基于SystemView的通信原理课程仿真实验教学

陈　军

(定西师范高等专科学校　物理与电子工程系，甘肃　定西　743000)



·计算机科学与实验·

基于SystemView的通信原理课程仿真实验教学

陈军

(定西师范高等专科学校物理与电子工程系，甘肃定西743000)

在通信原理课程实验教学中，以二进制相移键控(2PSK)频带传输系统为例，研究了基于SystemView仿真实验的实验设计、测试结果分析及实验拓展的方法，形象地呈现了该传输系统各关键环节信号的时、频域波形。实践表明，仿真技术改变了通信原理课程实验教学的形式和学生的学习方法，培养了学生主动获取知识、发现问题、创造性地运用所学知识分析解决问题的能力。

通信原理；实验教学；实践；仿真

通信原理是通信、电子信息、计算机网络及相关专业的专业基础课，具有抽象概念较多、理论性很强、知识链宽广、紧密联系实际应用等特点。通信原理实验教学在该课程的教学实践中占有十分重要的地位，有助于学习者获得丰富的感性认识，促进学生深刻地理解其基本概念、原理等，有助于培养学生的操作技能、实事求是的科学态度和研究方法，提高学生理论联系实际和分析解决通信工程中实际问题的应用能力；但由于受实验设备陈旧、经费欠缺、实验场所有限等因素限制，部分硬件实验无法进展，教学效果不佳。伴随现代科技的发展，虚拟现实技术得到了广泛的应用[1-3]。SystemView仿真平台因交互性好、信号分析便捷、计算功能强，具有多种类的库模型，便于实现可视的图形化过程仿真等，在教学领域得到普遍关注[4-8]，特别是在信号分析、通信系统等领域。在实验教学过程中合理地引入SystemView，使学生获得丰富的感性材料，加深对抽象理论知识的理解，促进理论和实践的紧密结合；同时解决了实验经费短缺、场所有限的困难，调动了学生实验实践的积极性与主动性，有利于学生更系统、更全面地掌握通信原理课程的概念和原理，培养了学生主动获取知识、发现问题、创造性地运用所学知识分析解决现实问题的能力。

1　通信原理课程框架

通信原理课程内容由模拟通信系统和数字通信系统两大模块构成，知识框架如图1所示。信号的传输过程可分为基带传输过程和频带传输过程两种形式。通信系统的功能及原理是借助于信号传输过程中各个环节的时频域图形和功率谱图的呈现来表达的，说明对应的电路设计应该达到与之相对应的功能。将承载的有用信号经过各个过程的处理最后保质保量地传送到信宿，是通信原理课程教学中必须让学生掌握的内容。

图1　通信原理内容知识框架

2　基于SystemView仿真实验的流程

图2　仿真实验方法流程框图

基于SystemView仿真实验的方法如图2所示。学生按照实验的目的和要求，通过教师的引导、组织、合作，自主地设计、论证实验方案，确定该实验实现的原理图形，借助于SystemView仿真虚拟现实环境平台，主动构建电路模型，设置实验电路器件参数，调试电路，完善设计方案，分析处理数据，完成实验任务。在教师的组织下，引导学生从实验的目的及要求出发，到实验器件的选择，创设好学生探究的情境；学生自主地思考，提出解决问题的方案，并动手进行实验电路原理设计；在实际操作过程中，同学间交流合作、探索解决问题的方法，获得感性材料，从而达到对知识的主动构建。充分利用SystemView仿真技术的优势，使学生自主地获取该课程的知识，掌握概念、规律、原理，实现了学生由“要我学”到“我要学”的转变；同时使学生变“学”为“做”，改变了其学习方式、学习过程和学习手段，实现以学生为主体的教与学方式的根本转变。利用SystemView动态功能，在实验实践教学过程中使理论知识的讲解与实验现象的展示紧密结合；给学生提供了丰富的感性材料，使其能更加容易地理解和掌握抽象的理论知识、规律，激发了学生对通信原理课程内容的兴趣，激活了学生的主体意识[9-12]，在教学实验实践过程中培养学生的学习能力、动手设计能力和解决问题的能力及创新精神、研究精神，取得了良好的教学效果。

