胡美嬌

(福建商學院 信息管理工程系，福建 福州 350012)

?

SystemView在“通信技術(shù)基礎”教學中的應用

胡美嬌

(福建商學院 信息管理工程系，福建 福州 350012)

在SystemView軟件環(huán)境中對模擬信號的幅度調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)進行動態(tài)仿真和分析。通過改變參數(shù)增益A的大小、觀察和分析已調(diào)信號的波形與功率譜的變化情況，說明模擬幅度調(diào)制系統(tǒng)的工作原理以及幾種調(diào)幅的區(qū)別。針對相同實例，比較和總結(jié)不同教學形式的教學效果，結(jié)果表明將這種可視化動態(tài)仿真軟件作為通信技術(shù)基礎課程的教學輔助手段，可以較大程度地提高課程教學效果。

通信技術(shù)；SystemView；幅度調(diào)制；教學反思

《通信技術(shù)基礎》是高職高專院校通信技術(shù)相關(guān)專業(yè)的核心專業(yè)基礎課，前導課程為通信電子技術(shù)基礎、通信概論，后續(xù)課程為GSM移動通信技術(shù)、IP網(wǎng)絡通信技術(shù)等，它在課程體系中起到承前啟后的作用。該課程具有理論性強、系統(tǒng)性強、抽象概念多、數(shù)學分析多等特點，學生學習起來相對困難。為了讓學生能夠更好地掌握該門專業(yè)基礎課，切實地實施應用型人才培養(yǎng)方案，該課程加入適量的實踐內(nèi)容以輔助教學。但傳統(tǒng)的通信實驗設備存在較多問題：1.采用電子元器件及技術(shù)較為落后，對基礎教育不利，無法培養(yǎng)與時俱進的學生以適應日新月異的技術(shù)革新潮流，使得教學跟不上通信技術(shù)的發(fā)展；2.實驗的系統(tǒng)性、綜合性、靈活性較差，難以切實提高學生自主分析、解決問題的能力，不利于學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)；3.由于設備數(shù)量有限，不得不采取分組實驗，實驗過程中很難保證每位學生真正參與其中；4.由于學生操作不當，常會引起硬件設備和元器件的損壞，大大提高實驗成本，造成資源浪費。因此，采用一種性價比較高、靈活性較大的通信仿真技術(shù)作為教學輔助，顯得尤為必要[1-4]。

一、SystemView與其他實驗手段的比較

目前，可用于通信技術(shù)基礎實驗的仿真軟件主要包括三種：LabVIEW、MATLAB和SystemView。

(一) LabVIEW

LabVIEW是美國國家儀器NI公司研發(fā)的虛擬儀器開發(fā)平臺軟件，使用圖形化編輯語言G編寫程序，能夠?qū)⒎爆崗碗s的語言編程簡化成為以菜單提示方式選擇功能，易學易用。該軟件提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬用表)類似的控件，可方便地創(chuàng)建用戶界面。然而，它并不是非常適用于通信領域的仿真軟件。雖然能提供較直觀的演示效果，但是基本安裝的LabVIEW中可利用的通信仿真的工具不多。只有另外安裝信號處理與分析工具，才能獲得一些有助于通信系統(tǒng)建模仿真的控件工具[5-6]。

(二)MATLAB

MATLAB是一款專門用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、工程計算以及系統(tǒng)仿真的數(shù)學軟件。使用該軟件進行通信實驗仿真時，需要預先將通信系統(tǒng)抽象為某個合適的數(shù)學模型，再進行通信仿真程序編寫。缺少通信系統(tǒng)框圖形式的圖形顯示和動態(tài)的仿真演示，使其直觀性不甚理想。由于增加代碼編寫任務，提高學習難度，從而影響學生專業(yè)課程的學習熱情[7-8]。MATLAB中Simulink的通信部分，幾乎把常用的調(diào)制技術(shù)都封裝成具體的模塊，這對于開發(fā)人員來說很實用。對于學生來說，相當于一個黑匣子，實驗模型不夠形象具體，實驗原理不夠清晰明白，不能較好地輔助學習[9]。

(三)SystemView

SystemView是一個可視化的信號級的系統(tǒng)仿真分析軟件，使用圖符(Token)描述系統(tǒng)，無需編寫程序代碼即可完成各種系統(tǒng)的設計與仿真，能夠快速建立和修改系統(tǒng)、訪問與調(diào)整參數(shù)，方便加入注釋。

