基于SystemView的通信原理教學(xué)實踐

陳 軍

(定西師范高等?？茖W(xué)校 物理與電子工程系，甘肅 定西 743000)

1 引 言

基于交互式視窗環(huán)境的通信系統(tǒng)開發(fā)、仿真分析軟件SystemView在系統(tǒng)設(shè)計、動態(tài)分析領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用. 運用SystemView電子仿真軟件進(jìn)行電路設(shè)計、調(diào)試，實現(xiàn)在相應(yīng)硬件實驗室才可以完成的實驗，克服由于資金有限而導(dǎo)致實驗條件不足的約束[1-2]. 關(guān)于運用計算機(jī)在理論分析、實驗仿真及開辟現(xiàn)代化實驗室等方面已有研究[3-7]. SystemView具有各種圖形庫及精密、靈活的系統(tǒng)數(shù)據(jù)、波形分析窗口，可完成復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計、測試、分析及對各種通信系統(tǒng)的仿真.

2 系統(tǒng)功能

2.1 組織結(jié)構(gòu)圖設(shè)計功能

通過使用子系統(tǒng)對象的無限制分層結(jié)構(gòu)功能便于建立復(fù)雜的信號處理系統(tǒng).

2.2 多種數(shù)據(jù)采樣率合并輸入系統(tǒng)功能

SystemView允許合并多種數(shù)據(jù)采樣率輸入的系統(tǒng)，以簡化FIR 濾波器的執(zhí)行. 這種特性尤其適合于同時具有低頻和高頻部分的通信系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，在保持局部仿真精度的條件下，有利于提高整個系統(tǒng)的仿真速度. 同時，還可降低對計算機(jī)硬件配置的要求.

2.3 SystemView多功能模塊

SystemView的圖符庫提供從DSP、通訊、信號處理、自動控制及構(gòu)造通用數(shù)學(xué)模型. 信號源和接收端圖標(biāo)允許在SystemView內(nèi)部生成和分析信號，并可提供外部處理的各種文件格式和輸入/輸出數(shù)據(jù)接口.

2.4 線性系統(tǒng)和多功能濾波設(shè)計

SystemView的操作圖符庫包含功能強大、易于使用圖形模板設(shè)計模擬和數(shù)字以及離散和連續(xù)時間系統(tǒng)的環(huán)境. 如FIR濾波器設(shè)計(包括：低通、帶通、高通、帶阻、Hilbert和微分)、IIR濾波器設(shè)計(包括：多極Bessel，Butterworth，Chebyshev和Linear Phase)和FFT類型：magnitude，squared、光譜分析器、能量譜密度和相位.

2.5 信號分析、處理功能

SystemView分析窗口是能夠提供系統(tǒng)波形的交互式分析窗口、動態(tài)探針、實時顯示的可視環(huán)境. 它還提供完成系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)生成并處理操作的接收端計算器.

另外，SystemView允許用戶如同系統(tǒng)內(nèi)建的庫一樣使用自己用C/C++編寫插入的用戶代碼庫；能自動執(zhí)行系統(tǒng)連接檢查，并顯示出錯的圖符等特點，便利于用戶系統(tǒng)的診斷.

3 實驗過程的流程及基于SystemView的電路原理模塊的設(shè)計流程

實驗過程流程如圖1所示，在教學(xué)過程中，結(jié)合具體的教學(xué)內(nèi)容，借助于SystemView仿真平臺，根據(jù)原理、規(guī)律，應(yīng)用軟件提供的模塊，設(shè)計電路，并確定電路中的各模塊器件參量，運用仿真平臺提供的虛擬儀器進(jìn)行在線動態(tài)測量[8-14]，這樣以人機(jī)交互的方式，可使每位學(xué)生親自動手接觸電路,連接元件,依據(jù)電路設(shè)計要求更改相應(yīng)元件參量，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計、創(chuàng)造能力.

圖1 實驗過程流程圖

SystemView電路模塊設(shè)計流程如圖2所示，可按照理論要求，方便地調(diào)整和修改模塊器件參量,分析各器件參量對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響與作用. 這樣將連線、測試、修改、分析、仿真結(jié)果的觀察相統(tǒng)一，與理論描述相對照比較，把實驗與理論有機(jī)相結(jié)合，加深了學(xué)生對理論的認(rèn)識及理解，提高學(xué)生邏輯思維能力.

圖2 模塊設(shè)計流程圖

4 電路設(shè)計與仿真實踐

以“數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)[15]”為例進(jìn)行電路設(shè)計及實時仿真.

