK調(diào)制器具體在SystemView上仿真電路圖見圖5.模塊0為信號源，產(chǎn)生一路PN碼脈沖信號，作為基帶信號;模塊3為示波器，可以觀測基帶信號源實際輸出波形;模塊1為信號源，產(chǎn)生一路正弦波，作為載波信號f1;模塊2為信號源，產(chǎn)生另外一路正弦波，作為載波信號f2;模塊為5為合路器，將兩路載波信號合路;模塊4為示波器，可以觀察最后輸出的2FSK調(diào)制信號.

圖5 2FSK調(diào)制器SystemView仿真電路圖

基帶信號為“0”或者“1”PN碼脈沖信號，基帶信號和載波信號相乘，就可以實現(xiàn)2FSK調(diào)制波形的輸出.具體仿真波形，見圖6，其中左圖為基帶信號的波形，右圖為2FSK調(diào)制器輸出的波形.脈沖信號為“0”時，調(diào)制信號輸出的為f1，頻率較低、波形較寬信號;脈沖信號為“1”時，調(diào)制信號輸出的為 f2，頻率較高、波形較窄信號.

圖6 2FSK調(diào)制器SystemView仿真波形圖

3 結(jié)語

綜上所述，通信系統(tǒng)實踐教學(xué)中引入仿真技術(shù)，是現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)在教學(xué)中的具體體現(xiàn)，能夠直觀形象地解決具體理論上的難點.SystemView是一個功能強大的EDA仿真軟件，為通信系統(tǒng)實踐教學(xué)提供了一個便捷、有效的實踐教學(xué)平臺，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，為通信專業(yè)自身水平提升做出貢獻，從而適合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要.

［1］徐柳娟，趙玉玲.立足電子實踐教學(xué)培養(yǎng)高素質(zhì)人才［J］.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報，2004，16(1):67－68.

［2］楊啟堯.EWB仿真軟件在電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報，2012，24(1):95－97.

［3］任 斌，王朝新，陳 潔.基于SystemView的新型數(shù)字帶通調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(31):7662－7666.

［4］李會勇，鄧 嫻，甘 露，等.利用SystemView平臺加強《通信技術(shù)與系統(tǒng)》課程實踐教學(xué)［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2005(S1):30－32.

［5］楊尚真，王建新，王 斌.數(shù)字通信原理的虛擬實驗室系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］，計算機工程與科學(xué)，2004，26(9):97 －101.

［6］劉 俊.高職院校《數(shù)字通信原理》實驗教學(xué)的改革與實踐［J］.職業(yè)技術(shù)教育，2007(8):39 －40.

［7］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.6版.北京:國防工業(yè)出版社，2008.

［8］楊旭峰.通信原理［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010.