基于SystemView仿真的模数信号混合传输综合实验设计

卢晓轩　李莉

【摘要】针对通信工程专业本科《通信原理》实验课程设计的现状，提出一个以学生自主设计，注重综合性为指导思想的基于SystemView仿真的模数信号混合传输综合实验设计方案，并且完成了一个实验方案设计及其SystemView实验仿真系统的示例及仿真结果分析。

【关键词】通信原理 实验方案 模数混合 自主设计

【基金项目】中国石油大学（华东）精品实验建设项目（项目编号：JS20141）：基于真实体验的模、数信号混合传输综合实验。

【中图分类号】TP393.09 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）01-0226-02

《通信原理》是通信工程专业的核心专业基础课程，也是电子信息专业重要的专业基础课程，学生对于该课程中概念和通信理论的掌握程度直接影响后续专业课程学习效果。该课程的主要特点是数学推导多、理论分析多，通信原理实验是让学生透彻理解复杂的通信理论并学以致用的有效手段，因此通信原理实验在通信原理教学环节中起着举足轻重的作用。

本课程主要讲述模拟通信理论和数字通信理论，而两块理论的结合是学生最难理解接受的难点，也是本课程的重点之一，目前国内高校的相关实验有的仅仅围绕模拟通信理论进行设置，如AM实验[1]、DSB实验[2]，有的仅仅围绕数字通信理论进行设置，如PSK实验[3]，FSK实验[4]，16QAM实验[5]，有的围绕模拟信号数字化进行设置，比如PCM实验[6-7]，而对于模拟信号和数字信号混合传输却少有实验涉及。模数信号混合传输是指一个模拟信源和一个数字信源所发出的信号复用同一信道传输后，分别到达相对应的信宿，这是现实世界中经常用到的通信场景，相关理论对于初学者来说也是一个难点。

因此本文提出在《通信原理》课程的实验教学中，要求学生设计并仿真实现一个具有综合性、设计性的模数信号混合传输系统的实验教学思路。由于该实验方案涵盖模拟通信理论和数字通信理论的绝大多数内容，还涉及信道复用技术及信道编码技术，主要目的是在帮助学生理解以上难点的基础上，促进学生建立起通信系统的概念、深入理解并综合运用所学过的通信相关知识、培养学生的综合能力、创新设计能力和实践能力。

1.模数信号混合传输综合实验方案设计

为了在实验教学中启发学生的设计思路，本文设计了一个基本的模数信号混合传输综合实验方案的示例，其原理框图如图1所示。

由模拟信号源输出的模拟信号输入PCM编码模块，完成PCM编码后变成数字信号输出后和数字信号源的输入一起输入到数字复接模块完成数字信号的复接，复接后的混合信号，经过数字调制后送入信道。到达接收端后，经过数字解调模块完成解调后的复合信号经过解复用模块，完成信号分离，分别送到数字信宿和PCM解码模块，由PCM解码模块完成D/A转化后还原成原来的模拟信号送给模拟信宿，因此在同一信道中实现了模拟信号和数字信号的混合传输。

在实验教学中，每个学生都可以在以上实验方案示例的启发下，根据自己的设想，任意设计一个模数信号混合传输的实验系统，如可以实现多路数字信号和模拟信号的复用和混合传输，根据需要选择不同调制方式和复用方式等。

2.基于SystemView的仿真实验系统设计及分析

systemView 是ELANIX公司推出的信号级动态系统设计、模拟和分析软件，其特点是功能强大、用途广泛[6]。SystemView提供了大量的功能块、信号源、接收端、算子图符和函数库，使用者往往只需要通过功能模块的连接以及参数设置，就可以完成通信系统的搭建，这样就把使用者的精力从编程和电路设计上解放出来，而专注于项目思想的设计与实现。学生应用该仿真工具可以较快上手、较方便地验证自己设计的通信系统性能，教学实践也证明，SystemView是很受学生欢迎的仿真实验工具。因此，本实验也要求学生采用SystemView进行模数混合传输实验的仿真系统设计和实现。

