虛擬仿真軟件在《通信原理》教學(xué)中的應(yīng)用

喻武龍，孟穎，劉愛(ài)民

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519085）

虛擬仿真軟件在《通信原理》教學(xué)中的應(yīng)用

喻武龍，孟穎，劉愛(ài)民

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海 519085）

在進(jìn)行通信原理教學(xué)過(guò)程中，單純采用實(shí)驗(yàn)箱完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式有著明顯的弊端，學(xué)生無(wú)法對(duì)通信系統(tǒng)模塊進(jìn)行自由擴(kuò)展，對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的波形也無(wú)法同時(shí)觀測(cè)比較。為了滿足學(xué)生自主設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)，并能實(shí)時(shí)觀察多個(gè)節(jié)點(diǎn)波形的需求，本文引入基于systemveiw的虛擬仿真軟件。經(jīng)教學(xué)實(shí)踐證明，使用systemview虛擬仿真軟件可提升學(xué)生自主設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的積極性，有助于學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)的理解與學(xué)習(xí)。

Systemview；通信系統(tǒng)；2FSK；虛擬仿真

0 前言

《通信原理》作為通信技術(shù)專業(yè)的骨干核心課程，在學(xué)習(xí)中占有極其重要的地位。該課程要求學(xué)生從模塊級(jí)、系統(tǒng)級(jí)的層次上，深刻理解通信系統(tǒng)的基本理論，熟練掌握通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析方法，以及掌握現(xiàn)代通信技術(shù)不斷涌現(xiàn)的新理論和新技術(shù)。《通信原理》傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常都是基于通信實(shí)驗(yàn)箱，目的在于完成與課程教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作。傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)箱存在損壞率高、維修困難、設(shè)備淘汰更新快的弊端，同時(shí)由于受到實(shí)驗(yàn)箱擴(kuò)展條件限制，實(shí)驗(yàn)教學(xué)大部分都是用于完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)、多節(jié)點(diǎn)波形觀測(cè)的通信實(shí)驗(yàn)則并不適用。事實(shí)上，《通信原理》課程對(duì)學(xué)生掌握復(fù)雜的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、多節(jié)點(diǎn)波形觀測(cè)對(duì)比、通信模塊的功能擴(kuò)展等實(shí)踐操作有著較高的要求。通過(guò)引入Systemview的虛擬仿真軟件，學(xué)生可以隨時(shí)按照需求進(jìn)行復(fù)雜通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即時(shí)對(duì)比觀測(cè)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)波形，使復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程更加簡(jiǎn)單明了，幫助學(xué)生更好的學(xué)習(xí)《通信原理》課程。

1 SystemView軟件介紹

SystemView是信號(hào)級(jí)的系統(tǒng)仿真軟件，主要用于電路與通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真，可進(jìn)行包括數(shù)字信號(hào)處理（DSP）系統(tǒng)、模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的仿真分析。Systemview軟件配置了大量圖符塊（Token）庫(kù)，以模塊化和交互式的界面，為用戶提供一個(gè)嵌入式的分析引擎，使用戶很容易構(gòu)造出所需要的仿真系統(tǒng)。當(dāng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建完畢后，只要調(diào)出有關(guān)圖符塊并設(shè)置好參數(shù)，完成圖符塊間的連線后運(yùn)行仿真操作，該仿真軟件會(huì)以時(shí)域波形、眼圖、功率譜、星座圖和各類曲線等多種形式直觀給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果，其操作和分析過(guò)程簡(jiǎn)單明了，易學(xué)易懂。

2 SystemView軟件在課程中的應(yīng)用

下面以《通信原理》課程中的二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）信號(hào)調(diào)制、傳輸和解調(diào)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，介紹Systemview虛擬仿真軟件在《通信原理》課程中的應(yīng)用。

2.1 二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）

2FSK是數(shù)字信息傳輸中使用較早、應(yīng)用較廣的一種調(diào)制方式，它的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，相對(duì)于幅移鍵控抗噪聲與抗衰落的性能較好，在中低速數(shù)據(jù)傳輸和衰落信道中得到廣泛應(yīng)用。

2FSK的通信系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。2FSK信號(hào)的產(chǎn)生是首先通過(guò)兩路相位相反的二進(jìn)制數(shù)字序列分別調(diào)制不同頻率的載波，產(chǎn)生兩路不同的2ASK信號(hào)疊加而成，該信號(hào)送入加載了高斯噪聲的信道進(jìn)行傳輸。在接收端，將接收到的2FSK信號(hào)送入帶通濾波器進(jìn)行濾波，保留其中一路的2ASK信號(hào)，通過(guò)相干解調(diào)的方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、抽樣判決，最后將數(shù)據(jù)還原為二進(jìn)制數(shù)字序列。

