基于SystemView仿真的模數(shù)信號混合傳輸綜合實驗設(shè)計

盧曉軒　李莉

【摘要】針對通信工程專業(yè)本科《通信原理》實驗課程設(shè)計的現(xiàn)狀，提出一個以學生自主設(shè)計，注重綜合性為指導思想的基于SystemView仿真的模數(shù)信號混合傳輸綜合實驗設(shè)計方案，并且完成了一個實驗方案設(shè)計及其SystemView實驗仿真系統(tǒng)的示例及仿真結(jié)果分析。

【關(guān)鍵詞】通信原理 實驗方案 模數(shù)混合 自主設(shè)計

【基金項目】中國石油大學（華東）精品實驗建設(shè)項目（項目編號：JS20141）：基于真實體驗的模、數(shù)信號混合傳輸綜合實驗。

【中圖分類號】TP393.09 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）01-0226-02

《通信原理》是通信工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是電子信息專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，學生對于該課程中概念和通信理論的掌握程度直接影響后續(xù)專業(yè)課程學習效果。該課程的主要特點是數(shù)學推導多、理論分析多，通信原理實驗是讓學生透徹理解復雜的通信理論并學以致用的有效手段，因此通信原理實驗在通信原理教學環(huán)節(jié)中起著舉足輕重的作用。

本課程主要講述模擬通信理論和數(shù)字通信理論，而兩塊理論的結(jié)合是學生最難理解接受的難點，也是本課程的重點之一，目前國內(nèi)高校的相關(guān)實驗有的僅僅圍繞模擬通信理論進行設(shè)置，如AM實驗[1]、DSB實驗[2]，有的僅僅圍繞數(shù)字通信理論進行設(shè)置，如PSK實驗[3]，F(xiàn)SK實驗[4]，16QAM實驗[5]，有的圍繞模擬信號數(shù)字化進行設(shè)置，比如PCM實驗[6-7]，而對于模擬信號和數(shù)字信號混合傳輸卻少有實驗涉及。模數(shù)信號混合傳輸是指一個模擬信源和一個數(shù)字信源所發(fā)出的信號復用同一信道傳輸后，分別到達相對應的信宿，這是現(xiàn)實世界中經(jīng)常用到的通信場景，相關(guān)理論對于初學者來說也是一個難點。

因此本文提出在《通信原理》課程的實驗教學中，要求學生設(shè)計并仿真實現(xiàn)一個具有綜合性、設(shè)計性的模數(shù)信號混合傳輸系統(tǒng)的實驗教學思路。由于該實驗方案涵蓋模擬通信理論和數(shù)字通信理論的絕大多數(shù)內(nèi)容，還涉及信道復用技術(shù)及信道編碼技術(shù)，主要目的是在幫助學生理解以上難點的基礎(chǔ)上，促進學生建立起通信系統(tǒng)的概念、深入理解并綜合運用所學過的通信相關(guān)知識、培養(yǎng)學生的綜合能力、創(chuàng)新設(shè)計能力和實踐能力。

1.模數(shù)信號混合傳輸綜合實驗方案設(shè)計

為了在實驗教學中啟發(fā)學生的設(shè)計思路，本文設(shè)計了一個基本的模數(shù)信號混合傳輸綜合實驗方案的示例，其原理框圖如圖1所示。

由模擬信號源輸出的模擬信號輸入PCM編碼模塊，完成PCM編碼后變成數(shù)字信號輸出后和數(shù)字信號源的輸入一起輸入到數(shù)字復接模塊完成數(shù)字信號的復接，復接后的混合信號，經(jīng)過數(shù)字調(diào)制后送入信道。到達接收端后，經(jīng)過數(shù)字解調(diào)模塊完成解調(diào)后的復合信號經(jīng)過解復用模塊，完成信號分離，分別送到數(shù)字信宿和PCM解碼模塊，由PCM解碼模塊完成D/A轉(zhuǎn)化后還原成原來的模擬信號送給模擬信宿，因此在同一信道中實現(xiàn)了模擬信號和數(shù)字信號的混合傳輸。

在實驗教學中，每個學生都可以在以上實驗方案示例的啟發(fā)下，根據(jù)自己的設(shè)想，任意設(shè)計一個模數(shù)信號混合傳輸?shù)膶嶒炏到y(tǒng)，如可以實現(xiàn)多路數(shù)字信號和模擬信號的復用和混合傳輸，根據(jù)需要選擇不同調(diào)制方式和復用方式等。

