SystemView在通信系統設計實踐教學中的應用

范 燁，徐柳娟

(浙江水利水電?？茖W校，浙江 杭州 310018)

0 引言

通信系統設計實踐教學是通信工程專業、電子信息專業和光信息專業的專業實踐課程，該課程對專業理論基礎要求高，基礎理論抽象性強，給教學帶來很大的困難.在實踐教學環節上，應從創新能力的培養高度出發，要求學生獨立完成實驗內容［1］;這里引入SystemView仿真軟件來輔助通信系統設計實踐教學，可以使抽象的理論形象化.對于學生而言，利用仿真軟件可以給學生提供直觀的形象思維，并能設計許多現有設備無法實現實驗;對于高校教師而言，利用仿真軟件進行備課、教學，可以更好地擴寬教學思路，使上課更加淺顯易懂［2］.學生可以按照理論框圖，自頂而下將系統設計出來，并且具有很大的靈活性;從而增強學生對專業理論知識的理解程度，培養學生對通信系統設計的興趣以及積極性，培養學生的實踐創新能力;為實踐教學的創新改革做出貢獻，提升實踐教學的功效.

1 SystemView通信系統仿真軟件介紹

SystemView仿真軟件是美國ELANIX公司研制的一款動態系統設計、仿真和分析的可視化設計軟件，可用于通信類、電子信息類專業中的仿真、設計和驗證［3］.它由器件庫、信號源、分析模塊構成，軟件含有豐富的庫資源.基本庫包括信號源庫、加法器庫、子系統I/O庫、算子庫、函數庫、乘法器庫、觀察窗庫共8個;此外還包括各種專業庫，包括通信庫、邏輯庫、數字信號處理庫、射頻庫共4個，特別適合通信系統的設計、仿真和驗證［4－6］.利用 SystemView軟件進行通信系統仿真設計，構建簡單，不需要軟件編程，也不需要焊接復雜的硬件電路，也不需要配置相應硬件電路的耗材以及實驗設備.模塊化的設計模式可以讓使用者全面地了解系統組成和每個模塊的功能，實際仿真出的波形跟實際的通信系統也有很好的一致性，使得設計結果更加可靠.

SystemView仿真軟件的通信系統實踐教學應用的優點:

(1)節約投資，全軟件環境，不需要實驗箱等相應設備的投資，也無需硬件焊接、元器件等耗材的開銷.

(2)面向系統級的實踐環境，避免學生將過多的精力放在硬件電路調試上.

(3)基于圖符的仿真軟件，無需復雜的編程語言的學習，不需要寫一句代碼，只需要添加相應模塊以及設置相應模塊的參數，就可以完成一個復雜通信系統的設計、仿真與驗證，性價比高.

(4)靈活性大，可以動態修改相應模塊的參數，從而驗證相應的實踐結果，培養學生的創新能力.

(5)有系統級設計和仿真的功能，可以使實踐驗證型教學模式向設計型教學模式過渡，可以作為畢業設計項目以及創新項目.

2 SystemView通信系統實踐教學應用實例

2.1 通信系統實踐教學應用實例

SystemView為一個操作簡單、內容豐富的先進實踐操作平臺，這里結合實際教學情況，以項目化主導，設計了幾個實踐項目.

(1)雙邊帶調幅項目

通過SystmeWiew所提供的示波器可以分別觀察雙邊帶調幅AM的調制信號波形、載波信號波形、以調信號的波形.

(2)通信系統信號抽樣定理項目

抽樣定理為模擬信號數字化的理論基礎，采用樣頻率需要2倍以上的最高頻率進行采樣從而避免信號失真.項目以低通信號采樣與恢復的實例來驗證抽樣定理.其中輸入模擬信號源為1V、200 Hz的正弦波，分別采用200 Hz、400 Hz、600 Hz三種不同的采樣頻率，可以看出當采樣頻率為200 Hz時，恢復信號存在很大的失真.

(3)PCM脈沖編碼調制項目

PCM是把模擬信號轉換為數字信號的調制方式，通過采樣、量化、編碼三個步驟將模擬信號編碼.其中量化方式采樣非均勻量化，量化前將小信號放大、對大信號壓縮，通常有13折線A律和μ律兩種標準.采用SystemView可以實現PCM編碼中的信號壓縮與擴展過程仿真，可以明顯看出System-View中壓縮器模塊將小信號放大、大信號壓縮;擴張器模塊將大信號壓縮、小信號放大.擴張器模塊還原后的波形和系統輸入波形一致.

(4)數字濾波器設計項目

數字濾波器設計是通信系統設計中不可或缺的組成部分，SystemView算子庫中帶有一個“Linear Sys Filters”圖標，讓學生直接、直觀地操作數字濾波器設計.設計實現IIR、FIR、通信濾波器，學生可以直接從圖形界面設計所需要的幅頻響應曲線，由SystemView自動計算各系數，省去理論計算部分，即可完成數字示波器的設計.

(5)偽隨機序列產生項目

擴頻碼被廣泛地應用于擴頻系統中的信號頻譜擴展，擴頻碼中應用最廣的是偽隨機序列(m序列)，SystemView在系統信號源圖符中為用戶提供了PN碼信號源，學生只需要在輸入端加入時鐘信號，在“參數設置”中設置移位寄存器程度、起始種子，就可以通過示波器直觀的看到m序列輸出.

