鄭海昕 張寶玲

裝備指揮技術(shù)學(xué)院 北京 100416

SystemView在數(shù)字信號(hào)處理課程中的應(yīng)用

鄭海昕 張寶玲

裝備指揮技術(shù)學(xué)院 北京 100416

本文以數(shù)字信號(hào)處理課程為應(yīng)用背景，分析教學(xué)過(guò)程中對(duì)仿真軟件的需求，在介紹SystemView仿真軟件基本特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以“量化位數(shù)的分析”為例說(shuō)明SystemView仿真在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用的重要性和必要性。

教學(xué)；SystemView；數(shù)字信號(hào)處理

數(shù)字信號(hào)處理是隨著信息學(xué)科和計(jì)算機(jī)學(xué)科高速發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科,它把信號(hào)用數(shù)字或符號(hào)表示的序列,通過(guò)計(jì)算機(jī)或通用信號(hào)處理設(shè)備,用數(shù)字的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行處理,以達(dá)到提取有用信息便于應(yīng)用的目的,是電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。

歷年的教學(xué)經(jīng)歷向我們揭示了這樣一個(gè)事實(shí)，數(shù)字信號(hào)處理課程的知識(shí)體系嚴(yán)密完整,現(xiàn)實(shí)意義突出,但是課程內(nèi)容抽象，不便于學(xué)生理解、掌握和靈活應(yīng)用,如何使學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)掌握課程重點(diǎn)內(nèi)容、理解并拓展至實(shí)際應(yīng)用是每一位老師在教學(xué)過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。多種教學(xué)手段的使用使得教學(xué)過(guò)程更加符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。

將SystemView、Matlab以及LabWindows/CVI等軟件引入到數(shù)字信號(hào)處理課程的教學(xué)中,老師通過(guò)仿真軟件將課本上抽象的理論知識(shí)轉(zhuǎn)變成為貼近學(xué)生實(shí)際認(rèn)知水平的實(shí)際現(xiàn)象，建立了理論和實(shí)際之間的一個(gè)橋梁,有助于學(xué)生快速準(zhǔn)確地掌握知識(shí)；從另一個(gè)方面看,學(xué)生課后通過(guò)仿真軟件的使用,也可以激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣,利用仿真軟件驗(yàn)證自身的各種想法,這是對(duì)所學(xué)知識(shí)的一個(gè)內(nèi)化過(guò)程,有助于學(xué)生科研能力的培養(yǎng)。

一、SystemView簡(jiǎn)介

隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的EDA軟件出現(xiàn)在市面上，其中，SystemView是美國(guó)ELANIX公司推出的，基于Windows環(huán)境下運(yùn)行的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，用戶只需使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖標(biāo)，無(wú)需編程即可完成復(fù)雜系統(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)和測(cè)試。SystemView提供了用于系統(tǒng)建模的基本模塊，用戶根據(jù)所要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，從圖符庫(kù)中選擇合適的圖符并設(shè)置好參數(shù)，完成圖符間的連線后運(yùn)行仿真操作，系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果以時(shí)域波形、眼圖、功率譜、星座圖和各類(lèi)曲線形式出現(xiàn)。利用SystemView，可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)?；旌舷到y(tǒng)和各種多速率系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的信號(hào)級(jí)仿真功能。

二、教學(xué)實(shí)例

數(shù)字信號(hào)處理被列為許多專(zhuān)業(yè)的必修課程，但由于這門(mén)學(xué)科的抽象性，課程一直處于教學(xué)兩難的境地，主要是因?yàn)椋罕菊n程對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，公式和推導(dǎo)很多，課堂上大量的算法推導(dǎo)往往會(huì)使學(xué)生們即便是能夠接受推導(dǎo)過(guò)程,記住結(jié)論,但是忽視甚至根本沒(méi)有意識(shí)到公式中所蘊(yùn)含的物理意義是什么,在實(shí)際工程中如何去用等問(wèn)題。課程理工科教學(xué)的最終目的在于理解和應(yīng)用,只有讓抽象的理論轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于學(xué)生理解并接受和使用的形式才能真正達(dá)到教學(xué)目的。本文以數(shù)字信號(hào)處理的第一個(gè)環(huán)節(jié),魔術(shù)轉(zhuǎn)換中的量化位數(shù)的選取為例介紹SystemView在課程教學(xué)中的應(yīng)用。

1.教材中的理論基礎(chǔ)