3　基于SystemView的通信原理仿真实验设计实践

3.1绘制原理图

原理图的绘制是仿真实验实践中的重中之重。首先，启动SystemView虚拟工作平台[13]；其次，在工作窗口的设计区域中放置所需要的模块器件，根据实验任务要求设置对应的参数值；最后，合理地布局图符模块并进行正确连线，绘制完成电路图。

3.2设计SystemView 仿真实验实例

以基于SystemView的二进制相移键控频带传输系统实验设计[14-15]为例。

3.2.1实验目的

1)设计二进制相移键控数字通信的系统，并仿真实现其通信功能；

2)调试、设定各个模块的参数(例如码速率、滤波器的截止频率等)值；

3)利用SystemView功能窗口正确地观察、计算并进行波形分析；

4)系统的性能评价；

5)实验拓展与反思，改进电路，提高性能。

3.2.2实验基本任务

在SystemView平台资源中，选取正确的信号器件、算子图符、函数模块、接收器件、运算功能块等，设计二进制相移键控频带传输的应用系统。

3.2.3实验设计

依据实验目的及任务，设计实验方案，建立系统模型如图3所示，根据图3的功能，设计仿真电路的原理图形。实现二进制相移键控条件下频带传输的仿真电路应用系统图如图4所示。

图3　数字信号频带传输系统模型

图4　二进制相移键控频带传输系统仿真电路

3.2.4实验仿真和结果分析

在SystemView虚拟平台中，依据系统性能指标要求，进行以下3个步骤。

1)设置系统时间参数，如“时间窗”参数：StopTime，255.5e-3s；TimeSpacing，500e-6s；No.ofsamples，512；SampleRate，2e+3Hz；FrequencyResolution，3.906 25Hz。

2)进行模块参数赋值。

3)启动软件平台，通过分析窗观察到的仿真结果如图5所示。调制信号和二进制相移键控信号的频域波形如图6所示。

从图5可直观地看出在二进制相移键控频带传输系统中，信号经调制后通过有高斯噪声信道传输、相干解调等过程后波形的变化情况。解调后的信号波形与调制信号的波形基本一致，说明调制信号被正确地解调，但存在一定的时间延迟。

图6为运算接收器功能窗口实现计算得到的频域波形。从图6可观察到，二进制相移键控信号的调制信号频谱结构保持原状，它仅仅是把调制信号的频率谱在频率轴线方向上平移了一个载波频率的量值，频谱高度集中在以载波频率为中心的频率范围内；二进制相移键控信号频带利用率仅为直接传输基带信号的1/2，带宽等于调制信号带宽的2倍。

(a)调制信号波形

(b) 二进制相移键控信号波形

(c) 加有高斯噪声的2PSK信号

(d) 相乘后信号波形

(e) 低通滤波后信号波形

(f) 解调后信号波形图5　二进制相移键控频带传输系统时域波形

(a)调制信号频域波形

(b) 二进制相移键控信号频域波形图6　调制信号和二进制相移键控信号的频域波形

借助于SystemView仿真软件，帮助学生加深对概念、规律等理论知识的理解，促进学生自主地建构知识，而不再是向学生灌输知识，强迫学生接受概念；从而激发了学生探索物理规律的动机，调动了学生学习的积极性，使学生的思维能力和创新能力得以发展，取得了良好的教学效果。

3.2.5实验拓展与反思

学会拓展、变式延伸是创新的重要方法。利用仿真软件，积极引导学生以具体知识为载体，通过联想、判断、推理和综合分析等科学思维方法，归纳现象的本质和规律，找到解决问题的思路，从而培养学生思维的严密性、逻辑性和创造性。

1)突出思想，关注本质：拓展的问题设计有典型性、层次性和综合性，如对比转化原题、数形结合思想，培养学生“透过现象看本质”的能力。教师在教学实践过程中尝试变化命题、条件等，引导学生自主探究、建构知识、理解规律，培养学生的自主学习能力；如在上述实验中，通过修改滤波器的频率、逻辑比较器的比较方式、高斯噪声的强度等参数，让学生体会系统的功能和原理。

2)适度变式，促进发散：变式的目的就是引导学生对物理问题从多方面、多角度进行延伸探究。实验设计有目的、有步骤、由浅入深地引导学生从“变”的物理量及物理条件中，发现“不变”的物理规律这一本质，从“不变”的本质中探索其原理、规律，培养学生的发散性思维，发展其创造力。

