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)

SystemView在通信原理課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

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)

描述了SystemView軟件在模擬信號(hào)頻帶傳輸系統(tǒng)中進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)仿真的模式和實(shí)現(xiàn)方法,并運(yùn)用該軟件對(duì)模擬頻帶傳輸系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了研究。實(shí)踐表明:將SystemView軟件運(yùn)用于通信原理課程教學(xué),可以很好地反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工作情況,具有較強(qiáng)的演示、交互、可視和實(shí)用性,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力和研究能力有重要作用。

SystemView;通信系統(tǒng);模擬頻帶傳輸;課程教學(xué)

通信原理是通信、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,其中很多基本概念、重要原理貫穿于通信專業(yè)的多門課程之中。然而,對(duì)于初學(xué)者而言,調(diào)制、解調(diào)、抽樣、量化、復(fù)用等概念、原理及大量的系統(tǒng)模型等內(nèi)容過(guò)于抽象,傳統(tǒng)的教學(xué)方法使學(xué)生不易理解和掌握這些概念、原理及模型。將基于模塊化、多功能、交互式視窗環(huán)境的通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、仿真分析軟件SystemView應(yīng)用于通信原理的教學(xué)中[1-2],對(duì)通信原理進(jìn)行模擬仿真演示,能夠使抽象的概念、原理、模型形象化,從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和設(shè)計(jì)思想,產(chǎn)生較好的教學(xué)效果[3-7],并能夠解決經(jīng)費(fèi)不足、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所受限帶來(lái)的問(wèn)題。

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[8-13],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。

1 SytemView在通信原理課程教學(xué)中仿真模式

第一步,確立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)通信原理教學(xué)要求,確定系統(tǒng)總體的功能,將各部分功能模塊化,然后找出各部分之間的關(guān)系,確定并繪制系統(tǒng)框圖。

第二步,選取相應(yīng)的圖符,搭建通信仿真系統(tǒng)。在信號(hào)源圖符庫(kù)、算子圖符庫(kù)、函數(shù)圖符庫(kù)和信號(hào)接受器圖符庫(kù)中選擇滿足需要的功能模塊,按設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖在設(shè)計(jì)窗口中組建仿真系統(tǒng)。

第三步,依據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求,調(diào)整模塊、設(shè)置模塊和系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)。

第四步,運(yùn)行仿真系統(tǒng),借助于實(shí)時(shí)顯示窗口、分析窗口、動(dòng)態(tài)探針、接收計(jì)算器,觀察、運(yùn)算、分析結(jié)果。

通過(guò)這種仿真模式,在教學(xué)實(shí)踐中啟發(fā)學(xué)生確定各圖符模塊參數(shù),利用SytemView提供的分析窗及計(jì)算功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量、分析,使每個(gè)學(xué)生都能動(dòng)手對(duì)電路進(jìn)行實(shí)際操作,如設(shè)定、調(diào)整、修改元器件參數(shù),測(cè)試并分析元器件參數(shù)對(duì)電路功能的影響,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,讓學(xué)生將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與通信原理理論進(jìn)行對(duì)比。這樣,把實(shí)驗(yàn)?zāi)M與理論有機(jī)地結(jié)合起來(lái),加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,使學(xué)生既掌握了課程內(nèi)容,又培養(yǎng)了科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神和綜合設(shè)計(jì)能力。

2 基于SytemView的通信原理仿真系統(tǒng)

以“模擬頻帶傳輸”課程內(nèi)容為例,進(jìn)行系統(tǒng)框圖確定及仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[14-15]。在模擬頻帶傳輸系統(tǒng)中,信號(hào)以連續(xù)變化的電磁波在媒體中傳輸。它是將模擬信號(hào)經(jīng)高頻載波調(diào)制后在信道中進(jìn)行傳輸,然后通過(guò)解調(diào)接收的基本原理來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)囊环N方式。模擬通信一般包括幅度調(diào)制(包含AM、DSB、SSB和VSB)、角度調(diào)制、頻率調(diào)制。數(shù)字調(diào)制也是從模擬調(diào)制演變而來(lái)的,因此,模擬通信是數(shù)字通信的基礎(chǔ),模擬通信系統(tǒng)是通信原理教學(xué)的重點(diǎn)。

2.1 模擬頻帶傳輸系統(tǒng)模型

模擬頻帶傳輸系統(tǒng)主要由信源、發(fā)送濾波器、調(diào)制器、傳輸信道、解調(diào)器和信宿等電路組成(見(jiàn)圖1)。

圖1 模擬頻帶傳輸系統(tǒng)框圖

2.2 模擬頻帶傳輸系統(tǒng)電路原理仿真模型

在通信原理課程教學(xué)中,依據(jù)具體的教學(xué)內(nèi)容,利用SystemView可視化互動(dòng)仿真平臺(tái),從平臺(tái)各功能庫(kù)中選擇圖符,構(gòu)建模擬頻帶傳輸系統(tǒng)通信仿真模型(見(jiàn)圖2),其中各圖符塊的參數(shù)設(shè)置如表1所列。

圖2 模擬頻帶傳輸仿真模型

表1 各功能模塊參數(shù)設(shè)置表

編號(hào)圖符塊屬性類型參數(shù)設(shè)置0SourceSinusoidAmp=1V;Freq=300Hz;Phase=0°1OperatorGainGain=1;GainUnits=Linear2,6MultiplierNonParametric3,7SourceSinusoidAmp=1V;Freq=2000Hz;Phase=0°4AdderNonParametric5SourceGaussNoiseStdDev=30mV;Mean=0V8OperatorLinearSysChebyshevLowpassIIR6Poles;Fc=300Hz;QuantBits=None;InitCndtn=TransientDSPModeDisa-bled