在大多數(shù)數(shù)字信號(hào)處理教材中關(guān)于量化位數(shù)的選取問(wèn)題都有如下的說(shuō)法：無(wú)論量化器采用的是“舍入法”還是“截?cái)喾ā睂?duì)采樣值進(jìn)行量化，量化后的信號(hào)總是包含著兩部分，信號(hào)部分和由于量化所引入的量化噪聲e(t)。根據(jù)信噪比的含義，定義輸入信號(hào)與由于量化的原因引入的量化噪聲的功率之比為量化信噪比：

教學(xué)的過(guò)程要求老師尊重教材，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)超越教材。就上述論題在教學(xué)的過(guò)程中提示學(xué)生應(yīng)當(dāng)注意上述結(jié)論中存在的適用條件，上述結(jié)論的獲得是在一種假設(shè)前提下得到的，那就是ADC的輸入是一個(gè)滿量程的純正弦信號(hào)，在此條件下它恰當(dāng)?shù)孛枋龀鯝DC器件本身的性能特點(diǎn)。但是，實(shí)際系統(tǒng)中ADC的輸入信號(hào)均為具有一定信噪比的相對(duì)復(fù)雜信號(hào)，對(duì)于這樣含有噪聲的信號(hào)，尤其是極低信噪比的信號(hào)的量化分析是否能直接利用這樣的結(jié)論是非常值得探討的。于是，引導(dǎo)學(xué)生思考針對(duì)實(shí)際情況，應(yīng)當(dāng)如何分析量化位數(shù)的大小對(duì)信號(hào)的影響。經(jīng)過(guò)學(xué)生課后分組查閱資料和認(rèn)真思考，主要形成兩種分析方法：分離量化法和疊加量化法。

2.分離量化法仿真

這是一種對(duì)信號(hào)量化過(guò)程最為直觀理解：信號(hào)疊加了噪聲信號(hào)。對(duì)于該具有一定信噪比信號(hào)的量化位數(shù)的選取，依據(jù)是將信號(hào)和噪聲分開(kāi)來(lái)考慮，將量化器對(duì)輸入含有加性噪聲的量化過(guò)程分解為量化器分別對(duì)信號(hào)和噪聲的量化，重點(diǎn)考慮了量化器對(duì)有用信號(hào)的影響，所以選取的量化位數(shù)應(yīng)使得信號(hào)能夠落入最小量化電平，即信號(hào)一定能夠被量化。

為了驗(yàn)證自己的想法，學(xué)生們建立如圖1所示的仿真系統(tǒng)。其中，圖符0為有用信號(hào)，圖符1為標(biāo)準(zhǔn)方差高斯白噪聲，圖符2和3為兩個(gè)完全相同的量化器，圖符5～9為各個(gè)模塊的圖形分析工具。設(shè)置信號(hào)幅度為峰峰值1/16的20Hz正弦信號(hào)，使得信號(hào)和噪聲疊加后的信噪比為-24dB，將信號(hào)和噪聲同時(shí)顯示在一個(gè)圖形分析窗，如圖2所示。

圖1 分離量化分析法SystemView仿真模型

圖2 分離量化分析法中的弱信號(hào)和強(qiáng)噪聲

取量化器的量化位數(shù)為4bit，因此，一個(gè)量化間隔為1/24，即1/16。對(duì)于信號(hào)的量化而言，由于輸入量化器的信號(hào)幅度低于一個(gè)量化間隔，所以信號(hào)的量化結(jié)果為零，從而在量化后疊加信號(hào)頻譜中不存在信號(hào)分量，如圖3所示。

圖3 4bit分離量化分析法仿真結(jié)果

當(dāng)量化器的量化位數(shù)取為5bit，此時(shí)，一個(gè)量化間隔為1/25，即1/32。輸入量化器的信號(hào)幅度高于一個(gè)量化間隔，可以被量化上，量化后疊加信號(hào)頻譜中存在信號(hào)分量，如圖4所示。

圖4 5bit分離量化分析法仿真結(jié)果

可以想象，隨著量化位數(shù)的逐漸增大，量化后的有用信號(hào)分量越來(lái)越強(qiáng)，分離量化法的仿真結(jié)果似乎完全符合教材中所得到的結(jié)論。然而，這種分析方法存在明顯的缺陷。雖然輸入量化器的信號(hào)是一個(gè)含有加性噪聲的信號(hào)，但是量化的過(guò)程是一個(gè)非線性的過(guò)程，在輸出端不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為輸出是信號(hào)和噪聲各自量化后的總和。分離量化分析法是基于線性系統(tǒng)理論的分析方法，不能完全描述非線性系統(tǒng)的特性。