SystemView具有豐富的器件庫資源，常規(guī)器件幾乎全有，非常規(guī)器件可以用系統(tǒng)提供的MetaSystem功能，將若干個常規(guī)器件組建成一個子系統(tǒng)。因此，特別適合于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設計、仿真和方案論證，尤其適合于無線電話、調(diào)制解調(diào)器、衛(wèi)星通訊等通信系統(tǒng)。該軟件能自動執(zhí)行系統(tǒng)連接檢查，給出連接錯誤或懸空端的信息，提示用戶連接出錯，并指出出錯的圖標。這個自動檢錯功能對學生進行用戶系統(tǒng)的診斷十分有效[10]。

在系統(tǒng)設計和仿真分析方面，SystemView還提供了一個真實而靈活的分析窗口用以檢查、分析系統(tǒng)波形。另外，分析窗中還帶有一個功能強大的“接收計算器”，可以完成對仿真運行結(jié)果的各種運算、譜分析、濾波。

在SystemView軟件中建立的通信系統(tǒng)與實際的硬件系統(tǒng)具有良好的對應關(guān)系，所以對系統(tǒng)使用者認識和把握硬件系統(tǒng)具有很好的幫助作用。制作一個真正的硬件系統(tǒng)，需要消耗高昂的時間成本、元器件成本、儀器設備成本和實驗場地成本，SystemView大大節(jié)約了這些成本，充分體現(xiàn)出它的價值。

二、SystemView實驗仿真步驟

1.確立系統(tǒng)的數(shù)學模型。根據(jù)系統(tǒng)的工作原理，確定系統(tǒng)的總體功能，將系統(tǒng)的各部分功能模塊化，找出各個模塊之間的關(guān)系，設計并繪制系統(tǒng)框圖。

2.選取圖符搭建仿真系統(tǒng)。在基本庫和專業(yè)庫中選擇合適的圖符模塊，按設計的系統(tǒng)框圖，在設計窗口中組建仿真系統(tǒng)。

3.設置仿真系統(tǒng)參數(shù)。依據(jù)系統(tǒng)性能指標要求，設置和調(diào)整系統(tǒng)時間參數(shù)及功能模塊運行參數(shù)。

4.運行仿真系統(tǒng)。借助于實時顯示窗口、分析窗口、動態(tài)探針、接收計算器，觀察分析結(jié)果。

啟發(fā)學生根據(jù)以上步驟，設計并搭建仿真系統(tǒng)，利用SystemView提供的分析窗及計算功能進行動態(tài)測量、分析，使每個學生都能動手設置和調(diào)整元器件參數(shù)，測試并分析元器件參數(shù)對電路功能的影響，觀察實驗現(xiàn)象。讓學生將實驗結(jié)果與理論結(jié)果進行對比。這樣，把實驗模擬與理論有機地結(jié)合起來，加深了學生對理論知識的理解，使學生既掌握了課程內(nèi)容，又培養(yǎng)了科學態(tài)度、創(chuàng)新精神和綜合設計能力[11]。

三、基于SystemView的通信系統(tǒng)仿真實例

模擬通信是數(shù)字通信的基礎，模擬通信系統(tǒng)是通信技術(shù)基礎的教學重點。模擬通信一般包括幅度調(diào)制(包括AM、DSB、SSB、VSB)和角度調(diào)制(包括FM和PM)。

(一)模擬通信系統(tǒng)模型

模擬通信系統(tǒng)主要由信息源、調(diào)制器、信道、解調(diào)器和受信者組成，由于在信道傳輸過程中會引入噪聲，所以在模型中加入噪聲源。調(diào)制過程中需要高頻載波，解調(diào)過程需要與調(diào)制過程同頻同相的載波，如圖1所示。

(二)仿真模型的搭建與運行

以模擬通信系統(tǒng)中的AM調(diào)制解調(diào)電路的設計、仿真與分析為例，進行演示介紹，從系統(tǒng)的角度加深學生對相應知識點的理解，并建立起系統(tǒng)的架構(gòu)。

圖1 模擬通信系統(tǒng)模型

Fig.1 Analog communication system model

AM(Amplitude Modulation)又稱為常規(guī)雙邊帶調(diào)制，AM中的調(diào)制信號必須包含一定的直流分量。根據(jù)基帶信號和疊加直流信號大小關(guān)系不同，又可分為：正常調(diào)幅、滿調(diào)幅和過調(diào)幅。將通過改變增益參數(shù)的大小，來介紹這幾種調(diào)幅的區(qū)別，讓學生真正理解這個知識點。

按照前面介紹的實驗仿真步驟，在SystemView的設計窗口中搭建AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。

