SystemView軟件在“通信原理”輔助教學中的應(yīng)用

摘要：針對“通信原理”課程理論性強、內(nèi)容抽象的特點以及目前的教學現(xiàn)狀，將可視化較強的SystemView仿真軟件引入通信原理課程輔助教學。通過SystemView教學實例說明該教學方法能夠加深學生對所學知識的理解，激發(fā)學生學習的興趣和熱情，有效提高課堂教學質(zhì)量。實踐證明這種教學方法取得了良好的教學效果。

關(guān)鍵詞：通信原理；SystemView；仿真

作者簡介：胡琳娜（1980-），女，河北東光人，南京理工大學紫金學院電光系，講師。（江蘇 南京 210046）

中圖分類號：G642.421 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）28-0100-02

“通信原理”是通信工程專業(yè)的主干課程，該課程要求學生掌握通信系統(tǒng)的基本理論、性能分析方法和設(shè)計思想。這門課在整個通信工程專業(yè)課程體系中起著承上啟下的作用，同時也是學習現(xiàn)代通信系統(tǒng)和技術(shù)的必備理論基礎(chǔ)。“教”和“學”是教學過程中相輔相成的兩個方面，教師在進行教學研究的過程中不能僅僅停留在“教”上，還應(yīng)當考慮學生“學”的問題。[1]在“通信原理”這樣理論性較強的課程中如何有效提高課堂教學效果和教學質(zhì)量，提高學生學習積極性和主動性是值得研究和探討的。

一、“通信原理”教學現(xiàn)狀

“通信原理”課程的特點是理論性和系統(tǒng)性較強，概念抽象，不易理解。學生在學習時常常感到難、多、亂，學習興趣不濃厚。“通信原理”課程的教學過程常常是從定義出發(fā)，講述原理，給出數(shù)學描述，然后進行性能分析，在這一過程中還要進行定理證明和公式推導，學生學習時會覺得比較枯燥。涉及通信系統(tǒng)實現(xiàn)的部分，教學中一般只是給出系統(tǒng)實現(xiàn)的思路或框圖，對實現(xiàn)的具體過程沒有詳細介紹，這樣學生并不能夠很好地理解和掌握。[2]針對目前“通信原理”課程教學的現(xiàn)狀，有必要在教學過程引入可視化較強的計算機仿真工具進行輔助教學，通過計算機仿真可以使抽象的概念變得形象、生動，使復雜的理論變得易于理解，加深學生對所學知識的理解，激發(fā)學生學習的興趣和熱情。

二、SystemView仿真軟件

SystemView是美國ELANIX公司推出的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具，可用于通信系統(tǒng)設(shè)計及仿真的動態(tài)系統(tǒng)分析平臺。SystemView仿真軟件可以構(gòu)造各種復雜的模擬、數(shù)字和數(shù)模混合系統(tǒng)，也可用于各種線性或非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真。[3]SystemView的基本庫中包括多種信號源、接收器、加法器、各種函數(shù)運算器等，可以從不同角度滿足設(shè)計要求；同時自帶的通信、邏輯、數(shù)字信號處理、射頻等專業(yè)庫，特別適合于現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和方案論證。在系統(tǒng)設(shè)計仿真時，只要通過鼠標從SystemView庫中選擇圖符并將其拖拽到設(shè)計窗口中，就可以方便各種通信系統(tǒng)。[4]SystemView還具有完善的自我診斷功能，能自動執(zhí)行系統(tǒng)連接檢查，給出連接錯誤信息提示，并在編譯時給出系統(tǒng)運行時間，方便設(shè)計人員進行調(diào)試。[5]

三、SystemView仿真軟件在教學中的應(yīng)用

SystemView仿真軟件具有直觀、簡單、靈活、功能強大的優(yōu)點。在“通信原理”課堂教學過程中，可以將一些枯燥乏味的理論和原理通過搭建SystemView仿真電路直觀地展示給學生，增加課堂教學的生動性和趣味性，幫助學生掌握各種通信系統(tǒng)的原理。同時還可以通過動態(tài)修改系統(tǒng)參數(shù)，得到實時仿真結(jié)果，便于進行系統(tǒng)性能比較和分析，使學生在聽視結(jié)合中加深理解。比如在講解數(shù)字基帶信號的功率譜時，教材上是通過一系列復雜的數(shù)學公式推導得出結(jié)論，推導過程相當繁瑣。對于這些結(jié)論學生通常是死記硬背，并不一定能夠真正理解和掌握。如果在授課時，通過SystemView仿真軟件搭建數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真模型，在SystemView的分析窗中對信號做快速傅立葉變換就可得到數(shù)字基帶信號的功率譜圖。從功率譜圖上，信號功率集中在什么區(qū)域、基帶信號功率譜的形狀、信號速率與帶寬之間的關(guān)系等就一目了然，此外還可以通過改變數(shù)字基帶系統(tǒng)某些參數(shù)來觀察通信系統(tǒng)的性能。這樣不僅可以幫助學生理解和掌握課程中的基本原理和分析方法，使抽象的內(nèi)容更為生動具體，有效提高課堂效率，還可以提高學生的學習興趣和感性認知，激發(fā)學生學習的積極性和主動性。

