基于SystemView的通信原理課程設計的改革與探索

胡 之 惠

(上海電機學院 電子信息學院，上海 201306)

0 引 言

通信原理是電子、通信類專業的核心課程，在專業課程體系設置中起到承上啟下的作用，但其對數學基礎要求較高，原理概念較為抽象，容易使學生無法透徹理解其理論知識及應用方向。通信原理課程設計是通信原理的后續實踐教學環節，理論課程的有效延伸，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之一[1-2]。它有助于學生綜合運用所學知識，初步掌握通信的系統設計和分析方法，進而將理論和實踐、原理和應用緊密結合，更好地梳理和掌握通信原理的知識體系結構；并逐步鍛煉學生的系統思維，動手能力和創新能力。

傳統的通信原理課程設計以連接硬件電路為基本方法，采用分立元件或固定模塊的硬件實驗箱來實現電路設計[3-6]。這類方法教學成本較高，損耗較大，實驗精度不高，內容覆蓋范圍較小、更新相對困難，在實驗建設經費投入有限，專業科目不斷增多，課時不斷壓縮的教學現狀下，難以有效實現對學生綜合實踐能力的培養。本文將SystemView列入到通信原理課程設計中,根據不同的課題要求,開展便捷的模塊化設計,豐富了課程設計的內容,又突出了系統設計思維。

1 通信原理課程設計中應用SystemView的必要性

SystemView動態系統仿真軟件，是一款流行的、優秀的電子設計自動化(EDA)軟件。它能提供各種復雜的模擬、數字、數/模混合、多速率系統，方便地進行各種濾波器的設計和數據信號的分析處理，實現各種線性、非線性系統的設計和仿真[7]。SystemView在界面友好、功能齊全的Windows操作平臺上，給用戶提供了一個嵌入式的模塊化分析引擎，通過直觀、方便、形象的過程構建系統，產生豐富的部件資源。其強大的分析功能和可視化開放設計的體系結構，逐漸受到電子通信工程師的青睞，成為各種電子、通信及其他系統的設計、分析和仿真平臺[8-9]。

如何讓學生對通信系統的傳輸過程展開研究，并將各部分內容融會貫通，形成系統概念，是通信原理課程設計的主要教學目標。SystemView仿真軟件通過提供一個開發、仿真和分析的系統級設計環境，有利于學生盡早從系統角度思考、分析、解決問題，從而更好地理解和掌握課程中的基本概念、原理、分析方法，并應用于實踐[10-12]。

2 基于SystemView的通信原理課程設計方法與步驟

2.1 課程設計方法

通信原理課程設計主要注重系統原理的設計，這一點基于SystemView提供的開放友好的用戶界面，比較容易實現。學生先根據所選課題的系統功能要求，充分理解相關理論知識后，構建系統總框架；然后使用SystemView所提供的基本庫，采用“搭積木”的方式，完成系統模型的模塊化搭建，并根據課題要求研究、分析、細化各模塊的參數設置；接著借助SystemView所提供的示波器、頻譜儀等分析儀器，測試分析各模塊輸入輸出信號(波形)，不斷調整完善系統性能。整個設計過程直觀便捷，無須學習復雜的計算機程序編制；設計結果實時動態呈現，便于系統參數的及時修改，系統方案的比較、選擇、優化。

2.2 課程設計步驟

以DSB調制解調系統的仿真設計為例，說明SystemView在通信原理課程設計中的應用方法、實施步驟和直觀效果。

(1) 原理分析。DSB調制屬于線性調制,理想情況下的DSB調制解調系統框圖如圖1所示[13-15]。由調制信號m(t)和載波cosω0t直接相乘實現調制，已調信號:

sDSB(t)=m(t)·cosω0t

(1)

采用相干法解調，先由已調信號與同頻同相的本地載波相乘:

sDSB(t)·cosω0t=m(t)·cos2ω0t=

(2)

再經過低通濾波器LPF，濾除高頻成分，得

(3)

圖1 理想DSB調制解調系統框圖

一般地，DSB調制解調系統在信道中不可避免會引入噪聲，對比理想情況，系統將增加噪聲n(t)和帶通濾波器BPF部分，對應的系統框圖如圖2所示。

圖2 含噪DSB調制解調系統框圖

(2) 系統模型設計。根據DSB調制解調系統的原理分析，搭建系統仿真模型，理想情況下的DSB調制解調系統仿真模型如圖3所示，主要由信號源、乘法器、濾波器、接收器等基本庫構成。含噪情況下的DSB調制解調系統仿真模型如圖4所示，主要由信號源、噪聲源、乘法器、加法器、濾波器、接收器等基本庫構成。

圖3 理想DSB調制解調系統仿真模型

圖4 含噪DSB調制解調系統仿真模型

其中，設調制信號振幅1 V，頻率100 Hz的正弦波；設載波振幅1 V，頻率10 kHz的正弦波；設噪聲標準偏差Std Deviation=0.3 V，均值Mean=0 V的高斯噪聲。

(3) 系統性能測試。根據DSB調制解調系統的各類信號源的參數設置，進行系統相關仿真參數的設置，具體為采樣頻率100 kHz，采樣點數1 M個，頻率分辨率0.977 Hz，系統循環次數1次等。基于SystemView的交互式可視環境，在系統的各關鍵點設置分析窗口，真實而靈活地檢查系統波形，實時監測系統運行情況。

圖5～8分別為在理想情況下的調制信號、DSB信號、解調信號、DSB信號的頻譜。對比發現，DSB信號很好完成了幅度調制，頻譜分布圖中上邊帶和下邊帶清晰可見；解調信號相比調制信號除了有一些時間上的延遲，其他基本一致。圖9～12分別為在含噪情況下的調制信號、DSB信號、解調信號、DSB信號的頻譜。對比發現，噪聲對DSB信號包絡產生了一些影響，頻譜分布圖中除了上下兩個邊帶外，還有很多小的頻率分量；解調信號相比調制信號除了有一些時間上的延遲外，幅度上也產生了一些變化。

圖5 調制信號(理想情況)

圖6 DSB信號(理想情況)

圖7 解調信號(理想情況)

圖8 DSB信號的頻譜(理想情況)

圖9 調制信號(含噪情況)

圖10 DSB信號(含噪情況)

圖11 解調信號(含噪情況)

圖12 DSB信號的頻譜(含噪情況)

若改變調制信號、載波、噪聲的各種參數，相應的已調信號、解調信號、頻譜都會發生實時改變，限于篇幅，不再一一舉例。

3 結 語

借助軟件強大的可視化功能，學生能直觀體會系統工作流程，各類信號的時頻域波形，噪聲對系統的影響等。基于SystemView軟件，動態調整各類參數，實時分析仿真結果，不斷優化系統功能的設計流程，有效地提高了課程設計的效率，較好地發揮了學生的主觀能動性，促進其對通信系統原理的整體理解和掌握。可喜的是，通信原理理論課程的平均成績較之以往有了明顯的提升，進一步為后續課程和通信相關的實際工作夯實了基礎。同時，在應用SystemView進行不同的系統設計時，如何更好地引導學生不斷提高將理論公式轉換為具體電路，并合理設置采樣頻率等能力，是下一步的研究重點。