摘要:針對(duì)“通信原理”課程設(shè)計(jì)時(shí)間短，因?qū)嶒?yàn)設(shè)備限制導(dǎo)致題目單一，學(xué)生興趣不高的問(wèn)題，將SystemView軟件引入到課程設(shè)計(jì)中，該軟件內(nèi)置大量可選擇的庫(kù)，能仿真多種應(yīng)用系統(tǒng)，學(xué)生可方便快捷地建立各類(lèi)通信系統(tǒng)的模型，通過(guò)協(xié)作還可培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)。文中以無(wú)線局域網(wǎng)中的正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)為例，詳細(xì)介紹了用SystemView軟件搭建仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞:通信原理;教學(xué)改革;正交頻分復(fù)用;仿真實(shí)驗(yàn)

培養(yǎng)和提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力是高等教育改革的一項(xiàng)重要任務(wù)?！巴ㄐ旁怼闭n程設(shè)計(jì)是緊隨“通信原理”課程之后的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是“通信原理”課程的延伸，其目的是通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐，使學(xué)生掌握初步的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析方法，以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，來(lái)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，如系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力、查閱科技資料的能力，這些對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、理論聯(lián)系實(shí)際的實(shí)踐動(dòng)手能力以及創(chuàng)新能力起到十分重要的作用。

傳統(tǒng)的“通信原理”課程設(shè)計(jì)時(shí)間為一周且由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制題目往往很單一，基本上全班都采用一個(gè)設(shè)計(jì)題目，通常由教師指定，而學(xué)生則按照教師制定的方案，確定系統(tǒng)參數(shù)后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行性能分析，最后編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。這樣的結(jié)果是每個(gè)學(xué)生的題目都一樣，所不同的只是角度，所以這種集中式的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，常常會(huì)限制學(xué)生的創(chuàng)造性思維，不利于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，效果并不理想，甚至還存在抄襲現(xiàn)象。學(xué)生雖能按部就班地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，但是卻調(diào)動(dòng)不了學(xué)生的設(shè)計(jì)興趣，更談不上對(duì)學(xué)生的各方面能力的培養(yǎng)。因此，為提高課程設(shè)計(jì)的教學(xué)效果，將SystemView軟件引入到“通信原理”課程設(shè)計(jì)中來(lái)是解決以上問(wèn)題的良好途徑[1-2]。

1SystemView軟件及其特點(diǎn)

SystemView是 ELANIX公司推出的一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、模擬和分析的可視化軟件。它操作簡(jiǎn)單、使用方便，可提供用于系統(tǒng)建模的基本模塊，用戶(hù)只需根據(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)果便會(huì)以時(shí)域波形、眼圖、功率譜、星座圖和各類(lèi)形式呈現(xiàn)。因此在不具備先進(jìn)儀器的條件下同樣能完成復(fù)雜的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真。其主要功能如下:

(1) 能仿真大量的應(yīng)用系統(tǒng)。SystemView內(nèi)置大量可選擇的庫(kù)，能在DSP、通信和控制系統(tǒng)應(yīng)用中構(gòu)造復(fù)雜的模擬、數(shù)字、混合及多速率系統(tǒng)[3]。尤其適合無(wú)線通信(GSM、CDMA、DSSS等)、調(diào)制解調(diào)器以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

(2) 快速方便的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真。學(xué)生通過(guò)SystemView軟件，快速建立系統(tǒng)，并在對(duì)話框內(nèi)快速訪問(wèn)和調(diào)整參數(shù)，實(shí)時(shí)修改實(shí)時(shí)顯示。SystemView圖標(biāo)庫(kù)提供幾百種信號(hào)源、接收端、操作符和功能塊，能夠方便快捷地建立各類(lèi)通信系統(tǒng)模型。

(3) 先進(jìn)的信號(hào)分析和數(shù)據(jù)塊處理。SystemView提供的分析窗口是一個(gè)能夠提供系統(tǒng)波形詳細(xì)檢查的交互式可視環(huán)境[4]。分析窗口還提供了一個(gè)能對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行塊處理操作的接收計(jì)算器。

(4) 多速率系統(tǒng)和并行系統(tǒng)。SystemView允許合并多種數(shù)據(jù)采樣率輸入的系統(tǒng)。這種特性非常適合于同時(shí)具有低頻和高頻部分的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與發(fā)展，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的仿真速度，而在局部又不會(huì)降低仿真的精度。另外SystemView 專(zhuān)門(mén)提供了一個(gè)專(zhuān)用接口M-LINK，通過(guò)該接口，可以實(shí)現(xiàn)與Matlab之間數(shù)據(jù)的交換[5]。

2仿真實(shí)例

本文以實(shí)現(xiàn)無(wú)線局域網(wǎng)中的正交頻分復(fù)用 (OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) 技術(shù)為例，用SystemView進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。OFDM系統(tǒng)的基本思想是:把高速數(shù)據(jù)流分散到多個(gè)正交的子載波上傳輸 ，從而使子載波上的符號(hào)速率大幅度降低，符號(hào)持續(xù)時(shí)間大大加長(zhǎng)，因而對(duì)時(shí)延擴(kuò)展有較強(qiáng)的抵抗力，減小了符號(hào)間干擾的影響。其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

由于OFDM采用的基帶調(diào)制為離散傅立葉反變換，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)的編碼映射是在頻域進(jìn)行的，經(jīng)過(guò)IFFT變換為時(shí)域信號(hào)發(fā)送出去，在接收端通過(guò)FFT恢復(fù)出頻域信號(hào)。