2.2 2FSK通信系統(tǒng)在systemview的實(shí)現(xiàn)

2FSK通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型如圖2所示，可分為信號(hào)調(diào)制部分、信號(hào)傳輸部分和信號(hào)解調(diào)部分，系統(tǒng)用到的通信模塊主要包含二進(jìn)制PN序列產(chǎn)生器、余弦載波信號(hào)源、反相器、比較器、乘法器、加法器、高斯噪聲信號(hào)源、帶通濾波器、低通濾波器、抽樣器、保持器等通信模塊。

圖1 2FSK通信系統(tǒng)原理框圖

2FSK的數(shù)字基帶信號(hào)是由二進(jìn)制PN偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)字序列1，該序列送入反相器后生成一個(gè)相位相差180度的二進(jìn)制數(shù)字序列2。兩路相位相反的二進(jìn)制數(shù)字序列經(jīng)比較器后完成電平轉(zhuǎn)化，再分別與兩路頻率不同的余弦載波信號(hào)相乘，產(chǎn)生兩路不同的2ASK信號(hào)并送入加法器，經(jīng)疊加后構(gòu)成2FSK信號(hào)，送入已經(jīng)加載了高斯噪聲的信道進(jìn)行傳輸。接收端首先對(duì)接收到的2FSK信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，輸出與輸入端同頻同相的余弦載波信號(hào)做相干解調(diào)操作，經(jīng)低通濾波后保留低頻分量并進(jìn)行抽樣判決，即可得到與輸入的隨機(jī)二進(jìn)制序列相同的序列，完成2FSK信號(hào)的調(diào)制、傳輸與解調(diào)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.3 2FSK仿真結(jié)果

（1）二進(jìn)制數(shù)字序列由PN偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生，波形如圖3所示。

（2）兩路2ASK信號(hào)經(jīng)過(guò)疊加后產(chǎn)生2FSK信號(hào)，波形如圖4所示。

圖2 2FSK通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型

（3）將帶通濾波后的輸出信號(hào)與輸入端同頻同相的余弦載波進(jìn)行相干解調(diào)，經(jīng)低通濾波后進(jìn)行抽樣判決，可得到與發(fā)送端一致的二進(jìn)制數(shù)字序列，波形如圖5所示。

圖3 二進(jìn)制數(shù)字序列

圖4 2FSK信號(hào)波形

圖5 解調(diào)的二進(jìn)制序列

從上面波形可以看出，輸入端通過(guò)PN偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)0001001011的二進(jìn)制數(shù)字序列（圖3），該數(shù)字序列與10Hz的余弦載波進(jìn)行調(diào)制，同時(shí)該二進(jìn)制數(shù)字序列經(jīng)反相器反相后與5Hz的余弦載波進(jìn)行調(diào)制，將兩路調(diào)制信號(hào)送入加法器即可得到2FSK信號(hào)（圖4）。在接收端，對(duì)2FSK信號(hào)采取相干解調(diào)方式進(jìn)行解調(diào)，可還原二進(jìn)制序列0001001011（圖5），結(jié)果與輸入端的二進(jìn)制序列一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以2FSK通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，研究了Systemview虛擬仿真軟件在《通信原理》課程教學(xué)在中應(yīng)用。該軟件可以方便學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際需求對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)，即時(shí)調(diào)整各輸入信號(hào)的幅度、頻率、噪聲大小等參數(shù)，同時(shí)對(duì)比觀察多個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出波形，從而更加深入理解通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和通信信號(hào)傳輸過(guò)程。

相比在硬件實(shí)驗(yàn)箱完成實(shí)驗(yàn)相比，使用Systemview虛擬仿真軟件具備建設(shè)成本低、仿真方便、擴(kuò)展靈活、可多個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)同時(shí)觀察、輸出簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，能幫助學(xué)生更加簡(jiǎn)便的進(jìn)行通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是適用于《通信原理》課程實(shí)驗(yàn)仿真的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析軟件。

[1]謝慧，張志剛，聶峰。基于System View的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012,2:134～137.

[2]黃葆華，魏以民，蔡錠波。System View仿真在“通信原理”課堂教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育，2012,12:50～51.

[3]陸小菊，李金平，李鵬飛。基于simulink的2FSK調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013,1:44～50.

[4]燕麗紅，林志雄。SystemView與MATLAB仿真軟件在信息處理類課程中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2012,12:173～175.

G642

A

1671-0711（2016）11（上）-0089-03

2015年廣東省精品視頻公開(kāi)課立項(xiàng)項(xiàng)目。