陳永紅，郭莉莉，張士兵

（1.南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇南通226019；2.南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇南通226019）

SystemVue在電子信息類課程中的應(yīng)用

陳永紅1，郭莉莉1，張士兵2

（1.南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇南通226019；2.南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇南通226019）

電子信息類課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象，針對(duì)目前的教學(xué)現(xiàn)狀，將可視化較強(qiáng)的SystemVue仿真軟件引入課堂是非常必要的。通過(guò)SystemVue仿真教學(xué)，可將抽象的內(nèi)容形象化，能夠加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提高教學(xué)質(zhì)量。該軟件不需編程，而且不受硬件條件的限制，把該軟件引入各門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)學(xué)生的探索能力和創(chuàng)新能力也有極大的提高。

SystemVue；仿真；信號(hào)與系統(tǒng)；數(shù)字信號(hào)處理；通信原理

0 引言

電子信息類課程中，理論性較強(qiáng)的課程包括信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理和通信原理。這幾門課程的共同特點(diǎn)是課程內(nèi)容抽象，不便于學(xué)生理解掌握和靈活應(yīng)用，但這些內(nèi)容包含的概念、原理或技術(shù)在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。如何在有限的時(shí)間內(nèi)，讓學(xué)生掌握這幾門課程的重點(diǎn)內(nèi)容，并能夠拓展至實(shí)際應(yīng)用，是每一位老師在教學(xué)過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題。如果單純靠理論講授，學(xué)生在接受時(shí)或多或少存在一些困難。把SystemVue軟件仿真引入課堂，不但可以豐富授課內(nèi)容，更可以使抽象的內(nèi)容變得生動(dòng)、具體[1?2]。

信號(hào)與系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理課程中的實(shí)驗(yàn)部分，原采用C語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，目的是讓學(xué)生把所學(xué)的理論知識(shí)與C語(yǔ)言編程有效地結(jié)合起來(lái)，但是從結(jié)果來(lái)看，效果不是很理想，因?yàn)楹芏鄬W(xué)生在編程方面的能力較差。

對(duì)通信原理課程中的實(shí)驗(yàn)，采用通信原理實(shí)驗(yàn)箱來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，采用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的弊端有：實(shí)驗(yàn)箱各個(gè)模塊相互獨(dú)立，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置雖然全面但缺乏系統(tǒng)性；各個(gè)模塊電路固定且不易調(diào)整，開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，在開(kāi)設(shè)較為靈活的綜合性實(shí)驗(yàn)上則有一定的局限性。

為了解決以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在問(wèn)題，我?，F(xiàn)在改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用仿真軟件對(duì)每個(gè)課程的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真與分析，從具體模塊的實(shí)現(xiàn)到整體系統(tǒng)的架構(gòu)，可很好地加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握。這種方法不受實(shí)驗(yàn)硬件條件的限制，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較方便靈活，使學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及探索能力和創(chuàng)新能力均得到不同程度的提高。

1 SystemVue簡(jiǎn)介

SystemVue是一種基于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，可方便地完成各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真，快速建立與修改系統(tǒng)，查看與調(diào)整參數(shù)，系統(tǒng)中還可以加入文字注釋，方便解讀，可進(jìn)行時(shí)域

分析、頻域分析以及頻譜分析。用SystemVue對(duì)各門課程中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行仿真，可以很方便直觀地了解每個(gè)知識(shí)點(diǎn)模型中各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，更有利于學(xué)生理解相對(duì)比較抽象難懂的知識(shí)點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的探索及創(chuàng)新能力。

2 教學(xué)實(shí)例

電子信息類課程對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，公式和推導(dǎo)很多，課堂上大量的公式推導(dǎo)往往會(huì)使一部分學(xué)生失去學(xué)習(xí)的興趣。基礎(chǔ)好一點(diǎn)的學(xué)生即使能夠接受推導(dǎo)過(guò)程，記住結(jié)論，也往往會(huì)忽視公式中所蘊(yùn)含的物理意義是什么以及如何在實(shí)際工程中的應(yīng)用等問(wèn)題。而課程教學(xué)的最終目的在于理解和應(yīng)用，只有讓學(xué)生充分理解、接受抽象的理論，并應(yīng)用于實(shí)際，才能真正達(dá)到教學(xué)目的。