3)问题引领，启迪智慧：拓展问题围绕构造二进制相移键控频带传输系统模型展开，精心布疑，灵活设问，激发学生的探究热情，培养学生的思维品质，引导学生掌握研究和解决问题的多元策略，为学生的思维搭建脚手架，让学生自主构建知识。在问题的引领下，学生细致观察仿真结果，启动思维向更深层迈进，能力得到提高。

4　结束语

通过在数字信号频带传输实验中采用软件仿真与理论相结合的方法，调动了学生的积极性与主动性，使其能更系统、更深刻地掌握相关概念和原理。仿真技术使通信原理课程实验教学的形式和内容发生了变革，在教学手段上弥补了传统实验教学的不足，提供了丰富的感性材料，使抽象的物理规律更加形象化；对学生而言，加深了对课程内容的理解，启发和拓宽了思路，锻炼了实践动手能力，取得了显著的教学效果；同时也为学生继续从事相关专业领域的工作与学习打下了良好的基础。

[1]王文婷，赵锦成，谷志锋，等.LabVIEW在《电路分析基础》课程教学中的应用[J].实验科学与技术，2014，12(3)：49-51.

[2]陈军.SystemView在通信原理课程实验教学中的应用研究[J].菏泽学院学报，2015(2)：101-105.

[3]王凡.计算机仿真在《通信原理》实验教学中的应用[J].实验科学与技术，2014，12(4)：68-69.

[4]邹丹.SystemView在现代通信原理课程中的应用[J].华东交通大学学报，2007，24(B12)：51-53.

[5]陈军.基于SystemView的数字基带传输系统模型设计与分析[J].实验室研究与探索，2013，32(10)：98-101.

[6] 任峻，张红燕.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(3)：95-97.

[7]陈军.基于SystemView的通信原理教学实践[J].物理实验，2014，34(8)：20-24.

[8]陈军.基于SystemView的通信原理课程仿真实验教学研究[J].梧州学院学报，2014(6)：79-85.

[9]姜永玲，刘兰芳.激活学生的主体意识 培养学生的自主学习能力[J].中国电化教育，2007(12)：97-98.

[10]陈军.SystemView在通信原理课程实验教学中的应用[J].自动化与仪器仪表，2015(2)：207-209.

[11]陈军.现代教育技术与物理教学的整合——用运"几何画板"辅助、优化物理教学过程[J].喀什师范学院学报，2009，30(3)：88-91.

[12]陈军，于成，魏小石，等.从现代教育技术角度审视MCAI与高中物理教学的整合[J].甘肃高师学报，2010，15(2)：84-87.

[13]孙屹，戴妍峰.SystemView通信仿真开发手册[M].北京：国防工业出版社，2004：100-120.

[14]高西全，丁玉美.数字信号处理[M].3版.西安：西安电子科技大学出版社，2009：130-136.

[15]樊昌信．通信原理[M].5 版.北京：国防工业出版社，2003：151-160．

Simulation Experiment Teaching of the Principle of Communication Course Based on SystemView

CHEN Jun

(DepartmentofPhysicsandElectronicEngineering，DingxiTeachers’College，Dingxi743000，China)

DuringtheexperimentinstructionofthePrincipleofCommunicationcourse，thispapertakestheprocessoffrequency-bandtransmissionsystemofthebinaryphaseshiftkeying(2PSK)astheteachingcase，andinvestigatesthemethodofsimulatingexperimentofPrincipleofCommunicationcourseforexperimentdesign，testinganddevelopmentbasisonSystemViewsoftware.Itcanvividlypresentthewaveoftime-domainandfrequency-domainofvariouskeylinkssignalofthissystem.TheresultofpracticeshowsthatthesimulationtechnologycanreformtheformofPrincipleofCommunicationcourseexperimentinstructionandstudents’learningmethods.Itcancultivatethestudentstotaketheinitiativetoacquireknowledge，tofindanduselearnedknowledgeabilitytocreativelyanalyzeproblemsandsolvepracticeproblems.

principleofcommunication；experimentalinstruction；practice；simulation

2014-12-10；修改日期: 2016-01-04

陈军(1969-)，男，博士，教授，主要从事移动通信与无线通信技术的研究。

TP391.9；G642.423

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.017