2.1仿真系统设计

图2所示的是根据图1所示的实验方案，采用SystemView搭建的仿真系统。基本功能模块如下：

噪声源2的输出信号经过低通滤波器2后的得到模拟信号，作为模拟信号源的输出。该模拟信号经过A/D转换模块3后完成PCM编码。得到的数字信号输入到数字复用器6的输入端，与数字信号源4发出的数字信号一起由数字复用器6实现同步的数字复接。复用后的信号由数字调制模块8实现2DPSK的数字调制后送到信道中，在信道中加载上高斯白噪声。到接收端到通过带通滤波器后在数字解调模块11完成2DPSK的数字解调，通过延迟器12后，送入到数字解复用器13。完成数字解复用的信号，一路直接送给数字信宿；一路通过D/A转换模块14完成PCM编码解调后恢复为原来的模拟信号，送给模拟信宿。

在该仿真系统中的A/D转换模块3、D/A转换模块14、2DPSK调制模块、2DPSK解调模块都需要自行设计，具体细节不再一一赘述。

本示例中的系统参数设计如下：低通滤波器2的截止频率为15Hz，PCM编码是抽样频率为50 Hz，每个抽样脉冲编为4位二进制码元，因此A/D转换后数字码元的速率为200bit/s，数字信源发送速率也是200bit/s。复用后速率为400bit/s。2DPSK调制时，载波频率为4000 Hz。延迟器（模块12）的延迟时间为2.5ms，即复用的一个码元时间长度。

2.2仿真结果分析

在实验中，学生可在搭建的仿真系统中观察传输的模拟信号和数字信号的波形，考查信号的传输质量，从而评估设计的系统的性能。

图3所示的是图2所示的仿真系统中的部分收发信号的波形图。

由仿真结果可见，模拟信号传输后波形几乎无失真，表明设计的模数混合系统的可靠性较高。

3.总结

本文针对《通信原理》课程的难点和目前实验课设置存在的问题，提出一个以学生自主设计，注重综合性为指导思想的基于SystemView仿真的模数信号混合传输综合实验设计方案，并且给出了一个实验方案设计、SystemView实验仿真系统的示例及仿真结果分析。该方案能在实现帮助学生深入理解和运用模拟通信和数字通信理论的基础上理解和实现模数混合传输的基本目标的前提下，有效的提高学生的学习兴趣，培养学生的综合设计能力和自主学习的意识；也体现了差异化、层次化的教学理念，对促进学生完成知识的内化和追求个人发展的最大化是极为有利的。

参考文献：

[1]李杏.基于SystemView的AM超外差收音机的仿真设计与分析[J].电子设计工程.2015（10）：18-19.

[2]沈超，田伟，等.基于多实验平台的通信原理实验课程的改革与探索[J].科技文汇.2014（291）：69-70.

[3]陈军.SystemView在通信原理课程实验教学中的应用[J].自动化仪器仪表. 2015（2）：207-208.

[4]任峻，张红燕，等.运用虚拟仿真实验改革通信原理实验教学 [J].实验技术与管理.2014（31）：96-67.

[5]谢慧，张志刚，聂峰，等.基于SystemView的通信原理实验教学体系[J].实验技术与管理.2012（2）：136-137.

[6]陈木生，林顺达，朱志攀，等.SystemView在《通信原理》实验课程中的应用[J].实验科学与技术.2011（6）：41-42.

[7]刘开健，张海波，吴光敏，等.基于SystemView的PCM通信系统仿真[J].石油仪器.2007（5）：72-74.

作者简介：

卢晓轩（1971-），男，副教授，主要研究方向为智能电网、下一代网络。

李莉（1976-），女，讲师，研究方向为计算机网络与通信技术、低压电力线载波通信技术。