范 燁，徐柳娟

(浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江 杭州 310018)

0 引言

通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)是通信工程專業(yè)、電子信息專業(yè)和光信息專業(yè)的專業(yè)實(shí)踐課程，該課程對(duì)專業(yè)理論基礎(chǔ)要求高，基礎(chǔ)理論抽象性強(qiáng)，給教學(xué)帶來(lái)很大的困難.在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)上，應(yīng)從創(chuàng)新能力的培養(yǎng)高度出發(fā)，要求學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容［1］;這里引入SystemView仿真軟件來(lái)輔助通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)，可以使抽象的理論形象化.對(duì)于學(xué)生而言，利用仿真軟件可以給學(xué)生提供直觀的形象思維，并能設(shè)計(jì)許多現(xiàn)有設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn);對(duì)于高校教師而言，利用仿真軟件進(jìn)行備課、教學(xué)，可以更好地?cái)U(kuò)寬教學(xué)思路，使上課更加淺顯易懂［2］.學(xué)生可以按照理論框圖，自頂而下將系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)，并且具有很大的靈活性;從而增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)理論知識(shí)的理解程度，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的興趣以及積極性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力;為實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新改革做出貢獻(xiàn)，提升實(shí)踐教學(xué)的功效.

1 SystemView通信系統(tǒng)仿真軟件介紹

SystemView仿真軟件是美國(guó)ELANIX公司研制的一款動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真和分析的可視化設(shè)計(jì)軟件，可用于通信類、電子信息類專業(yè)中的仿真、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證［3］.它由器件庫(kù)、信號(hào)源、分析模塊構(gòu)成，軟件含有豐富的庫(kù)資源.基本庫(kù)包括信號(hào)源庫(kù)、加法器庫(kù)、子系統(tǒng)I/O庫(kù)、算子庫(kù)、函數(shù)庫(kù)、乘法器庫(kù)、觀察窗庫(kù)共8個(gè);此外還包括各種專業(yè)庫(kù)，包括通信庫(kù)、邏輯庫(kù)、數(shù)字信號(hào)處理庫(kù)、射頻庫(kù)共4個(gè)，特別適合通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證［4－6］.利用 SystemView軟件進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，構(gòu)建簡(jiǎn)單，不需要軟件編程，也不需要焊接復(fù)雜的硬件電路，也不需要配置相應(yīng)硬件電路的耗材以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備.模塊化的設(shè)計(jì)模式可以讓使用者全面地了解系統(tǒng)組成和每個(gè)模塊的功能，實(shí)際仿真出的波形跟實(shí)際的通信系統(tǒng)也有很好的一致性，使得設(shè)計(jì)結(jié)果更加可靠.

SystemView仿真軟件的通信系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn):

(1)節(jié)約投資，全軟件環(huán)境，不需要實(shí)驗(yàn)箱等相應(yīng)設(shè)備的投資，也無(wú)需硬件焊接、元器件等耗材的開(kāi)銷.

(2)面向系統(tǒng)級(jí)的實(shí)踐環(huán)境，避免學(xué)生將過(guò)多的精力放在硬件電路調(diào)試上.

(3)基于圖符的仿真軟件，無(wú)需復(fù)雜的編程語(yǔ)言的學(xué)習(xí)，不需要寫(xiě)一句代碼，只需要添加相應(yīng)模塊以及設(shè)置相應(yīng)模塊的參數(shù)，就可以完成一個(gè)復(fù)雜通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真與驗(yàn)證，性價(jià)比高.

(4)靈活性大，可以動(dòng)態(tài)修改相應(yīng)模塊的參數(shù)，從而驗(yàn)證相應(yīng)的實(shí)踐結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.

(5)有系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和仿真的功能，可以使實(shí)踐驗(yàn)證型教學(xué)模式向設(shè)計(jì)型教學(xué)模式過(guò)渡，可以作為畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目以及創(chuàng)新項(xiàng)目.

2 SystemView通信系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用實(shí)例

2.1 通信系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用實(shí)例

SystemView為一個(gè)操作簡(jiǎn)單、內(nèi)容豐富的先進(jìn)實(shí)踐操作平臺(tái)，這里結(jié)合實(shí)際教學(xué)情況，以項(xiàng)目化主導(dǎo)，設(shè)計(jì)了幾個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目.

