基于SystemView的“通信原理”課程教學改革研究

摘要:針對“通信原理”課程設計時間短，因實驗設備限制導致題目單一，學生興趣不高的問題，將SystemView軟件引入到課程設計中，該軟件內置大量可選擇的庫，能仿真多種應用系統，學生可方便快捷地建立各類通信系統的模型，通過協作還可培養學生的團隊意識。文中以無線局域網中的正交頻分復用(OFDM)技術為例，詳細介紹了用SystemView軟件搭建仿真實驗系統的過程及實驗結果。

關鍵詞:通信原理;教學改革;正交頻分復用;仿真實驗

培養和提高學生的創新思維能力是高等教育改革的一項重要任務。“通信原理”課程設計是緊隨“通信原理”課程之后的實踐性教學環節，是“通信原理”課程的延伸，其目的是通過設計實踐，使學生掌握初步的通信系統的設計和分析方法，以培養學生綜合運用所學知識，來分析和解決實際問題的能力，如系統分析和設計能力、查閱科技資料的能力，這些對于培養學生嚴謹的科學態度、理論聯系實際的實踐動手能力以及創新能力起到十分重要的作用。

傳統的“通信原理”課程設計時間為一周且由于實驗設備的限制題目往往很單一，基本上全班都采用一個設計題目，通常由教師指定，而學生則按照教師制定的方案，確定系統參數后，在此基礎上進行性能分析，最后編寫課程設計說明書。這樣的結果是每個學生的題目都一樣，所不同的只是角度，所以這種集中式的實踐性教學環節，常常會限制學生的創造性思維，不利于培養學生發現問題和解決問題的能力，效果并不理想，甚至還存在抄襲現象。學生雖能按部就班地完成設計任務，但是卻調動不了學生的設計興趣，更談不上對學生的各方面能力的培養。因此，為提高課程設計的教學效果，將SystemView軟件引入到“通信原理”課程設計中來是解決以上問題的良好途徑[1-2]。

1SystemView軟件及其特點

SystemView是 ELANIX公司推出的一個完整的動態系統設計、模擬和分析的可視化軟件。它操作簡單、使用方便，可提供用于系統建模的基本模塊，用戶只需根據所要設計的系統，從圖符庫中選擇合適的圖符并設置好參數，完成圖符間的連線后運行仿真操作，系統的仿真分析結果便會以時域波形、眼圖、功率譜、星座圖和各類形式呈現。因此在不具備先進儀器的條件下同樣能完成復雜的通信系統設計與仿真。其主要功能如下:

(1) 能仿真大量的應用系統。SystemView內置大量可選擇的庫，能在DSP、通信和控制系統應用中構造復雜的模擬、數字、混合及多速率系統[3]。尤其適合無線通信(GSM、CDMA、DSSS等)、調制解調器以及衛星通信系統的設計。

(2) 快速方便的動態系統設計與仿真。學生通過SystemView軟件，快速建立系統，并在對話框內快速訪問和調整參數，實時修改實時顯示。SystemView圖標庫提供幾百種信號源、接收端、操作符和功能塊，能夠方便快捷地建立各類通信系統模型。

(3) 先進的信號分析和數據塊處理。SystemView提供的分析窗口是一個能夠提供系統波形詳細檢查的交互式可視環境[4]。分析窗口還提供了一個能對仿真數據進行塊處理操作的接收計算器。

(4) 多速率系統和并行系統。SystemView允許合并多種數據采樣率輸入的系統。這種特性非常適合于同時具有低頻和高頻部分的通信系統的設計與發展，有利于提高整個系統的仿真速度，而在局部又不會降低仿真的精度。另外SystemView 專門提供了一個專用接口M-LINK，通過該接口，可以實現與Matlab之間數據的交換[5]。

2仿真實例

本文以實現無線局域網中的正交頻分復用 (OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) 技術為例，用SystemView進行仿真實驗。OFDM系統的基本思想是:把高速數據流分散到多個正交的子載波上傳輸 ，從而使子載波上的符號速率大幅度降低，符號持續時間大大加長，因而對時延擴展有較強的抵抗力，減小了符號間干擾的影響。其系統實現框圖如圖1所示。