2.1繪制電路圖

SystemView主要由系統(tǒng)設(shè)計(jì)窗口和系統(tǒng)分析窗口兩大部分組成。所有系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等基本操作，都是在設(shè)計(jì)窗口內(nèi)完成。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)窗口中它提供了算子圖符庫(kù)、函數(shù)圖符庫(kù)、信號(hào)源圖符庫(kù)和信號(hào)接收器圖符庫(kù)。在系統(tǒng)分析中SystemView設(shè)置了信號(hào)接收器圖符庫(kù)作為分析窗口，為時(shí)域和頻域的波形與數(shù)值分析提供了方便的途徑。

首先，利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)窗口繪制電路原理圖。繪制好的電路圖如圖2所示。

在OFDM系統(tǒng)中，符號(hào)周期、載波間距和子載波數(shù)應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件合理選擇。符號(hào)周期的大小影響載波間距以及編碼調(diào)制延遲時(shí)間。若信號(hào)星座固定，則符號(hào)周期越長(zhǎng)，抗干擾能力越強(qiáng)，但是載波數(shù)量及FFT的規(guī)模也越大。子載波的數(shù)量根據(jù)信道帶寬、數(shù)據(jù)速率以及符號(hào)周期來(lái)確定。在本例中，信號(hào)輸入使用了兩個(gè)低頻率(64Hz)的偽隨機(jī)序列(圖符0和圖符5)來(lái)表示。經(jīng)過(guò)采樣頻率為64Hz的采樣器后輸入到OFDM調(diào)制器中，在接收端用兩個(gè)延時(shí)器仿真信號(hào)在信道中的傳輸，最后經(jīng)OFDM解調(diào)器解調(diào)輸出。

2.2運(yùn)行仿真

按照以上仿真圖的參數(shù)設(shè)定好后，鼠標(biāo)點(diǎn)擊工具條上的“Run System”或者用鍵盤(pán)上的“F5”功能鍵，系統(tǒng)自動(dòng)描繪出各個(gè)“觀察窗”中的圖形。

系統(tǒng)仿真過(guò)程中人機(jī)交互能力很強(qiáng)，仿真過(guò)程可隨時(shí)暫停或終止，也可隨時(shí)修改參數(shù)，比較不同參數(shù)下的系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果。圖3是0路信號(hào)調(diào)制后的信號(hào)波形圖，圖4是1路信號(hào)經(jīng)調(diào)制后輸出的信號(hào)波形。圖5、圖6可看出信號(hào)輸入輸出有一些延時(shí)外，基本一致。限于篇幅，以上僅以調(diào)制解調(diào)為例，分析了OFDM系統(tǒng)的原理，另外還可搭建誤碼率模塊來(lái)完成誤碼率的統(tǒng)計(jì)，可以方便的得到誤碼率波形圖，觀察此時(shí)系統(tǒng)的抗干擾能力。

5結(jié)語(yǔ)

將SystemView引入到“通信原理”課程設(shè)計(jì)中來(lái)，不僅大大豐富了課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容，而且還培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)。多樣的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容使學(xué)生有了挑戰(zhàn)性的任務(wù)，學(xué)生容易產(chǎn)生興趣，效果較好，達(dá)到了教學(xué)創(chuàng)新的目的。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，大部分同學(xué)都在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成了設(shè)計(jì)，達(dá)到了綜合性設(shè)計(jì)的目的，既鞏固、訓(xùn)練了學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，又促進(jìn)了學(xué)生其他技能的提高，對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及學(xué)生適應(yīng)日后工作都大有裨益。課程設(shè)計(jì)結(jié)束后，教師可以進(jìn)行講評(píng)和總結(jié)。選出具有代表性的設(shè)計(jì)作品詳細(xì)分析，指出其優(yōu)點(diǎn)以及不足之處，使學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)中揚(yáng)長(zhǎng)避短，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生思維能力是有效的。改革后的課程設(shè)計(jì)不僅增加了學(xué)生的工作量和設(shè)計(jì)難度， 相應(yīng)地也增加了指導(dǎo)教師的工作量和教學(xué)難度。指導(dǎo)教師要做好充分準(zhǔn)備，對(duì)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的各種方案及其特點(diǎn)要有充分認(rèn)識(shí)，正確引導(dǎo)學(xué)生。另外教師本身還必須不斷學(xué)習(xí)新經(jīng)驗(yàn)、新知識(shí)，不斷充實(shí)自己，提高自身素質(zhì)。只有教師的素質(zhì)提高了，才能保證課程設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高。

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Teaching Reform and Research of the Course of Communication Principle Based on SystemView.

XUE Qin

(Department of Information Technology， Hubei University of Police， Wuhan 430034，China)

Abstract: The time assigned to the course design of \"Principle of Communication\" is short. Restriction of experimental equipment lead to monotonous topics and can’t work up the interest of student. Aimed at all the above problems， the SystemView software is introduced to the course design. A large number of libraries can be used to simulate actual system in SystemView. The students can establish the model of various communication systems easily. Through the collaboration， students could also develop the awareness of the team. The example of the use of OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) in wireless local area network is introduced. All the produces of establishing the simulation system by SystemView and the experiment results are shown in detail.

Key words: communication principle; teaching reform; orthogonal frequency division multiplexing; simulated experiment

(編輯:白杰)