喻武龍,孟穎,劉愛(ài)民
(北京理工大學(xué)珠海學(xué)院,廣東 珠海 519085)
虛擬仿真軟件在《通信原理》教學(xué)中的應(yīng)用
喻武龍,孟穎,劉愛(ài)民
(北京理工大學(xué)珠海學(xué)院,廣東 珠海 519085)
在進(jìn)行通信原理教學(xué)過(guò)程中,單純采用實(shí)驗(yàn)箱完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式有著明顯的弊端,學(xué)生無(wú)法對(duì)通信系統(tǒng)模塊進(jìn)行自由擴(kuò)展,對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的波形也無(wú)法同時(shí)觀測(cè)比較。為了滿足學(xué)生自主設(shè)計(jì)通信系統(tǒng),并能實(shí)時(shí)觀察多個(gè)節(jié)點(diǎn)波形的需求,本文引入基于systemveiw的虛擬仿真軟件。經(jīng)教學(xué)實(shí)踐證明,使用systemview虛擬仿真軟件可提升學(xué)生自主設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的積極性,有助于學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)的理解與學(xué)習(xí)。
Systemview;通信系統(tǒng);2FSK;虛擬仿真
《通信原理》作為通信技術(shù)專(zhuān)業(yè)的骨干核心課程,在學(xué)習(xí)中占有極其重要的地位。該課程要求學(xué)生從模塊級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的層次上,深刻理解通信系統(tǒng)的基本理論,熟練掌握通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析方法,以及掌握現(xiàn)代通信技術(shù)不斷涌現(xiàn)的新理論和新技術(shù)。《通信原理》傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常都是基于通信實(shí)驗(yàn)箱,目的在于完成與課程教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作。傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)箱存在損壞率高、維修困難、設(shè)備淘汰更新快的弊端,同時(shí)由于受到實(shí)驗(yàn)箱擴(kuò)展條件限制,實(shí)驗(yàn)教學(xué)大部分都是用于完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)、多節(jié)點(diǎn)波形觀測(cè)的通信實(shí)驗(yàn)則并不適用。事實(shí)上,《通信原理》課程對(duì)學(xué)生掌握復(fù)雜的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、多節(jié)點(diǎn)波形觀測(cè)對(duì)比、通信模塊的功能擴(kuò)展等實(shí)踐操作有著較高的要求。通過(guò)引入Systemview的虛擬仿真軟件,學(xué)生可以隨時(shí)按照需求進(jìn)行復(fù)雜通信系統(tǒng)設(shè)計(jì),即時(shí)對(duì)比觀測(cè)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)波形,使復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程更加簡(jiǎn)單明了,幫助學(xué)生更好的學(xué)習(xí)《通信原理》課程。
SystemView是信號(hào)級(jí)的系統(tǒng)仿真軟件,主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真,可進(jìn)行包括數(shù)字信號(hào)處理(DSP)系統(tǒng)、模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的仿真分析。Systemview軟件配置了大量圖符塊(Token)庫(kù),以模塊化和交互式的界面,為用戶提供一個(gè)嵌入式的分析引擎,使用戶很容易構(gòu)造出所需要的仿真系統(tǒng)。當(dāng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建完畢后,只要調(diào)出有關(guān)圖符塊并設(shè)置好參數(shù),完成圖符塊間的連線后運(yùn)行仿真操作,該仿真軟件會(huì)以時(shí)域波形、眼圖、功率譜、星座圖和各類(lèi)曲線等多種形式直觀給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果,其操作和分析過(guò)程簡(jiǎn)單明了,易學(xué)易懂。
下面以《通信原理》課程中的二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)信號(hào)調(diào)制、傳輸和解調(diào)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例,介紹Systemview虛擬仿真軟件在《通信原理》課程中的應(yīng)用。
2.1 二進(jìn)制頻移鍵控(2FSK)
2FSK是數(shù)字信息傳輸中使用較早、應(yīng)用較廣的一種調(diào)制方式,它的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易,相對(duì)于幅移鍵控抗噪聲與抗衰落的性能較好,在中低速數(shù)據(jù)傳輸和衰落信道中得到廣泛應(yīng)用。