4.1 電路模型分析

數(shù)字信號基帶傳輸系統(tǒng)主要由脈沖形成器、發(fā)送濾波器、傳輸信道、接收濾波器和識別等功能電路組成[2,10].

4.2 模型搭建及仿真

啟動SystemView仿真平臺[14]，進(jìn)入設(shè)計窗口. 設(shè)計創(chuàng)建實驗電路過程如下：

1)模塊選取

在SystemView原理圖編輯窗口中，從左邊的圖符庫中選擇需要的圖符，將各圖符模塊選取到設(shè)計窗口中.

2)實驗電路圖符的連接

將每個圖符依據(jù)數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)電路原理模型，在設(shè)計窗口中連接起來形成如圖3所示仿真電路. 系統(tǒng)仿真電路中各圖符塊的參量設(shè)置如表1所示.

圖3 通信仿真電路模型

3)電路文件的保存

電路創(chuàng)建完成后將該電路保存為“TEST”，以便進(jìn)行調(diào)用、測試.

設(shè)置SystemView系統(tǒng)視窗并仿真：設(shè)置“時間窗”參量：Start Time 0 s；Stop Time 0.5 s；Sample Rate 10 000 Hz. 運行系統(tǒng)之后，進(jìn)入“分析窗”，進(jìn)行觀察、分析.

表1 參量設(shè)置表

5 仿真結(jié)果及分析

眼圖是利用實驗手段方便地估計系統(tǒng)性能時在示波器上觀察到的一種圖形，衡量基帶傳輸系統(tǒng)性能的重要方法，借助于它可以達(dá)到有效地改善系統(tǒng)性能.

通過SystemView分析窗“繪制新圖”功能，在 “System Sink Calculator”對話框中的Style 和Time Slice按鈕，設(shè)置好“Start Time(sec)”和“Repeat Length(sec)”欄內(nèi)參量,獲得數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的眼圖. 如圖4所示，在低通濾波器為巴特沃茲濾波器(Fc=60 Hz)條件下，當(dāng)信道中噪聲方差(Std Dev)為0.1 V時，接收濾波器的輸出波形眼圖與噪聲方差為0.3 V的眼圖分別如圖4(a)和(b)，可以觀察到，“眼睛”張開情況；改變低通濾波器的帶寬，如巴特沃茲濾波器(Fc=30 Hz)條件下，當(dāng)信道中噪聲方差(Std Dev)為0.1 V時，接收濾波器的輸出波形眼圖與噪聲方差為0.3 V的眼圖分別如圖5(a)和(b)，直觀地觀察出“眼睛”的情況；當(dāng)信道中噪聲方差(Std Dev)為0.1 V, 巴特沃茲濾波器的信道帶寬不同時，抽樣判決比較后輸出的信號眼圖如圖6(a)和(b)所示. 接收端通過抽樣判決來重現(xiàn)基帶信號，當(dāng)噪聲過大、低通濾波器的帶寬較窄時，抽樣判決就會產(chǎn)生錯誤，產(chǎn)生誤碼.

通過以上眼圖的觀察研究，明顯地得出:噪聲大小對眼圖的影響，噪聲越小，線條越細(xì)，越清晰，“眼睛”張開越大，誤碼率越小. 同時觀察到信道帶寬對眼圖的影響情況，眼皮厚度反映了加入噪聲的幅度和信道帶寬，信道中加入的噪聲干擾越大及信道越窄，眼圖越模糊，越雜亂等這些較抽象的物理現(xiàn)象及使學(xué)生深刻理解高斯濾波器、抽樣比較電路的物理功能.

(a)Std Dev=0.1 V

(b)Std Dev=0.3 V 圖4 Fc=60 Hz時，接收濾波器輸出波形的眼圖譜

(a)Std Dev=0.1 V

(b)Std Dev=0.3 V圖5 Fc=30 Hz時，接收濾波器輸出波形的眼圖譜

(a)Fc=30 Hz

(b)Fc=60 Hz圖6 抽樣判決比較后輸出波形信號眼圖譜

6 結(jié)束語

依據(jù)被研究對象的物理模型,利用仿真技術(shù)提供的虛擬實驗環(huán)境揭示客觀事物的內(nèi)在規(guī)律，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時提高了物理實驗的開出率，解決實驗場地有限、設(shè)備投資欠缺等現(xiàn)實問題. 仿真技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)提高了課堂教學(xué)的效果，使課堂教學(xué)內(nèi)容更充實，現(xiàn)象更生動. 同時，使實驗與理論有機(jī)地結(jié)合起來加深了學(xué)生對理論的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生動手、測試、分析、調(diào)試的實驗技能，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神和提高了學(xué)生的設(shè)計能力.

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