由于OFDM采用的基帶調制為離散傅立葉反變換，可以認為數據的編碼映射是在頻域進行的，經過IFFT變換為時域信號發送出去，在接收端通過FFT恢復出頻域信號。

2.1繪制電路圖

SystemView主要由系統設計窗口和系統分析窗口兩大部分組成。所有系統的設計等基本操作，都是在設計窗口內完成。在系統設計窗口中它提供了算子圖符庫、函數圖符庫、信號源圖符庫和信號接收器圖符庫。在系統分析中SystemView設置了信號接收器圖符庫作為分析窗口，為時域和頻域的波形與數值分析提供了方便的途徑。

首先，利用系統設計窗口繪制電路原理圖。繪制好的電路圖如圖2所示。

在OFDM系統中，符號周期、載波間距和子載波數應當根據實際應用條件合理選擇。符號周期的大小影響載波間距以及編碼調制延遲時間。若信號星座固定，則符號周期越長，抗干擾能力越強，但是載波數量及FFT的規模也越大。子載波的數量根據信道帶寬、數據速率以及符號周期來確定。在本例中，信號輸入使用了兩個低頻率(64Hz)的偽隨機序列(圖符0和圖符5)來表示。經過采樣頻率為64Hz的采樣器后輸入到OFDM調制器中，在接收端用兩個延時器仿真信號在信道中的傳輸，最后經OFDM解調器解調輸出。

2.2運行仿真

按照以上仿真圖的參數設定好后，鼠標點擊工具條上的“Run System”或者用鍵盤上的“F5”功能鍵，系統自動描繪出各個“觀察窗”中的圖形。

系統仿真過程中人機交互能力很強，仿真過程可隨時暫停或終止，也可隨時修改參數，比較不同參數下的系統運行結果。圖3是0路信號調制后的信號波形圖，圖4是1路信號經調制后輸出的信號波形。圖5、圖6可看出信號輸入輸出有一些延時外，基本一致。限于篇幅，以上僅以調制解調為例，分析了OFDM系統的原理，另外還可搭建誤碼率模塊來完成誤碼率的統計，可以方便的得到誤碼率波形圖，觀察此時系統的抗干擾能力。

5結語

將SystemView引入到“通信原理”課程設計中來，不僅大大豐富了課程設計的內容，而且還培養了學生的團隊意識。多樣的課程設計內容使學生有了挑戰性的任務，學生容易產生興趣，效果較好，達到了教學創新的目的。通過實踐發現，大部分同學都在規定的時間內完成了設計，達到了綜合性設計的目的，既鞏固、訓練了學生的專業知識，又促進了學生其他技能的提高，對后續課程的學習以及學生適應日后工作都大有裨益。課程設計結束后，教師可以進行講評和總結。選出具有代表性的設計作品詳細分析，指出其優點以及不足之處，使學生在今后的學習中揚長避短，這對培養學生思維能力是有效的。改革后的課程設計不僅增加了學生的工作量和設計難度， 相應地也增加了指導教師的工作量和教學難度。指導教師要做好充分準備，對設計中可能出現的各種方案及其特點要有充分認識，正確引導學生。另外教師本身還必須不斷學習新經驗、新知識，不斷充實自己，提高自身素質。只有教師的素質提高了，才能保證課程設計質量的提高。

參考文獻:

[1] 青松，程岱松，武建華. 數字通信系統的SystemView仿真與分析[M]. 北京:北京航空航天大學出版社，2000.

[2] 史慶軍，史慶武，呂志武. 通信系統仿真軟件SystemView及其應用[J]. 佳木斯大學學報，2007(6):735-737.

[3] 楊春，姚新宇. 基于SystemView的GPS衛星信號仿真[J]. 微計算機信息，2007(6):252-254.

[4] 趙旦峰，郝學飛. 基于SystemView對直擴系統的仿真及分析[J]. 應用科技，2002(1):34-36.

[5] 張輝，曹麗娜.現代通信原理與技術[M]. 西安:西安電子科技大學出版社，2002.

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)