2.基于SystemView的仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計及分析

systemView 是ELANIX公司推出的信號級動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計、模擬和分析軟件，其特點是功能強大、用途廣泛[6]。SystemView提供了大量的功能塊、信號源、接收端、算子圖符和函數(shù)庫，使用者往往只需要通過功能模塊的連接以及參數(shù)設(shè)置，就可以完成通信系統(tǒng)的搭建，這樣就把使用者的精力從編程和電路設(shè)計上解放出來，而專注于項目思想的設(shè)計與實現(xiàn)。學生應用該仿真工具可以較快上手、較方便地驗證自己設(shè)計的通信系統(tǒng)性能，教學實踐也證明，SystemView是很受學生歡迎的仿真實驗工具。因此，本實驗也要求學生采用SystemView進行模數(shù)混合傳輸實驗的仿真系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)。

2.1仿真系統(tǒng)設(shè)計

圖2所示的是根據(jù)圖1所示的實驗方案，采用SystemView搭建的仿真系統(tǒng)。基本功能模塊如下：

噪聲源2的輸出信號經(jīng)過低通濾波器2后的得到模擬信號，作為模擬信號源的輸出。該模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊3后完成PCM編碼。得到的數(shù)字信號輸入到數(shù)字復用器6的輸入端，與數(shù)字信號源4發(fā)出的數(shù)字信號一起由數(shù)字復用器6實現(xiàn)同步的數(shù)字復接。復用后的信號由數(shù)字調(diào)制模塊8實現(xiàn)2DPSK的數(shù)字調(diào)制后送到信道中，在信道中加載上高斯白噪聲。到接收端到通過帶通濾波器后在數(shù)字解調(diào)模塊11完成2DPSK的數(shù)字解調(diào)，通過延遲器12后，送入到數(shù)字解復用器13。完成數(shù)字解復用的信號，一路直接送給數(shù)字信宿；一路通過D/A轉(zhuǎn)換模塊14完成PCM編碼解調(diào)后恢復為原來的模擬信號，送給模擬信宿。

在該仿真系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換模塊3、D/A轉(zhuǎn)換模塊14、2DPSK調(diào)制模塊、2DPSK解調(diào)模塊都需要自行設(shè)計，具體細節(jié)不再一一贅述。

本示例中的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計如下：低通濾波器2的截止頻率為15Hz，PCM編碼是抽樣頻率為50 Hz，每個抽樣脈沖編為4位二進制碼元，因此A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)字碼元的速率為200bit/s，數(shù)字信源發(fā)送速率也是200bit/s。復用后速率為400bit/s。2DPSK調(diào)制時，載波頻率為4000 Hz。延遲器（模塊12）的延遲時間為2.5ms，即復用的一個碼元時間長度。

2.2仿真結(jié)果分析

在實驗中，學生可在搭建的仿真系統(tǒng)中觀察傳輸?shù)哪M信號和數(shù)字信號的波形，考查信號的傳輸質(zhì)量，從而評估設(shè)計的系統(tǒng)的性能。

圖3所示的是圖2所示的仿真系統(tǒng)中的部分收發(fā)信號的波形圖。

由仿真結(jié)果可見，模擬信號傳輸后波形幾乎無失真，表明設(shè)計的模數(shù)混合系統(tǒng)的可靠性較高。

3.總結(jié)

本文針對《通信原理》課程的難點和目前實驗課設(shè)置存在的問題，提出一個以學生自主設(shè)計，注重綜合性為指導思想的基于SystemView仿真的模數(shù)信號混合傳輸綜合實驗設(shè)計方案，并且給出了一個實驗方案設(shè)計、SystemView實驗仿真系統(tǒng)的示例及仿真結(jié)果分析。該方案能在實現(xiàn)幫助學生深入理解和運用模擬通信和數(shù)字通信理論的基礎(chǔ)上理解和實現(xiàn)模數(shù)混合傳輸?shù)幕灸繕说那疤嵯拢行У奶岣邔W生的學習興趣，培養(yǎng)學生的綜合設(shè)計能力和自主學習的意識；也體現(xiàn)了差異化、層次化的教學理念，對促進學生完成知識的內(nèi)化和追求個人發(fā)展的最大化是極為有利的。

參考文獻：

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[7]劉開健，張海波，吳光敏，等.基于SystemView的PCM通信系統(tǒng)仿真[J].石油儀器.2007（5）：72-74.

作者簡介：

盧曉軒（1971-），男，副教授，主要研究方向為智能電網(wǎng)、下一代網(wǎng)絡。

李莉（1976-），女，講師，研究方向為計算機網(wǎng)絡與通信技術(shù)、低壓電力線載波通信技術(shù)。