圖2 AM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真模型

Fig.2 Simulation model of AM modulation and demodulation system

搭建好模型后，運行仿真參數(shù)設置：調(diào)制信號振幅為1V，頻率為50Hz，載波的頻率為1000Hz，噪聲源采用標準差為0.1V的高斯噪聲，增益A取值依次為2、1、0.5、0，低通接收濾波器LPF設計為3個極點的Butterworth濾波器，截止頻率為50Hz。

啟動SystemView系統(tǒng)視窗，設置“時間窗”參數(shù)：運行時間為0.05s；采樣速率為20000Hz。

檢查仿真電路組成參數(shù)設計無誤后，改變增益A的取值，單擊運行按鈕，運行仿真模型。運算結(jié)束后，點擊“分析窗”按鈕進入分析窗口，對各個模塊的輸出信號波形和功率譜及進行相應的觀察分析。接收器8、9、10、11分別顯示的是載波信號、調(diào)制信號、已調(diào)信號、解調(diào)信號。

(三)運行結(jié)果的分析與比較

實驗采用的是單一正弦信號m(t)=cosΩt作為調(diào)制波，AM信號的表達式可以寫作：S1=[A+m(t)]cosωct，公式推導過程如圖2所示(推導過程忽略噪聲的影響)。

將m(t)代入上式可得：

S1=[A+cosΩt]cosωct=Acosωct+1/2[cos(ωc+Ω)t+cos(ωc-Ω)t] =Acos2πfct+1/2[cos2π(fc+fm)t+cos2π(fc-fm)t]

其中，ωc=2πfc，Ω=2πfm。載波頻率fc=1000Hz，調(diào)制信號頻率fm=50Hz，可得fc+fm=1050Hz，fc+fm=950Hz。

將上述幾個頻率代入S1，可得：

S1=Acos2π(1000t)+1/2[cos2π(1050t)+cos2π(950t)]

運行仿真信號傳輸過程，觀察調(diào)制信號和已調(diào)信號的波形和功率譜的變化，使學生更深刻地理解模擬幅度調(diào)制系統(tǒng)的工作原理：將模擬信號頻譜從低頻50Hz搬移到較高頻率范圍950Hz-1050Hz，以適應信道頻率傳輸特性的過程。

本文主要介紹已調(diào)信號波形和功率譜隨增益A的變化情況，以說明正常調(diào)幅、滿調(diào)幅、過調(diào)幅的區(qū)別。

增益A取值為0時，β為無窮大，不再是常規(guī)雙邊帶調(diào)制AM，而是抑制載波雙邊帶調(diào)制DSB，已調(diào)信號波形如圖3(d)所示。

當滿足β≤1時，即正常調(diào)幅和滿調(diào)幅的包絡與調(diào)制信號成正比，可以用包絡檢波法恢復出原始的調(diào)制信號，否則會因為出現(xiàn)過調(diào)幅現(xiàn)象而產(chǎn)生包絡失真，不能用包絡檢波器解調(diào)。為了保證無失真解調(diào)，可以采用同步檢波器(也稱相干解調(diào)法)。

圖3 已調(diào)信號波形隨增益A的變化情況

Fig.3 The variation of the modulated signal waveform with the gainA

為了讓學生進一步理解以上幾種調(diào)制的區(qū)別，從功率譜的角度進行介紹。

推導公式中可知，S1中包含載波、上邊帶、下邊帶三項，頻率分別為1000Hz、1050Hz、950Hz。其中，1000Hz的載波信號分量不攜帶信息，但會占用一定的發(fā)送信號功率，因此AM的調(diào)制效率較低。從圖4功率譜的變化規(guī)律可以看出，隨著增益A的值減小，載波分量逐漸減小，1000Hz的譜線分量逐漸減小。DSB調(diào)制信號中A=0，不包含直流分量，因而已調(diào)信號頻譜中不包含1000Hz的載波信號分量，調(diào)制效率提高到100%，即全部功率用于信息傳輸。

通過對功率譜的變化的分析，根據(jù)功率譜中頻率為1000Hz的載波分量的大小的不同，有助于學生理解正常調(diào)幅、滿調(diào)幅、過調(diào)幅的區(qū)別。

圖4 已調(diào)信號功率譜隨增益A的變化情況

Fig.4 The variation of the modulated signal power spectrum with the gainA

(四)不同教學形式的教學效果對比

在教學的反思過程中，對學生的模擬幅度調(diào)制系統(tǒng)原理的教學效果進行調(diào)查，通過學生的反饋，得到數(shù)據(jù)如表1所示。

對于純理論教學，由于理論比較抽象、枯燥，盡管通過幻燈片展示圖片，學生興趣仍不濃厚，僅有50%的學生表示感興趣。學習較為積極的學生僅占30%左右。迫于考核壓力，約60%的學生基本達到預期效果，能夠掌握該原理。