(6)數字傳輸系統仿真項目

SystemView可以實現 2ASK、2FSK、2PSK、2DPSK、MSK、QAM16、QPSK 等數字傳輸系統的仿真，可以讓學生熟悉數字調制系統的基本結構、特點以及性能.后面會以2ASK、2FSK兩種基礎調制系統的仿真為例，詳細介紹 SystemView的仿真過程.

2.2 2ASK調制系統仿真

二進制幅移鍵控2ASK調制信號為二進制數據，即利用二進制數據“0”或者“1”的基帶信號來控制載波信號的通斷.有載波輸出時表示“1”，無載波輸出時表示“0”.

2ASK調制器的產生方法有兩種，一種是相乘電路法、另外一種是通斷鍵控法［7］.這里采用的是相乘電路法，具體系統實現原理框圖，見圖1.

圖1 2ASK調制原理框圖

2ASK調制器具體在SystemView上仿真電路圖，見圖2.模塊0為信號源，產生一路PN碼脈沖信號，作為基帶信號;模塊1為示波器，可以觀測基帶信號源實際輸出波形;模塊為2為乘法器;模塊為3為信號源，產生一路正弦波，作為載波信號;模塊4為示波器，可以觀察最后輸出的2ASK調制信號.

圖2 2ASK調制器SystemView仿真電路圖

基帶信號為“0”或者“1”PN碼脈沖信號，基帶信號和載波信號相乘，就可以實現2ASK調制波形的輸出.具體仿真波形，見圖3，其中左圖為基帶信號的波形，右圖為2ASK調制器輸出的波形.

圖3 2ASK調制器SystemView仿真波形圖

2.3 2FSK調制系統仿真

二進制頻移鍵控2FSK調制信號為二進制數據，即利用二進制數據“0”或者“1”的基帶信號來控制兩路載波信號的選中.基帶信號為“1”時輸出一路載波信號f1，基帶信號為“0”時輸出另外一路載波信號f2.

2FSK調制器的產生方法有兩種，一種是模擬調頻電路法、另外一種是鍵控法［8］.這里采用的是鍵控法來實現，兩個載波發生器分別產生f1或者f2的載波，調制器按照輸入的二進制基帶信號為“0”或者“1”，通過開關電路來選擇兩個載波信號輸出，使其在一個碼元周期內輸出其中一路載波信號.具體系統實現原理框圖，見圖4.

圖4 2FSK調制原理框圖

2FSK調制器具體在SystemView上仿真電路圖見圖5.模塊0為信號源，產生一路PN碼脈沖信號，作為基帶信號;模塊3為示波器，可以觀測基帶信號源實際輸出波形;模塊1為信號源，產生一路正弦波，作為載波信號f1;模塊2為信號源，產生另外一路正弦波，作為載波信號f2;模塊為5為合路器，將兩路載波信號合路;模塊4為示波器，可以觀察最后輸出的2FSK調制信號.

圖5 2FSK調制器SystemView仿真電路圖

基帶信號為“0”或者“1”PN碼脈沖信號，基帶信號和載波信號相乘，就可以實現2FSK調制波形的輸出.具體仿真波形，見圖6，其中左圖為基帶信號的波形，右圖為2FSK調制器輸出的波形.脈沖信號為“0”時，調制信號輸出的為f1，頻率較低、波形較寬信號;脈沖信號為“1”時，調制信號輸出的為 f2，頻率較高、波形較窄信號.

圖6 2FSK調制器SystemView仿真波形圖

3 結語

綜上所述，通信系統實踐教學中引入仿真技術，是現代教學技術在教學中的具體體現，能夠直觀形象地解決具體理論上的難點.SystemView是一個功能強大的EDA仿真軟件，為通信系統實踐教學提供了一個便捷、有效的實踐教學平臺，培養學生的實踐創新能力，為通信專業自身水平提升做出貢獻，從而適合應用型人才培養的需要.

［1］徐柳娟，趙玉玲.立足電子實踐教學培養高素質人才［J］.浙江水利水電?？茖W校學報，2004，16(1):67－68.

［2］楊啟堯.EWB仿真軟件在電子技術教學中的應用［J］.浙江水利水電?？茖W校學報，2012，24(1):95－97.

［3］任 斌，王朝新，陳 潔.基于SystemView的新型數字帶通調制系統的設計及仿真［J］.科學技術與工程，2011，11(31):7662－7666.

［4］李會勇，鄧 嫻，甘 露，等.利用SystemView平臺加強《通信技術與系統》課程實踐教學［J］.實驗科學與技術，2005(S1):30－32.

［5］楊尚真，王建新，王 斌.數字通信原理的虛擬實驗室系統的設計與實現［J］，計算機工程與科學，2004，26(9):97 －101.

［6］劉 俊.高職院?！稊底滞ㄐ旁怼穼嶒灲虒W的改革與實踐［J］.職業技術教育，2007(8):39 －40.

［7］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.6版.北京:國防工業出版社，2008.

［8］楊旭峰.通信原理［M］.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2010.