陳　軍

(定西師范高等?？茖W(xué)?！∥锢砼c電子工程系，甘肅　定西　743000)

?

·計(jì)算機(jī)科學(xué)與實(shí)驗(yàn)·

基于SystemView的通信原理課程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

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)

在通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以二進(jìn)制相移鍵控(2PSK)頻帶傳輸系統(tǒng)為例，研究了基于SystemView仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、測(cè)試結(jié)果分析及實(shí)驗(yàn)拓展的方法，形象地呈現(xiàn)了該傳輸系統(tǒng)各關(guān)鍵環(huán)節(jié)信號(hào)的時(shí)、頻域波形。實(shí)踐表明，仿真技術(shù)改變了通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式和學(xué)生的學(xué)習(xí)方法，培養(yǎng)了學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、創(chuàng)造性地運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決問(wèn)題的能力。

通信原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)踐；仿真

通信原理是通信、電子信息、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有抽象概念較多、理論性很強(qiáng)、知識(shí)鏈寬廣、緊密聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用等特點(diǎn)。通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在該課程的教學(xué)實(shí)踐中占有十分重要的地位，有助于學(xué)習(xí)者獲得豐富的感性認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生深刻地理解其基本概念、原理等，有助于培養(yǎng)學(xué)生的操作技能、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和研究方法，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和分析解決通信工程中實(shí)際問(wèn)題的應(yīng)用能力；但由于受實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、經(jīng)費(fèi)欠缺、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所有限等因素限制，部分硬件實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)展，教學(xué)效果不佳。伴隨現(xiàn)代科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。SystemView仿真平臺(tái)因交互性好、信號(hào)分析便捷、計(jì)算功能強(qiáng)，具有多種類的庫(kù)模型，便于實(shí)現(xiàn)可視的圖形化過(guò)程仿真等，在教學(xué)領(lǐng)域得到普遍關(guān)注[4-8]，特別是在信號(hào)分析、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中合理地引入SystemView，使學(xué)生獲得豐富的感性材料，加深對(duì)抽象理論知識(shí)的理解，促進(jìn)理論和實(shí)踐的緊密結(jié)合；同時(shí)解決了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)短缺、場(chǎng)所有限的困難，調(diào)動(dòng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的積極性與主動(dòng)性，有利于學(xué)生更系統(tǒng)、更全面地掌握通信原理課程的概念和原理，培養(yǎng)了學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、創(chuàng)造性地運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力。

1　通信原理課程框架

通信原理課程內(nèi)容由模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩大模塊構(gòu)成，知識(shí)框架如圖1所示。信號(hào)的傳輸過(guò)程可分為基帶傳輸過(guò)程和頻帶傳輸過(guò)程兩種形式。通信系統(tǒng)的功能及原理是借助于信號(hào)傳輸過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)頻域圖形和功率譜圖的呈現(xiàn)來(lái)表達(dá)的，說(shuō)明對(duì)應(yīng)的電路設(shè)計(jì)應(yīng)該達(dá)到與之相對(duì)應(yīng)的功能。將承載的有用信號(hào)經(jīng)過(guò)各個(gè)過(guò)程的處理最后保質(zhì)保量地傳送到信宿，是通信原理課程教學(xué)中必須讓學(xué)生掌握的內(nèi)容。