傳統(tǒng)實驗教學過程中，具有真實的實驗環(huán)境，有可供操作的實驗設備和器材，學生的學習興趣較為濃厚，70%的學生表示感興趣。但是由于是分組實驗，有一部分學生坐享同組同學的實驗成果，較為積極的學生也只有60%。實踐操作使得理論知識較為形象，學習效果相較純理論教學有所提高，通過實驗，約75%的學生能夠掌握該原理。

SystemView仿真實驗具有形象的圖形界面、方便的實驗環(huán)境，每位學生都可以自主靈活地進行實驗，學習興趣顯著提高。80%的學生表示感興趣，能夠親自動手進行仿真實驗，設置和調(diào)整參數(shù)，觀察波形和功率譜的動態(tài)變化；70%的學生表現(xiàn)較為積極。不受實驗場地和時間限制，學生課后可以進行鞏固學習，因此學生的學習效果較為理想，約90%的學生表示能夠掌握該原理。

表1 不同教學形式的教學效果比較

從表1的比較結(jié)果可見，采用SystemView進行實踐教學，課程教學效果取得了較顯著的提高。另外，整個實驗過程只需要一臺計算機即可，無需耗材，大大節(jié)省實驗成本。在課余時間，學生也可以在自己的計算機上進行仿真實驗，不像傳統(tǒng)實驗受到實驗場地和時間限制。因此，它不失為一種性價比較高、靈活性較大的通信技術(shù)教學輔助手段。

四、結(jié)論

通信技術(shù)基礎這門課程理論內(nèi)容較為抽象，將通信實驗模型與SystemView仿真軟件結(jié)合以輔助教學，使得抽象理論形象化，有助于激發(fā)學生的學習興趣，提高學習積極性，從而提高課程教學效果。學生可以自由安排實驗時間，靈活選擇實驗場所，培養(yǎng)獨立自主獲取知識的能力。

[1]劉玉紅，楊桂芹.通信原理軟件實驗平臺設計[J].自動化與儀器儀表，2008，4(138):18-20.

[2]文化鋒，周宇.通信原理實驗教學改革與探索[J].實驗室科學，2007，(3)：27-28.

[3]夏平.通信原理實驗教學體系構(gòu)建與實踐[J].電氣電子教學學報，2008，2(30)：114-116.

[4]陳軍.Proteus仿真技術(shù)與數(shù)字電路教學整合的實踐[J].大學物理實驗，2012，25(3)：92-94.

[5]符杰林，周海燕，李天松.仿真軟件用于通信原理課程教學的探討[J].大眾科技，2011，(7)：227-228.

[6]劉嚴.基于LabVIEW的移動通信實驗教學研究[J].國外電子測量技術(shù)，2013，32(1)：60-61.

[7]李巖，賈宇琛.基于SystemView的通信系統(tǒng)實驗教學改革[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息，2010，(8)：119-120.

[8]朱孝統(tǒng)，郭云.MATLAB在通信原理學習中的應用[J].赤峰學院學報，2014，30(1)：226-227.

[9]程如岐，鞠蘭，高藝.“通信原理”軟硬件相結(jié)合的實驗教學方法探索[J].實驗室科學，2012，15(5)：24-25.[10]陳軍.基于SystemView的通信原理教學實踐[J].實驗室科學，2014，34(8)：20.

[11]陳軍.SystemView在通信原理課程教學中的應用研究[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32(1)：153-154.

(責任編輯：練秀明)

The Application of SystemView in the Teaching of Communication Technology Foundation

HU Mei-jiao

(Department of Information Management & Engineering, Fujian Commercial College, Fuzhou 350012, China)

Dynamic simulation and analysis of amplitude modulation and demodulation system of analog signal is completed in SystemView software environment. By changing the size of the parameter gainA, observing and analyzing changes of the modulated signal waveform and power spectrum, the working principle of analog amplitude modulation system and the difference of several amplitude modulations are illustrated. The teaching effects of different teaching methods are compared and summarized. It is found that the visual dynamic simulation software can be used as a teaching aid in the communication technology foundation course, which can improve teaching effect of the course.

communication technology; SystemView; amplitude modulation; teaching reflection

2016-09-08

胡美嬌(1985-)，女，福建南平人，助教，碩士。研究方向：通信技術(shù)。

TN91

A

1008-4940(2016)05-0082-06