3.疊加量化法仿真

疊加量化分析法將含有加性噪聲的信號(hào)直接作為量化器的輸入，量化過(guò)程信號(hào)和噪聲的影響由量化后的混合信號(hào)中是否存在信號(hào)分量為表征，建立的仿真模型如圖5所示，其中，圖符10為有用信號(hào)，圖符11為標(biāo)準(zhǔn)方差高斯白噪聲，圖符12為量化器，圖符15～17為各個(gè)模塊的圖形分析工具。

圖5 疊加量化分析法SystemView仿真模型

同分離量化分析時(shí)輸入的信號(hào)和噪聲相同，量化器設(shè)置為4bit，疊加后信號(hào)量化輸出的功率譜如圖6所示，顯然在量化輸出頻譜中含有信號(hào)分量。

圖6 4bit疊加量化輸出功率譜

分離量化分析時(shí)認(rèn)為，由于信噪比低使得有用信號(hào)無(wú)法被量化，但是，同等條件下采用疊加量化分析卻明顯地在疊加后的信號(hào)量化結(jié)果中存在有信號(hào)。分析其中的原因在于，雖然單獨(dú)的有用信號(hào)很弱，幅度不足一個(gè)量化電平，但是經(jīng)過(guò)同強(qiáng)噪聲的疊加后，信號(hào)的幅度變化被加載在噪聲的幅度上，超出了一個(gè)量化電平，從而弱信號(hào)被量化上，這才是符合真實(shí)情況的分析法。

4.后續(xù)的討論

經(jīng)過(guò)這樣的專(zhuān)題研究，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生們的積極性，他們踴躍地發(fā)表自己對(duì)該問(wèn)題的看法，不斷嘗試著將自己的想法用仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要有如下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

(1)教材中的理論分析是以滿量程的純正弦信號(hào)作為輸入的，所得到的結(jié)論是否適用于其他形式的信號(hào)量化？

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，老師指導(dǎo)學(xué)生在疊加量化分析模型中，嘗試更換不同種類(lèi)的信號(hào)，對(duì)量化后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域兩方面的分析，自己得出相應(yīng)的結(jié)論，并與同學(xué)進(jìn)行討論。

(2)教材中的理論分析是錯(cuò)誤的嗎？

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，老師首先肯定了學(xué)生的懷疑精神，同時(shí)鼓勵(lì)他們用自己的智慧去解答這個(gè)問(wèn)題，指導(dǎo)他們?cè)谡_的模型下，通過(guò)改變疊加入信號(hào)中的噪聲功率，來(lái)觀測(cè)量化后信號(hào)的變化，自己總結(jié)結(jié)論。

(3)如果教材中的理論分析沒(méi)有錯(cuò)，什么時(shí)候可以用教材上的結(jié)論？

三、結(jié)束語(yǔ)

在理工類(lèi)的課程教學(xué)過(guò)程中借助仿真軟件的幫助,無(wú)疑可以使抽象的內(nèi)容變得生動(dòng)起來(lái),使學(xué)生能夠用眼睛感受到理論,老師可以在課堂上演示更多的典型實(shí)例,增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是我們認(rèn)為,仿真軟件在專(zhuān)業(yè)課程的應(yīng)用不應(yīng)當(dāng)是課本知識(shí)的簡(jiǎn)單復(fù)現(xiàn),而應(yīng)當(dāng)是一種有針對(duì)性的,以提高學(xué)生綜合能力為根本目的的有機(jī)融合。本文僅僅使用了SystemView中很小的一部分功能，與之相類(lèi)似的仿真軟件還有很多,例如matlab,LabWindows/CVI等,每一種軟件都具有自身的特點(diǎn),結(jié)合課程特點(diǎn)合理地、有針對(duì)性地應(yīng)用在課程教學(xué)中,一定能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)科研能力。

[1]羅衛(wèi)兵，孫樺，張捷.SystemView 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析及通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)[M].陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2001

[2]周潤(rùn)景，張斐.數(shù)字信號(hào)處理的SystemView設(shè)計(jì)與分析[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008

Abstract: Based on the digital signal processing course teaching analysis the requirement of simulation software in teaching. The feature of SystemView software is introduced conceptually. Discussion of quantization bit length as an example to show that simulation with SystemView is important and necessary.

Key words: teaching；SystemView；digital signal processing

Applications of system view software in digital signal processing teaching

Zheng Haixin, Zhang Baoling
The academy of equipment command technology，Beijing，101416，China

2009-08-12

鄭海昕,碩士,講師。張寶玲,碩士,副教授。