基于SystemView的通信原理課程設(shè)計的改革與探索

胡 之 惠

(上海電機學(xué)院 電子信息學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

通信原理是電子、通信類專業(yè)的核心課程，在專業(yè)課程體系設(shè)置中起到承上啟下的作用，但其對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，原理概念較為抽象，容易使學(xué)生無法透徹理解其理論知識及應(yīng)用方向。通信原理課程設(shè)計是通信原理的后續(xù)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，理論課程的有效延伸，是讓學(xué)生透徹理解復(fù)雜的通信理論,并學(xué)以致用的有效手段之一[1-2]。它有助于學(xué)生綜合運用所學(xué)知識，初步掌握通信的系統(tǒng)設(shè)計和分析方法，進而將理論和實踐、原理和應(yīng)用緊密結(jié)合，更好地梳理和掌握通信原理的知識體系結(jié)構(gòu)；并逐步鍛煉學(xué)生的系統(tǒng)思維，動手能力和創(chuàng)新能力。

傳統(tǒng)的通信原理課程設(shè)計以連接硬件電路為基本方法，采用分立元件或固定模塊的硬件實驗箱來實現(xiàn)電路設(shè)計[3-6]。這類方法教學(xué)成本較高，損耗較大，實驗精度不高，內(nèi)容覆蓋范圍較小、更新相對困難，在實驗建設(shè)經(jīng)費投入有限，專業(yè)科目不斷增多，課時不斷壓縮的教學(xué)現(xiàn)狀下，難以有效實現(xiàn)對學(xué)生綜合實踐能力的培養(yǎng)。本文將SystemView列入到通信原理課程設(shè)計中,根據(jù)不同的課題要求,開展便捷的模塊化設(shè)計,豐富了課程設(shè)計的內(nèi)容,又突出了系統(tǒng)設(shè)計思維。

1 通信原理課程設(shè)計中應(yīng)用SystemView的必要性

SystemView動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，是一款流行的、優(yōu)秀的電子設(shè)計自動化(EDA)軟件。它能提供各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)/?；旌?、多速率系統(tǒng)，方便地進行各種濾波器的設(shè)計和數(shù)據(jù)信號的分析處理，實現(xiàn)各種線性、非線性系統(tǒng)的設(shè)計和仿真[7]。SystemView在界面友好、功能齊全的Windows操作平臺上，給用戶提供了一個嵌入式的模塊化分析引擎，通過直觀、方便、形象的過程構(gòu)建系統(tǒng)，產(chǎn)生豐富的部件資源。其強大的分析功能和可視化開放設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)，逐漸受到電子通信工程師的青睞，成為各種電子、通信及其他系統(tǒng)的設(shè)計、分析和仿真平臺[8-9]。

如何讓學(xué)生對通信系統(tǒng)的傳輸過程展開研究，并將各部分內(nèi)容融會貫通，形成系統(tǒng)概念，是通信原理課程設(shè)計的主要教學(xué)目標。SystemView仿真軟件通過提供一個開發(fā)、仿真和分析的系統(tǒng)級設(shè)計環(huán)境，有利于學(xué)生盡早從系統(tǒng)角度思考、分析、解決問題，從而更好地理解和掌握課程中的基本概念、原理、分析方法，并應(yīng)用于實踐[10-12]。

2 基于SystemView的通信原理課程設(shè)計方法與步驟

2.1 課程設(shè)計方法

通信原理課程設(shè)計主要注重系統(tǒng)原理的設(shè)計，這一點基于SystemView提供的開放友好的用戶界面，比較容易實現(xiàn)。學(xué)生先根據(jù)所選課題的系統(tǒng)功能要求，充分理解相關(guān)理論知識后，構(gòu)建系統(tǒng)總框架；然后使用SystemView所提供的基本庫，采用“搭積木”的方式，完成系統(tǒng)模型的模塊化搭建，并根據(jù)課題要求研究、分析、細化各模塊的參數(shù)設(shè)置；接著借助SystemView所提供的示波器、頻譜儀等分析儀器，測試分析各模塊輸入輸出信號(波形)，不斷調(diào)整完善系統(tǒng)性能。整個設(shè)計過程直觀便捷，無須學(xué)習復(fù)雜的計算機程序編制；設(shè)計結(jié)果實時動態(tài)呈現(xiàn)，便于系統(tǒng)參數(shù)的及時修改，系統(tǒng)方案的比較、選擇、優(yōu)化。

2.2 課程設(shè)計步驟

以DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的仿真設(shè)計為例，說明SystemView在通信原理課程設(shè)計中的應(yīng)用方法、實施步驟和直觀效果。