(1)雙邊帶調(diào)幅項(xiàng)目

通過(guò)SystmeWiew所提供的示波器可以分別觀察雙邊帶調(diào)幅AM的調(diào)制信號(hào)波形、載波信號(hào)波形、以調(diào)信號(hào)的波形.

(2)通信系統(tǒng)信號(hào)抽樣定理項(xiàng)目

抽樣定理為模擬信號(hào)數(shù)字化的理論基礎(chǔ)，采用樣頻率需要2倍以上的最高頻率進(jìn)行采樣從而避免信號(hào)失真.項(xiàng)目以低通信號(hào)采樣與恢復(fù)的實(shí)例來(lái)驗(yàn)證抽樣定理.其中輸入模擬信號(hào)源為1V、200 Hz的正弦波，分別采用200 Hz、400 Hz、600 Hz三種不同的采樣頻率，可以看出當(dāng)采樣頻率為200 Hz時(shí)，恢復(fù)信號(hào)存在很大的失真.

(3)PCM脈沖編碼調(diào)制項(xiàng)目

PCM是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式，通過(guò)采樣、量化、編碼三個(gè)步驟將模擬信號(hào)編碼.其中量化方式采樣非均勻量化，量化前將小信號(hào)放大、對(duì)大信號(hào)壓縮，通常有13折線A律和μ律兩種標(biāo)準(zhǔn).采用SystemView可以實(shí)現(xiàn)PCM編碼中的信號(hào)壓縮與擴(kuò)展過(guò)程仿真，可以明顯看出System-View中壓縮器模塊將小信號(hào)放大、大信號(hào)壓縮;擴(kuò)張器模塊將大信號(hào)壓縮、小信號(hào)放大.擴(kuò)張器模塊還原后的波形和系統(tǒng)輸入波形一致.

(4)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)項(xiàng)目

數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可或缺的組成部分，SystemView算子庫(kù)中帶有一個(gè)“Linear Sys Filters”圖標(biāo)，讓學(xué)生直接、直觀地操作數(shù)字濾波器設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)IIR、FIR、通信濾波器，學(xué)生可以直接從圖形界面設(shè)計(jì)所需要的幅頻響應(yīng)曲線，由SystemView自動(dòng)計(jì)算各系數(shù)，省去理論計(jì)算部分，即可完成數(shù)字示波器的設(shè)計(jì).

(5)偽隨機(jī)序列產(chǎn)生項(xiàng)目

擴(kuò)頻碼被廣泛地應(yīng)用于擴(kuò)頻系統(tǒng)中的信號(hào)頻譜擴(kuò)展，擴(kuò)頻碼中應(yīng)用最廣的是偽隨機(jī)序列(m序列)，SystemView在系統(tǒng)信號(hào)源圖符中為用戶提供了PN碼信號(hào)源，學(xué)生只需要在輸入端加入時(shí)鐘信號(hào)，在“參數(shù)設(shè)置”中設(shè)置移位寄存器程度、起始種子，就可以通過(guò)示波器直觀的看到m序列輸出.

(6)數(shù)字傳輸系統(tǒng)仿真項(xiàng)目

SystemView可以實(shí)現(xiàn) 2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、MSK、QAM16、QPSK 等數(shù)字傳輸系統(tǒng)的仿真，可以讓學(xué)生熟悉數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)以及性能.后面會(huì)以2ASK、2FSK兩種基礎(chǔ)調(diào)制系統(tǒng)的仿真為例，詳細(xì)介紹 SystemView的仿真過(guò)程.

2.2 2ASK調(diào)制系統(tǒng)仿真

二進(jìn)制幅移鍵控2ASK調(diào)制信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即利用二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”或者“1”的基帶信號(hào)來(lái)控制載波信號(hào)的通斷.有載波輸出時(shí)表示“1”，無(wú)載波輸出時(shí)表示“0”.

2ASK調(diào)制器的產(chǎn)生方法有兩種，一種是相乘電路法、另外一種是通斷鍵控法［7］.這里采用的是相乘電路法，具體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理框圖，見(jiàn)圖1.