圖1　通信原理內(nèi)容知識(shí)框架

2　基于SystemView仿真實(shí)驗(yàn)的流程

圖2　仿真實(shí)驗(yàn)方法流程框圖

基于SystemView仿真實(shí)驗(yàn)的方法如圖2所示。學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)的目的和要求，通過(guò)教師的引導(dǎo)、組織、合作，自主地設(shè)計(jì)、論證實(shí)驗(yàn)方案，確定該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的原理圖形，借助于SystemView仿真虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境平臺(tái)，主動(dòng)構(gòu)建電路模型，設(shè)置實(shí)驗(yàn)電路器件參數(shù)，調(diào)試電路，完善設(shè)計(jì)方案，分析處理數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。在教師的組織下，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)的目的及要求出發(fā)，到實(shí)驗(yàn)器件的選擇，創(chuàng)設(shè)好學(xué)生探究的情境；學(xué)生自主地思考，提出解決問(wèn)題的方案，并動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路原理設(shè)計(jì)；在實(shí)際操作過(guò)程中，同學(xué)間交流合作、探索解決問(wèn)題的方法，獲得感性材料，從而達(dá)到對(duì)知識(shí)的主動(dòng)構(gòu)建。充分利用SystemView仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使學(xué)生自主地獲取該課程的知識(shí)，掌握概念、規(guī)律、原理，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生由“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變；同時(shí)使學(xué)生變“學(xué)”為“做”，改變了其學(xué)習(xí)方式、學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)手段，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體的教與學(xué)方式的根本轉(zhuǎn)變。利用SystemView動(dòng)態(tài)功能，在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中使理論知識(shí)的講解與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的展示緊密結(jié)合；給學(xué)生提供了豐富的感性材料，使其能更加容易地理解和掌握抽象的理論知識(shí)、規(guī)律，激發(fā)了學(xué)生對(duì)通信原理課程內(nèi)容的興趣，激活了學(xué)生的主體意識(shí)[9-12]，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手設(shè)計(jì)能力和解決問(wèn)題的能力及創(chuàng)新精神、研究精神，取得了良好的教學(xué)效果。

3　基于SystemView的通信原理仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1繪制原理圖

原理圖的繪制是仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中的重中之重。首先，啟動(dòng)SystemView虛擬工作平臺(tái)[13]；其次，在工作窗口的設(shè)計(jì)區(qū)域中放置所需要的模塊器件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求設(shè)置對(duì)應(yīng)的參數(shù)值；最后，合理地布局圖符模塊并進(jìn)行正確連線，繪制完成電路圖。

3.2設(shè)計(jì)SystemView 仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)例

以基于SystemView的二進(jìn)制相移鍵控頻帶傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[14-15]為例。

3.2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1)設(shè)計(jì)二進(jìn)制相移鍵控?cái)?shù)字通信的系統(tǒng)，并仿真實(shí)現(xiàn)其通信功能；

2)調(diào)試、設(shè)定各個(gè)模塊的參數(shù)(例如碼速率、濾波器的截止頻率等)值；

3)利用SystemView功能窗口正確地觀察、計(jì)算并進(jìn)行波形分析；

4)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)；

5)實(shí)驗(yàn)拓展與反思，改進(jìn)電路，提高性能。

3.2.2實(shí)驗(yàn)基本任務(wù)

在SystemView平臺(tái)資源中，選取正確的信號(hào)器件、算子圖符、函數(shù)模塊、接收器件、運(yùn)算功能塊等，設(shè)計(jì)二進(jìn)制相移鍵控頻帶傳輸?shù)膽?yīng)用系統(tǒng)。

3.2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募叭蝿?wù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，建立系統(tǒng)模型如圖3所示，根據(jù)圖3的功能，設(shè)計(jì)仿真電路的原理圖形。實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制相移鍵控條件下頻帶傳輸?shù)姆抡骐娐窇?yīng)用系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖3　數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸系統(tǒng)模型

圖4　二進(jìn)制相移鍵控頻帶傳輸系統(tǒng)仿真電路

3.2.4實(shí)驗(yàn)仿真和結(jié)果分析

在SystemView虛擬平臺(tái)中，依據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，進(jìn)行以下3個(gè)步驟。

1)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間參數(shù)，如“時(shí)間窗”參數(shù)：StopTime，255.5e-3s；TimeSpacing，500e-6s；No.ofsamples，512；SampleRate，2e+3Hz；FrequencyResolution，3.906 25Hz。

2)進(jìn)行模塊參數(shù)賦值。

3)啟動(dòng)軟件平臺(tái)，通過(guò)分析窗觀察到的仿真結(jié)果如圖5所示。調(diào)制信號(hào)和二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的頻域波形如圖6所示。