2.3 搭建模型并進(jìn)行仿真

首先,啟動(dòng)SystemView仿真平臺(tái)[13],進(jìn)入設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)窗口環(huán)境,然后按以下步驟設(shè)計(jì)、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)電路。

(1) 選取模塊。在SystemView原理圖編輯窗口中,從圖符庫(kù)中選擇需要的圖符,將其放置于設(shè)計(jì)窗口中,并設(shè)置好各模塊的參數(shù),如表1所列。

(2) 連接實(shí)驗(yàn)電路圖符。在設(shè)計(jì)窗口中,將每個(gè)圖符依據(jù)系統(tǒng)框圖依次連接起來(lái),組成如圖2所示的模擬頻帶傳輸仿真電路。

(3) 保存電路文件,以便進(jìn)行調(diào)用、調(diào)試。

(4) 仿真及分析結(jié)果。

搭建好模型后,啟動(dòng)SystemView系統(tǒng)視窗,設(shè)置“時(shí)間窗”參數(shù):Start Time為0 s;Stop Time為0.5 s;Sample Rate為10 000 Hz。然后單擊運(yùn)行按鈕即可運(yùn)行仿真模型。運(yùn)算結(jié)束后,按“分析窗”按鈕進(jìn)入分析窗,可進(jìn)行相應(yīng)的觀察分析。

3 仿真結(jié)果及分析

在SystemView軟件分析窗中,利用其所提供的“動(dòng)態(tài)探針功能”及“接收計(jì)算器”等,分別測(cè)出輸入信號(hào)、調(diào)制信號(hào)、解調(diào)后的信號(hào)的時(shí)域波形圖和相應(yīng)信號(hào)的功率譜圖,如圖3—圖7所示。

圖3 輸入信號(hào)波形

圖4 已調(diào)制信號(hào)波形

圖5 解調(diào)后信號(hào)波形

圖6 輸入、載波、解調(diào)后信號(hào)功率譜

圖7 已調(diào)制信號(hào)功率譜圖

從圖3和圖5可以看出相干解調(diào)后的信號(hào)與輸入信號(hào)有一定時(shí)延,但經(jīng)解調(diào)的信號(hào)波形與原輸入的信號(hào)波形基本相同。圖6中顯示了輸入、載波、解調(diào)后信號(hào)功率譜,可看出輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)在能量上有衰減。對(duì)比圖6和圖7,可以直接觀察到模擬頻帶傳輸系統(tǒng)的已調(diào)信號(hào)功率譜由上邊帶和下邊帶兩部分組成,無(wú)載頻分量,頻帶寬度是基帶信號(hào)帶寬的2倍,調(diào)制效率為100%,即全部功率用于信息的傳輸。由于含有兩個(gè)完全相同的邊帶,占用的頻帶較寬。

從仿真波形圖中能很直觀地觀察到信號(hào)經(jīng)輸入、調(diào)制、解調(diào)等各功能模塊的動(dòng)態(tài)變化情況,使學(xué)生容易理解調(diào)制信號(hào)頻譜的上邊帶、下邊帶及輸出波形與原輸入信號(hào)的時(shí)延等物理現(xiàn)象,加深學(xué)生對(duì)通信原理理論知識(shí)的理解和對(duì)概念、規(guī)律的掌握,激發(fā)了學(xué)生的探索熱情。學(xué)生利用仿真平臺(tái)實(shí)驗(yàn)、觀察、分析,發(fā)生從不知到知、從知之較少到知之較多、從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變。學(xué)生在“做”中學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí),知識(shí)和技能同步提高,學(xué)習(xí)潛能得以挖掘,比傳統(tǒng)課程教學(xué)有了更大的收獲,取得了良好的學(xué)習(xí)效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

在課堂與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中運(yùn)用SystemView仿真軟件,能幫助學(xué)生更好地掌握通信原理課程相關(guān)的課程內(nèi)容,提高學(xué)習(xí)興趣,取得較好的教學(xué)效果。學(xué)生可以靈活地選擇實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、自由地安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間,同時(shí)豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容,大大節(jié)省實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本,彌補(bǔ)通信類課程教學(xué)的不足,也培養(yǎng)了學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力和研究能力。

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Research on application research of SystemView in Communication Principles course

Chen Jun

(Department of Physics and Electronic Engineering,Dingxi Teachers’ College,Dingxi 743000,China)

The mode of visual dynamic simulation and realization method in the analog signal frequency band transmission system based on SystemView software are described. The software to study teaching practice of analogy frequency band transmission system is used. The practice shows that the dynamic status condition of the communication system can be well reflected,by using SystemView software to Communication Principle course teaching. It has better demonstration,interactivation,visualization and practice. It is important for cultivating their comprehensive design,innovation and research abilities.

SystemView; communication system;analog frequency band transmission; course teaching

2014- 05- 30

甘肅省高等學(xué)校省級(jí)特色專業(yè)建設(shè)(甘教育[2012]32);全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專項(xiàng)資金(2007B42)資助課題

陳軍(1969—),男,甘肅通渭,博士,副教授,研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信與無(wú)線通信技術(shù).

E-mail：chenjun5582@163.com

TP391.9

A

1002-4956(2015)1- 0153- 03