下面以兩個(gè)具體的例子來(lái)介紹SystemVue在各門課程課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

2.1 在信號(hào)與系統(tǒng)課程中，選擇對(duì)低通信號(hào)的采樣定理進(jìn)行仿真分析[3]

采樣定理是研究對(duì)某一帶寬的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣后，能否由抽樣后的序列無(wú)失真地恢復(fù)出原模擬信號(hào)的問(wèn)題。在SystemVue軟件中創(chuàng)建仿真模型，如圖1所示。

圖1 采樣定理仿真模型

圖1中，圖符0為被采樣的模擬信號(hào)源（Source庫(kù)Sinusoid/Periodic組Sinusoid項(xiàng)），設(shè)置為幅度1 V、頻率50 Hz的正弦波，與抽樣信號(hào)相乘。圖符1為抽樣信號(hào)，抽樣信號(hào)的頻率分別設(shè)為200 Hz和80 Hz，脈沖寬度設(shè)置為5×10-4s。圖符2為乘法器，圖符3為模擬低通濾波器（Operator庫(kù)Filters/Systems組Linear Sys Filters項(xiàng)），設(shè)置為Butterworth，Lowpass，7Poles（極點(diǎn)），截止頻率為50 Hz，用于恢復(fù)模擬信號(hào)。圖符4、圖符5和圖符6為信號(hào)接收器（Sink庫(kù)Analysis組Analysis項(xiàng)），用于觀察原始信號(hào)、采樣信號(hào)和恢復(fù)信號(hào)的波形。

（1）抽樣信號(hào)的頻率設(shè)為200 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的原始信號(hào)、采樣信號(hào)和恢復(fù)信號(hào)的波形圖及頻譜圖如圖2所示。

（2）抽樣信號(hào)的頻率設(shè)為80 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的原始信號(hào)、采樣信號(hào)和恢復(fù)信號(hào)的波形及頻譜圖如圖3所示。

圖2 抽樣信號(hào)的頻率為200 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的波形圖與頻譜圖

圖3 抽樣信號(hào)的頻率為80 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)的波形圖與頻譜圖

從圖2和圖3可以得到，當(dāng)信號(hào)在抽樣過(guò)程中滿足采樣定理時(shí)，信號(hào)可以基本無(wú)失真地恢復(fù)，否則信號(hào)將

發(fā)生畸變。通過(guò)仿真，學(xué)生可以很直觀地看到仿真結(jié)果，對(duì)采樣定理有了更深刻的理解，同時(shí)也可以很方便地觀察到信號(hào)的頻譜圖，能夠讓學(xué)生建立時(shí)域信號(hào)波形與頻譜之間的內(nèi)在聯(lián)系，掌握不同信號(hào)的頻譜及其特點(diǎn)。

其他原理同樣也可以用軟件仿真來(lái)驗(yàn)證，操作也同樣簡(jiǎn)單方便，學(xué)生可以在設(shè)計(jì)窗口根據(jù)需要選擇所需的圖符，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，組成系統(tǒng)方框圖，然后在分析窗口可以很方便地進(jìn)行時(shí)域分析和頻域分析。如改變參數(shù)，可直接看到其變化結(jié)果，操作簡(jiǎn)單，效果非常直觀，是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法比擬的。

2.2 在通信原理課程中，以2DPSK信號(hào)的差分解調(diào)為

例進(jìn)行仿真分析[4]

2DPSK信號(hào)的差分解調(diào)器方框圖如圖4所示。

圖4 2DPSK信號(hào)的差分解調(diào)原理方框圖

2DPSK信號(hào)的差分解調(diào)法的仿真模型如圖5所示，系統(tǒng)的時(shí)間設(shè)置：Fs=1 000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為2 048點(diǎn)。

圖5 2DPSK信號(hào)的差分解調(diào)法的仿真模型

圖5中，圖符0為偽隨機(jī)信號(hào)源，圖符1為異或門，與圖符2構(gòu)成差分編碼器。其他各圖符具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