從圖5可直觀地看出在二進(jìn)制相移鍵控頻帶傳輸系統(tǒng)中，信號(hào)經(jīng)調(diào)制后通過(guò)有高斯噪聲信道傳輸、相干解調(diào)等過(guò)程后波形的變化情況。解調(diào)后的信號(hào)波形與調(diào)制信號(hào)的波形基本一致，說(shuō)明調(diào)制信號(hào)被正確地解調(diào)，但存在一定的時(shí)間延遲。

圖6為運(yùn)算接收器功能窗口實(shí)現(xiàn)計(jì)算得到的頻域波形。從圖6可觀察到，二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的調(diào)制信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)保持原狀，它僅僅是把調(diào)制信號(hào)的頻率譜在頻率軸線方向上平移了一個(gè)載波頻率的量值，頻譜高度集中在以載波頻率為中心的頻率范圍內(nèi)；二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)頻帶利用率僅為直接傳輸基帶信號(hào)的1/2，帶寬等于調(diào)制信號(hào)帶寬的2倍。

(a)調(diào)制信號(hào)波形

(b) 二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)波形

(c) 加有高斯噪聲的2PSK信號(hào)

(d) 相乘后信號(hào)波形

(e) 低通濾波后信號(hào)波形

(f) 解調(diào)后信號(hào)波形圖5　二進(jìn)制相移鍵控頻帶傳輸系統(tǒng)時(shí)域波形

(a)調(diào)制信號(hào)頻域波形

(b) 二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)頻域波形圖6　調(diào)制信號(hào)和二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)的頻域波形

借助于SystemView仿真軟件，幫助學(xué)生加深對(duì)概念、規(guī)律等理論知識(shí)的理解，促進(jìn)學(xué)生自主地建構(gòu)知識(shí)，而不再是向?qū)W生灌輸知識(shí)，強(qiáng)迫學(xué)生接受概念；從而激發(fā)了學(xué)生探索物理規(guī)律的動(dòng)機(jī)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力得以發(fā)展，取得了良好的教學(xué)效果。

3.2.5實(shí)驗(yàn)拓展與反思

學(xué)會(huì)拓展、變式延伸是創(chuàng)新的重要方法。利用仿真軟件，積極引導(dǎo)學(xué)生以具體知識(shí)為載體，通過(guò)聯(lián)想、判斷、推理和綜合分析等科學(xué)思維方法，歸納現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，找到解決問(wèn)題的思路，從而培養(yǎng)學(xué)生思維的嚴(yán)密性、邏輯性和創(chuàng)造性。

1)突出思想，關(guān)注本質(zhì)：拓展的問(wèn)題設(shè)計(jì)有典型性、層次性和綜合性，如對(duì)比轉(zhuǎn)化原題、數(shù)形結(jié)合思想，培養(yǎng)學(xué)生“透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)”的能力。教師在教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中嘗試變化命題、條件等，引導(dǎo)學(xué)生自主探究、建構(gòu)知識(shí)、理解規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力；如在上述實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)修改濾波器的頻率、邏輯比較器的比較方式、高斯噪聲的強(qiáng)度等參數(shù)，讓學(xué)生體會(huì)系統(tǒng)的功能和原理。

2)適度變式，促進(jìn)發(fā)散：變式的目的就是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物理問(wèn)題從多方面、多角度進(jìn)行延伸探究。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有目的、有步驟、由淺入深地引導(dǎo)學(xué)生從“變”的物理量及物理?xiàng)l件中，發(fā)現(xiàn)“不變”的物理規(guī)律這一本質(zhì)，從“不變”的本質(zhì)中探索其原理、規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，發(fā)展其創(chuàng)造力。