(1) 原理分析。DSB調(diào)制屬于線性調(diào)制,理想情況下的DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框圖如圖1所示[13-15]。由調(diào)制信號m(t)和載波cosω0t直接相乘實現(xiàn)調(diào)制，已調(diào)信號:

sDSB(t)=m(t)·cosω0t

(1)

采用相干法解調(diào)，先由已調(diào)信號與同頻同相的本地載波相乘:

sDSB(t)·cosω0t=m(t)·cos2ω0t=

(2)

再經(jīng)過低通濾波器LPF，濾除高頻成分，得

(3)

圖1 理想DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框圖

一般地，DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)在信道中不可避免會引入噪聲，對比理想情況，系統(tǒng)將增加噪聲n(t)和帶通濾波器BPF部分，對應(yīng)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 含噪DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框圖

(2) 系統(tǒng)模型設(shè)計。根據(jù)DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的原理分析，搭建系統(tǒng)仿真模型，理想情況下的DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真模型如圖3所示，主要由信號源、乘法器、濾波器、接收器等基本庫構(gòu)成。含噪情況下的DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真模型如圖4所示，主要由信號源、噪聲源、乘法器、加法器、濾波器、接收器等基本庫構(gòu)成。

圖3 理想DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真模型

圖4 含噪DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真模型

其中，設(shè)調(diào)制信號振幅1 V，頻率100 Hz的正弦波；設(shè)載波振幅1 V，頻率10 kHz的正弦波；設(shè)噪聲標準偏差Std Deviation=0.3 V，均值Mean=0 V的高斯噪聲。

(3) 系統(tǒng)性能測試。根據(jù)DSB調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的各類信號源的參數(shù)設(shè)置，進行系統(tǒng)相關(guān)仿真參數(shù)的設(shè)置，具體為采樣頻率100 kHz，采樣點數(shù)1 M個，頻率分辨率0.977 Hz，系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)1次等。基于SystemView的交互式可視環(huán)境，在系統(tǒng)的各關(guān)鍵點設(shè)置分析窗口，真實而靈活地檢查系統(tǒng)波形，實時監(jiān)測系統(tǒng)運行情況。

圖5～8分別為在理想情況下的調(diào)制信號、DSB信號、解調(diào)信號、DSB信號的頻譜。對比發(fā)現(xiàn)，DSB信號很好完成了幅度調(diào)制，頻譜分布圖中上邊帶和下邊帶清晰可見；解調(diào)信號相比調(diào)制信號除了有一些時間上的延遲，其他基本一致。圖9～12分別為在含噪情況下的調(diào)制信號、DSB信號、解調(diào)信號、DSB信號的頻譜。對比發(fā)現(xiàn)，噪聲對DSB信號包絡(luò)產(chǎn)生了一些影響，頻譜分布圖中除了上下兩個邊帶外，還有很多小的頻率分量；解調(diào)信號相比調(diào)制信號除了有一些時間上的延遲外，幅度上也產(chǎn)生了一些變化。

圖5 調(diào)制信號(理想情況)

圖6 DSB信號(理想情況)

圖7 解調(diào)信號(理想情況)

圖8 DSB信號的頻譜(理想情況)

圖9 調(diào)制信號(含噪情況)

圖10 DSB信號(含噪情況)

圖11 解調(diào)信號(含噪情況)

圖12 DSB信號的頻譜(含噪情況)

若改變調(diào)制信號、載波、噪聲的各種參數(shù)，相應(yīng)的已調(diào)信號、解調(diào)信號、頻譜都會發(fā)生實時改變，限于篇幅，不再一一舉例。

3 結(jié) 語

借助軟件強大的可視化功能，學(xué)生能直觀體會系統(tǒng)工作流程，各類信號的時頻域波形，噪聲對系統(tǒng)的影響等?；赟ystemView軟件，動態(tài)調(diào)整各類參數(shù)，實時分析仿真結(jié)果，不斷優(yōu)化系統(tǒng)功能的設(shè)計流程，有效地提高了課程設(shè)計的效率，較好地發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，促進其對通信系統(tǒng)原理的整體理解和掌握?？上驳氖?，通信原理理論課程的平均成績較之以往有了明顯的提升，進一步為后續(xù)課程和通信相關(guān)的實際工作夯實了基礎(chǔ)。同時，在應(yīng)用SystemView進行不同的系統(tǒng)設(shè)計時，如何更好地引導(dǎo)學(xué)生不斷提高將理論公式轉(zhuǎn)換為具體電路，并合理設(shè)置采樣頻率等能力，是下一步的研究重點。