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(jì)、動(dòng)態(tài)分析領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用. 運(yùn)用SystemView電子仿真軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)在相應(yīng)硬件實(shí)驗(yàn)室才可以完成的實(shí)驗(yàn)，克服由于資金有限而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)條件不足的約束[1-2]. 關(guān)于運(yùn)用計(jì)算機(jī)在理論分析、實(shí)驗(yàn)仿真及開辟現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)室等方面已有研究[3-7]. SystemView具有各種圖形庫(kù)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(jì)、測(cè)試、分析及對(duì)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(jì)功能

通過使用子系統(tǒng)對(duì)象的無(wú)限制分層結(jié)構(gòu)功能便于建立復(fù)雜的信號(hào)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(jiǎn)化FIR 濾波器的執(zhí)行. 這種特性尤其適合于同時(shí)具有低頻和高頻部分的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，在保持局部仿真精度的條件下，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的仿真速度. 同時(shí)，還可降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置的要求.

2.3 SystemView多功能模塊

SystemView的圖符庫(kù)提供從DSP、通訊、信號(hào)處理、自動(dòng)控制及構(gòu)造通用數(shù)學(xué)模型. 信號(hào)源和接收端圖標(biāo)允許在SystemView內(nèi)部生成和分析信號(hào)，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(jì)

SystemView的操作圖符庫(kù)包含功能強(qiáng)大、易于使用圖形模板設(shè)計(jì)模擬和數(shù)字以及離散和連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的環(huán)境. 如FIR濾波器設(shè)計(jì)(包括：低通、帶通、高通、帶阻、Hilbert和微分)、IIR濾波器設(shè)計(jì)(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(hào)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(dòng)態(tài)探針、實(shí)時(shí)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(jì)算器.

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

3 實(shí)驗(yàn)過程的流程及基于SystemView的電路原理模塊的設(shè)計(jì)流程

實(shí)驗(yàn)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(tái)，根據(jù)原理、規(guī)律，應(yīng)用軟件提供的模塊，設(shè)計(jì)電路，并確定電路中的各模塊器件參量，運(yùn)用仿真平臺(tái)提供的虛擬儀器進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)測(cè)量[8-14]，這樣以人機(jī)交互的方式，可使每位學(xué)生親自動(dòng)手接觸電路,連接元件,依據(jù)電路設(shè)計(jì)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(jì)、創(chuàng)造能力.

圖1 實(shí)驗(yàn)過程流程圖

SystemView電路模塊設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響與作用. 這樣將連線、測(cè)試、修改、分析、仿真結(jié)果的觀察相統(tǒng)一，與理論描述相對(duì)照比較，把實(shí)驗(yàn)與理論有機(jī)相結(jié)合，加深了學(xué)生對(duì)理論的認(rèn)識(shí)及理解，提高學(xué)生邏輯思維能力.

圖2 模塊設(shè)計(jì)流程圖

4 電路設(shè)計(jì)與仿真實(shí)踐

以“數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)[15]”為例進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)仿真.

4.1 電路模型分析

數(shù)字信號(hào)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(shí)別等功能電路組成[2,10].

4.2 模型搭建及仿真

啟動(dòng)SystemView仿真平臺(tái)[14]，進(jìn)入設(shè)計(jì)窗口. 設(shè)計(jì)創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)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(kù)中選擇需要的圖符，將各圖符模塊選取到設(shè)計(jì)窗口中.

2)實(shí)驗(yàn)電路圖符的連接

將每個(gè)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(jì)窗口中連接起來(lái)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(cè)試.

設(shè)置SystemView系統(tǒng)視窗并仿真：設(shè)置“時(shí)間窗”參量：Start Time 0 s；Stop Time 0.5 s；Sample Rate 10 000 Hz. 運(yùn)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(shí)驗(yàn)手段方便地估計(jì)系統(tǒng)性能時(shí)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，抽樣判決比較后輸出的信號(hào)眼圖如圖6(a)和(b)所示. 接收端通過抽樣判決來(lái)重現(xiàn)基帶信號(hào)，當(dāng)噪聲過大、低通濾波器的帶寬較窄時(shí)，抽樣判決就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)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(duì)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(shí)觀察到信道帶寬對(duì)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(shí)，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(shí)，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(hào)眼圖譜

6 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)被研究對(duì)象的物理模型,利用仿真技術(shù)提供的虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)提高了物理實(shí)驗(yàn)的開出率，解決實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限、設(shè)備投資欠缺等現(xiàn)實(shí)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(shí)，現(xiàn)象更生動(dòng). 同時(shí)，使實(shí)驗(yàn)與理論有機(jī)地結(jié)合起來(lái)加深了學(xué)生對(duì)理論的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手、測(cè)試、分析、調(diào)試的實(shí)驗(yàn)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(jì)能力.

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