得到仿真的各個(gè)波形圖以后，選擇接收計(jì)算器中Operators/Overlay，選擇6個(gè)波形圖重疊，再點(diǎn)擊Style中的Waterfall設(shè)置Y Offset為3，得到6個(gè)波形圖的依次排序圖，以在同一個(gè)坐標(biāo)圖中觀察6個(gè)波形圖。

仿真結(jié)果如圖6所示，從上至下依次為基帶信號(hào)波形（sink 12）、差分碼（sink 13）、調(diào)制信號(hào)波形（sink 14，對(duì)應(yīng)圖4中的a）、乘法器輸出波形（sink 15，對(duì)應(yīng)圖4中的c）、濾波器輸出波形（sink 16，對(duì)應(yīng)圖4中的d）和輸出的解調(diào)信號(hào)波形（sink 17，對(duì)應(yīng)圖4中的e）。

通過(guò)仿真結(jié)果可以直觀地看出輸入信息碼元、調(diào)制信號(hào)的波形以及輸出的解調(diào)信號(hào)波形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有助于學(xué)生對(duì)2DPSK的理解和掌握。

表12 DPSK信號(hào)的差分解調(diào)法的仿真模型各圖符參數(shù)

圖6 2DPSK信號(hào)的差分解調(diào)法的仿真結(jié)果波形圖

這是2DPSK的一種解調(diào)方法，另外一種相干解調(diào)法可以讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)仿真方案，設(shè)計(jì)計(jì)算各模塊所需參數(shù)，進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)實(shí)踐能力。

實(shí)踐證明，將SystemVue軟件引入通信原理的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生能夠更好地掌握通信原理的基本概念，對(duì)通信系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深，同時(shí)學(xué)生的主觀能動(dòng)性得到了很好的發(fā)揮，綜合運(yùn)用知識(shí)的能力以及創(chuàng)新意識(shí)均得到了有效的提高。

3 結(jié)論

在教學(xué)實(shí)踐中證明了利用SystemVue軟件進(jìn)行電子信息類課程的輔助教學(xué)，能夠很好地解決現(xiàn)有電子信息類課程課堂教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的局限性。在課堂教學(xué)中，通過(guò)仿真可使抽象的理論形象化，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，與硬件實(shí)驗(yàn)相比，該軟件具有顯示的直觀性與實(shí)時(shí)性，而且操作靈活。在仿真過(guò)程中，學(xué)生不僅可以隨意修改參數(shù)，比較仿真結(jié)果，而且還可自行設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合設(shè)計(jì)能力有著很好的促進(jìn)作用。

[1]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.

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[3]張培玲，仝兆景，王泰華.SystemView在信號(hào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（4）：85?86.

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Application of SystemVue in electronic information courses

CHEN Yong?hong1，GUO Li?li1，ZHANG Shi?bing2
（1.Nantong University Xinglin College，Nantong 226019，China；2.School of Electronics Information，Nantong University，Nantong 226019，China）

Since the electronic information courses are characterized by strong theoretical property and abstract content，it is necessary to introduce the strong visual SystemVue simulation software into the classroom in view of the current teaching sta?tus.The SystemVue simulation teaching can visualize the abstract contents，help the students better understand the knowledge and raise their interest，so as to improve the teaching quality.The software is not limited by hardware conditions and no program?ming is required.Its introduction into experiment teaching can greatly improved the students'abilities of innovation and exploration.

SystemVue；simulation；signals and systems；digital signal processing；communication principle

TN911?34

A

1004?373X（2015）03?0152?03

陳永紅（1981—），女，江蘇徐州人，講師，碩士。主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信技術(shù)。

郭莉莉（1986—），女，江蘇徐州人，助教，碩士。主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信技術(shù)。

2014?08?01

南通大學(xué)杏林學(xué)院教育教學(xué)研究基金（2013J216）；江蘇省高等教育教學(xué)改革課題（2013JSJG232）；江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究2013年度立項(xiàng)課題（2013?R?24812）

張士兵（1962—），男，教授，博士。主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代無(wú)線通信、超寬帶和認(rèn)知無(wú)線電等。