3)問(wèn)題引領(lǐng)，啟迪智慧：拓展問(wèn)題圍繞構(gòu)造二進(jìn)制相移鍵控頻帶傳輸系統(tǒng)模型展開，精心布疑，靈活設(shè)問(wèn)，激發(fā)學(xué)生的探究熱情，培養(yǎng)學(xué)生的思維品質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生掌握研究和解決問(wèn)題的多元策略，為學(xué)生的思維搭建腳手架，讓學(xué)生自主構(gòu)建知識(shí)。在問(wèn)題的引領(lǐng)下，學(xué)生細(xì)致觀察仿真結(jié)果，啟動(dòng)思維向更深層邁進(jìn)，能力得到提高。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在數(shù)字信號(hào)頻帶傳輸實(shí)驗(yàn)中采用軟件仿真與理論相結(jié)合的方法，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性與主動(dòng)性，使其能更系統(tǒng)、更深刻地掌握相關(guān)概念和原理。仿真技術(shù)使通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式和內(nèi)容發(fā)生了變革，在教學(xué)手段上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提供了豐富的感性材料，使抽象的物理規(guī)律更加形象化；對(duì)學(xué)生而言，加深了對(duì)課程內(nèi)容的理解，啟發(fā)和拓寬了思路，鍛煉了實(shí)踐動(dòng)手能力，取得了顯著的教學(xué)效果；同時(shí)也為學(xué)生繼續(xù)從事相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的工作與學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]王文婷，趙錦成，谷志鋒，等.LabVIEW在《電路分析基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2014，12(3)：49-51.

[2]陳軍.SystemView在通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].菏澤學(xué)院學(xué)報(bào)，2015(2)：101-105.

[3]王凡.計(jì)算機(jī)仿真在《通信原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2014，12(4)：68-69.

[4]鄒丹.SystemView在現(xiàn)代通信原理課程中的應(yīng)用[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24(B12)：51-53.

[5]陳軍.基于SystemView的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)與分析[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(10)：98-101.

[6] 任峻，張紅燕.運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)改革通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(3)：95-97.

[7]陳軍.基于SystemView的通信原理教學(xué)實(shí)踐[J].物理實(shí)驗(yàn)，2014，34(8)：20-24.

[8]陳軍.基于SystemView的通信原理課程仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].梧州學(xué)院學(xué)報(bào)，2014(6)：79-85.

[9]姜永玲，劉蘭芳.激活學(xué)生的主體意識(shí) 培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力[J].中國(guó)電化教育，2007(12)：97-98.

[10]陳軍.SystemView在通信原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2015(2)：207-209.

[11]陳軍.現(xiàn)代教育技術(shù)與物理教學(xué)的整合——用運(yùn)"幾何畫板"輔助、優(yōu)化物理教學(xué)過(guò)程[J].喀什師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，30(3)：88-91.

[12]陳軍，于成，魏小石，等.從現(xiàn)代教育技術(shù)角度審視MCAI與高中物理教學(xué)的整合[J].甘肅高師學(xué)報(bào)，2010，15(2)：84-87.

[13]孫屹，戴妍峰.SystemView通信仿真開發(fā)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004：100-120.

[14]高西全，丁玉美.數(shù)字信號(hào)處理[M].3版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009：130-136.

[15]樊昌信．通信原理[M].5 版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003：151-160．

Simulation Experiment Teaching of the Principle of Communication Course Based on SystemView

CHEN Jun

(DepartmentofPhysicsandElectronicEngineering，DingxiTeachers’College，Dingxi743000，China)

DuringtheexperimentinstructionofthePrincipleofCommunicationcourse，thispapertakestheprocessoffrequency-bandtransmissionsystemofthebinaryphaseshiftkeying(2PSK)astheteachingcase，andinvestigatesthemethodofsimulatingexperimentofPrincipleofCommunicationcourseforexperimentdesign，testinganddevelopmentbasisonSystemViewsoftware.Itcanvividlypresentthewaveoftime-domainandfrequency-domainofvariouskeylinkssignalofthissystem.TheresultofpracticeshowsthatthesimulationtechnologycanreformtheformofPrincipleofCommunicationcourseexperimentinstructionandstudents’learningmethods.Itcancultivatethestudentstotaketheinitiativetoacquireknowledge，tofindanduselearnedknowledgeabilitytocreativelyanalyzeproblemsandsolvepracticeproblems.

principleofcommunication；experimentalinstruction；practice；simulation

2014-12-10；修改日期: 2016-01-04

陳軍(1969-)，男，博士，教授，主要從事移動(dòng)通信與無(wú)線通信技術(shù)的研究。

TP391.9；G642.423

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.017