四、SystemView教學實例

“通信原理”課程的教學過程主要圍繞模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩方面展開，由于現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展方向是數(shù)字通信，因此數(shù)字通信系統(tǒng)是教學的重點。下面就以數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)為例，介紹SystemView在輔助教學過程中的應(yīng)用。

數(shù)字基帶信號用矩形脈沖表示“0”和“1”，且具有無限頻率分量的頻譜。矩形波信號在頻域內(nèi)是無窮延伸的，而實際信道總是頻帶受限的，因此數(shù)字信號經(jīng)過基帶系統(tǒng)傳輸后會產(chǎn)生波形失真，造成前面碼元對后面的若干碼元產(chǎn)生影響，這種影響被稱為碼間串擾。碼間串擾概念比較抽象，學生不易理解，為了加深學生對碼間串擾和系統(tǒng)性能的理解，根據(jù)教材中給出的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)的組成框圖，利用SystemView軟件搭建了數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示。

在仿真模型中將數(shù)字基帶系統(tǒng)的發(fā)送、接收和信道等效為低通濾波器，其后增加抽樣和判決輸出就構(gòu)成了完整的數(shù)字基帶系統(tǒng)。其中圖符0是偽隨機序列，圖符2模擬信道中的高斯白噪聲，方差可根據(jù)情況自行設(shè)定。圖符5是理想低通濾波器，圖符7和圖符8是采樣和保持，其中采樣器的采樣率與碼元速率一致。為了更好地比較輸入信號和輸出信號的波形，在輸入信號接收器前加上了一個延遲圖符。通過運行系統(tǒng)，可以得到在無噪聲干擾情況下輸入信號和輸出信號波形的疊加圖，如圖2所示。從圖中可以明顯看出數(shù)字基帶系統(tǒng)使碼元信號產(chǎn)生拖尾失真，造成對其他碼元的干擾，即碼間串擾。通過對輸入和輸出信號的觀察，學生能夠?qū)Υa間串擾有一個直觀的印象，加深對碼間串擾原因的理解。

在實際的傳輸系統(tǒng)中，完全消除碼間串擾是十分困難的。為了衡量基帶傳輸系統(tǒng)的碼間串擾和噪聲的大小，評價基帶傳輸系統(tǒng)的性能，可以通過實驗的方法利用示波器進行估計，這就是眼圖分析法。但在課堂理論教學中無法利用示波器給學生演示眼圖，這時就可以利用SystemView軟件來實現(xiàn)教學演示。

為了研究噪聲和碼間串擾的影響，可利用圖1所示的System-View仿真電模型來觀察和分析眼圖。在SystemView的分析窗口中，可以利用接受接收器的時間片功能來繪制眼圖。為滿足時間切片周期和碼元同步并且能完整地觀察到一個眼圖的要求，一般將時間切片的長度設(shè)置為當前采樣頻率下采樣周期的2倍時長。[6]在圖1所示的仿真模型中，設(shè)高斯噪聲為0，通過改變理想低通濾波器的截止頻率使其滿足奈奎斯特第一準則，便可得到圖3（a）所示的無噪聲無碼間串擾時系統(tǒng)的眼圖。若在信道中加入噪聲可觀察到在有噪聲無碼間串擾時眼圖“眼睛”張開的幅度變小，線條變粗，如圖3（b）所示。當進一步增大噪聲幅度同時改變信道的帶寬，使傳輸系統(tǒng)不滿足無碼間串擾條件，此時可觀察到有噪聲有碼間串擾時眼圖變得模糊不清，眼圖部分“閉合”，線條不端正，如圖3（c）所示。

通過對不同條件下系統(tǒng)眼圖的觀察，學生能夠直觀地看出碼間串擾和信道噪聲對系統(tǒng)性能的影響，從而加深對系統(tǒng)性能和眼圖之間關(guān)系的理解。

五、結(jié)束語

“通信原理”課程理論性和系統(tǒng)性較強，內(nèi)容抽象，在課堂教學過程中引入可視化較強的SystemView仿真工具進行輔助教學，通過計算機仿真可以使抽象的概念變得形象生動，使復雜的理論變得易于理解，加深學生對所學知識的理解，激發(fā)學生學習的興趣和熱情。實踐證明這種教學方法取得了較好的教學效果。

參考文獻：

[1]黃葆華，魏以民，蔡錠波.SystemView 仿真在“通信原理” 課堂教學中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2012，（35）：50-51.

[2]徐伯慶，葉海霞.用SystemView 輔助《通信原理》教學[J].電氣電子教學學報，2007，（S1）：91-93.

[3]馮育濤.通信系統(tǒng)仿真[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[4]張培玲，仝兆景，王泰華.SystemView 在信號系統(tǒng)實驗教學中的應(yīng)用[J].電氣電子教學學報，2009，31（4）：85-86.

[5]謝慧，張志剛，聶峰.基于 SystemView 的通信原理實驗教學體系[J].實驗技術(shù)與管理，2012，29（2）：134-137.

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

（責任編輯：王意琴）