2FSK的通信系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。2FSK信號(hào)的產(chǎn)生是首先通過(guò)兩路相位相反的二進(jìn)制數(shù)字序列分別調(diào)制不同頻率的載波,產(chǎn)生兩路不同的2ASK信號(hào)疊加而成,該信號(hào)送入加載了高斯噪聲的信道進(jìn)行傳輸。在接收端,將接收到的2FSK信號(hào)送入帶通濾波器進(jìn)行濾波,保留其中一路的2ASK信號(hào),通過(guò)相干解調(diào)的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、抽樣判決,最后將數(shù)據(jù)還原為二進(jìn)制數(shù)字序列。
2.2 2FSK通信系統(tǒng)在systemview的實(shí)現(xiàn)
2FSK通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型如圖2所示,可分為信號(hào)調(diào)制部分、信號(hào)傳輸部分和信號(hào)解調(diào)部分,系統(tǒng)用到的通信模塊主要包含二進(jìn)制PN序列產(chǎn)生器、余弦載波信號(hào)源、反相器、比較器、乘法器、加法器、高斯噪聲信號(hào)源、帶通濾波器、低通濾波器、抽樣器、保持器等通信模塊。
圖1 2FSK通信系統(tǒng)原理框圖
2FSK的數(shù)字基帶信號(hào)是由二進(jìn)制PN偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)字序列1,該序列送入反相器后生成一個(gè)相位相差180度的二進(jìn)制數(shù)字序列2。兩路相位相反的二進(jìn)制數(shù)字序列經(jīng)比較器后完成電平轉(zhuǎn)化,再分別與兩路頻率不同的余弦載波信號(hào)相乘,產(chǎn)生兩路不同的2ASK信號(hào)并送入加法器,經(jīng)疊加后構(gòu)成2FSK信號(hào),送入已經(jīng)加載了高斯噪聲的信道進(jìn)行傳輸。接收端首先對(duì)接收到的2FSK信號(hào)進(jìn)行帶通濾波,輸出與輸入端同頻同相的余弦載波信號(hào)做相干解調(diào)操作,經(jīng)低通濾波后保留低頻分量并進(jìn)行抽樣判決,即可得到與輸入的隨機(jī)二進(jìn)制序列相同的序列,完成2FSK信號(hào)的調(diào)制、傳輸與解調(diào)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2.3 2FSK仿真結(jié)果
(1)二進(jìn)制數(shù)字序列由PN偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生,波形如圖3所示。
(2)兩路2ASK信號(hào)經(jīng)過(guò)疊加后產(chǎn)生2FSK信號(hào),波形如圖4所示。
圖2 2FSK通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型
(3)將帶通濾波后的輸出信號(hào)與輸入端同頻同相的余弦載波進(jìn)行相干解調(diào),經(jīng)低通濾波后進(jìn)行抽樣判決,可得到與發(fā)送端一致的二進(jìn)制數(shù)字序列,波形如圖5所示。
圖3 二進(jìn)制數(shù)字序列
圖4 2FSK信號(hào)波形
圖5 解調(diào)的二進(jìn)制序列
從上面波形可以看出,輸入端通過(guò)PN偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)0001001011的二進(jìn)制數(shù)字序列(圖3),該數(shù)字序列與10Hz的余弦載波進(jìn)行調(diào)制,同時(shí)該二進(jìn)制數(shù)字序列經(jīng)反相器反相后與5Hz的余弦載波進(jìn)行調(diào)制,將兩路調(diào)制信號(hào)送入加法器即可得到2FSK信號(hào)(圖4)。在接收端,對(duì)2FSK信號(hào)采取相干解調(diào)方式進(jìn)行解調(diào),可還原二進(jìn)制序列0001001011(圖5),結(jié)果與輸入端的二進(jìn)制序列一致。
本文以2FSK通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例,研究了Systemview虛擬仿真軟件在《通信原理》課程教學(xué)在中應(yīng)用。該軟件可以方便學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際需求對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì),即時(shí)調(diào)整各輸入信號(hào)的幅度、頻率、噪聲大小等參數(shù),同時(shí)對(duì)比觀察多個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出波形,從而更加深入理解通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和通信信號(hào)傳輸過(guò)程。
相比在硬件實(shí)驗(yàn)箱完成實(shí)驗(yàn)相比,使用Systemview虛擬仿真軟件具備建設(shè)成本低、仿真方便、擴(kuò)展靈活、可多個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)同時(shí)觀察、輸出簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),能幫助學(xué)生更加簡(jiǎn)便的進(jìn)行通信系統(tǒng)設(shè)計(jì),是適用于《通信原理》課程實(shí)驗(yàn)仿真的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析軟件。
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1671-0711(2016)11(上)-0089-03
2015年廣東省精品視頻公開(kāi)課立項(xiàng)項(xiàng)目。