圖1 2ASK調(diào)制原理框圖

2ASK調(diào)制器具體在SystemView上仿真電路圖，見(jiàn)圖2.模塊0為信號(hào)源，產(chǎn)生一路PN碼脈沖信號(hào)，作為基帶信號(hào);模塊1為示波器，可以觀測(cè)基帶信號(hào)源實(shí)際輸出波形;模塊為2為乘法器;模塊為3為信號(hào)源，產(chǎn)生一路正弦波，作為載波信號(hào);模塊4為示波器，可以觀察最后輸出的2ASK調(diào)制信號(hào).

圖2 2ASK調(diào)制器SystemView仿真電路圖

基帶信號(hào)為“0”或者“1”PN碼脈沖信號(hào)，基帶信號(hào)和載波信號(hào)相乘，就可以實(shí)現(xiàn)2ASK調(diào)制波形的輸出.具體仿真波形，見(jiàn)圖3，其中左圖為基帶信號(hào)的波形，右圖為2ASK調(diào)制器輸出的波形.

圖3 2ASK調(diào)制器SystemView仿真波形圖

2.3 2FSK調(diào)制系統(tǒng)仿真

二進(jìn)制頻移鍵控2FSK調(diào)制信號(hào)為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，即利用二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”或者“1”的基帶信號(hào)來(lái)控制兩路載波信號(hào)的選中.基帶信號(hào)為“1”時(shí)輸出一路載波信號(hào)f1，基帶信號(hào)為“0”時(shí)輸出另外一路載波信號(hào)f2.

2FSK調(diào)制器的產(chǎn)生方法有兩種，一種是模擬調(diào)頻電路法、另外一種是鍵控法［8］.這里采用的是鍵控法來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)載波發(fā)生器分別產(chǎn)生f1或者f2的載波，調(diào)制器按照輸入的二進(jìn)制基帶信號(hào)為“0”或者“1”，通過(guò)開(kāi)關(guān)電路來(lái)選擇兩個(gè)載波信號(hào)輸出，使其在一個(gè)碼元周期內(nèi)輸出其中一路載波信號(hào).具體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理框圖，見(jiàn)圖4.

圖4 2FSK調(diào)制原理框圖

2FSK調(diào)制器具體在SystemView上仿真電路圖見(jiàn)圖5.模塊0為信號(hào)源，產(chǎn)生一路PN碼脈沖信號(hào)，作為基帶信號(hào);模塊3為示波器，可以觀測(cè)基帶信號(hào)源實(shí)際輸出波形;模塊1為信號(hào)源，產(chǎn)生一路正弦波，作為載波信號(hào)f1;模塊2為信號(hào)源，產(chǎn)生另外一路正弦波，作為載波信號(hào)f2;模塊為5為合路器，將兩路載波信號(hào)合路;模塊4為示波器，可以觀察最后輸出的2FSK調(diào)制信號(hào).

圖5 2FSK調(diào)制器SystemView仿真電路圖

基帶信號(hào)為“0”或者“1”PN碼脈沖信號(hào)，基帶信號(hào)和載波信號(hào)相乘，就可以實(shí)現(xiàn)2FSK調(diào)制波形的輸出.具體仿真波形，見(jiàn)圖6，其中左圖為基帶信號(hào)的波形，右圖為2FSK調(diào)制器輸出的波形.脈沖信號(hào)為“0”時(shí)，調(diào)制信號(hào)輸出的為f1，頻率較低、波形較寬信號(hào);脈沖信號(hào)為“1”時(shí)，調(diào)制信號(hào)輸出的為 f2，頻率較高、波形較窄信號(hào).

圖6 2FSK調(diào)制器SystemView仿真波形圖

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通信系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中引入仿真技術(shù)，是現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)在教學(xué)中的具體體現(xiàn)，能夠直觀形象地解決具體理論上的難點(diǎn).SystemView是一個(gè)功能強(qiáng)大的EDA仿真軟件，為通信系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)提供了一個(gè)便捷、有效的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，為通信專業(yè)自身水平提升做出貢獻(xiàn)，從而適合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要.

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