基于SystemView的通信原理课程设计的改革与探索

胡 之 惠

(上海电机学院 电子信息学院，上海 201306)

0 引 言

通信原理是电子、通信类专业的核心课程，在专业课程体系设置中起到承上启下的作用，但其对数学基础要求较高，原理概念较为抽象，容易使学生无法透彻理解其理论知识及应用方向。通信原理课程设计是通信原理的后续实践教学环节，理论课程的有效延伸，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之一[1-2]。它有助于学生综合运用所学知识，初步掌握通信的系统设计和分析方法，进而将理论和实践、原理和应用紧密结合，更好地梳理和掌握通信原理的知识体系结构；并逐步锻炼学生的系统思维，动手能力和创新能力。

传统的通信原理课程设计以连接硬件电路为基本方法，采用分立元件或固定模块的硬件实验箱来实现电路设计[3-6]。这类方法教学成本较高，损耗较大，实验精度不高，内容覆盖范围较小、更新相对困难，在实验建设经费投入有限，专业科目不断增多，课时不断压缩的教学现状下，难以有效实现对学生综合实践能力的培养。本文将SystemView列入到通信原理课程设计中,根据不同的课题要求,开展便捷的模块化设计,丰富了课程设计的内容,又突出了系统设计思维。

1 通信原理课程设计中应用SystemView的必要性

SystemView动态系统仿真软件，是一款流行的、优秀的电子设计自动化(EDA)软件。它能提供各种复杂的模拟、数字、数/模混合、多速率系统，方便地进行各种滤波器的设计和数据信号的分析处理，实现各种线性、非线性系统的设计和仿真[7]。SystemView在界面友好、功能齐全的Windows操作平台上，给用户提供了一个嵌入式的模块化分析引擎，通过直观、方便、形象的过程构建系统，产生丰富的部件资源。其强大的分析功能和可视化开放设计的体系结构，逐渐受到电子通信工程师的青睐，成为各种电子、通信及其他系统的设计、分析和仿真平台[8-9]。

如何让学生对通信系统的传输过程展开研究，并将各部分内容融会贯通，形成系统概念，是通信原理课程设计的主要教学目标。SystemView仿真软件通过提供一个开发、仿真和分析的系统级设计环境，有利于学生尽早从系统角度思考、分析、解决问题，从而更好地理解和掌握课程中的基本概念、原理、分析方法，并应用于实践[10-12]。

2 基于SystemView的通信原理课程设计方法与步骤

2.1 课程设计方法

通信原理课程设计主要注重系统原理的设计，这一点基于SystemView提供的开放友好的用户界面，比较容易实现。学生先根据所选课题的系统功能要求，充分理解相关理论知识后，构建系统总框架；然后使用SystemView所提供的基本库，采用“搭积木”的方式，完成系统模型的模块化搭建，并根据课题要求研究、分析、细化各模块的参数设置；接着借助SystemView所提供的示波器、频谱仪等分析仪器，测试分析各模块输入输出信号(波形)，不断调整完善系统性能。整个设计过程直观便捷，无须学习复杂的计算机程序编制；设计结果实时动态呈现，便于系统参数的及时修改，系统方案的比较、选择、优化。

2.2 课程设计步骤

以DSB调制解调系统的仿真设计为例，说明SystemView在通信原理课程设计中的应用方法、实施步骤和直观效果。

(1) 原理分析。DSB调制属于线性调制,理想情况下的DSB调制解调系统框图如图1所示[13-15]。由调制信号m(t)和载波cosω0t直接相乘实现调制，已调信号:

sDSB(t)=m(t)·cosω0t

(1)

采用相干法解调，先由已调信号与同频同相的本地载波相乘:

sDSB(t)·cosω0t=m(t)·cos2ω0t=

(2)

再经过低通滤波器LPF，滤除高频成分，得

(3)

图1 理想DSB调制解调系统框图

一般地，DSB调制解调系统在信道中不可避免会引入噪声，对比理想情况，系统将增加噪声n(t)和带通滤波器BPF部分，对应的系统框图如图2所示。

图2 含噪DSB调制解调系统框图

(2) 系统模型设计。根据DSB调制解调系统的原理分析，搭建系统仿真模型，理想情况下的DSB调制解调系统仿真模型如图3所示，主要由信号源、乘法器、滤波器、接收器等基本库构成。含噪情况下的DSB调制解调系统仿真模型如图4所示，主要由信号源、噪声源、乘法器、加法器、滤波器、接收器等基本库构成。

图3 理想DSB调制解调系统仿真模型

图4 含噪DSB调制解调系统仿真模型

其中，设调制信号振幅1 V，频率100 Hz的正弦波；设载波振幅1 V，频率10 kHz的正弦波；设噪声标准偏差Std Deviation=0.3 V，均值Mean=0 V的高斯噪声。

(3) 系统性能测试。根据DSB调制解调系统的各类信号源的参数设置，进行系统相关仿真参数的设置，具体为采样频率100 kHz，采样点数1 M个，频率分辨率0.977 Hz，系统循环次数1次等。基于SystemView的交互式可视环境，在系统的各关键点设置分析窗口，真实而灵活地检查系统波形，实时监测系统运行情况。

图5～8分别为在理想情况下的调制信号、DSB信号、解调信号、DSB信号的频谱。对比发现，DSB信号很好完成了幅度调制，频谱分布图中上边带和下边带清晰可见；解调信号相比调制信号除了有一些时间上的延迟，其他基本一致。图9～12分别为在含噪情况下的调制信号、DSB信号、解调信号、DSB信号的频谱。对比发现，噪声对DSB信号包络产生了一些影响，频谱分布图中除了上下两个边带外，还有很多小的频率分量；解调信号相比调制信号除了有一些时间上的延迟外，幅度上也产生了一些变化。

图5 调制信号(理想情况)

图6 DSB信号(理想情况)

图7 解调信号(理想情况)

图8 DSB信号的频谱(理想情况)

图9 调制信号(含噪情况)

图10 DSB信号(含噪情况)

图11 解调信号(含噪情况)

图12 DSB信号的频谱(含噪情况)

若改变调制信号、载波、噪声的各种参数，相应的已调信号、解调信号、频谱都会发生实时改变，限于篇幅，不再一一举例。

3 结 语

借助软件强大的可视化功能，学生能直观体会系统工作流程，各类信号的时频域波形，噪声对系统的影响等。基于SystemView软件，动态调整各类参数，实时分析仿真结果，不断优化系统功能的设计流程，有效地提高了课程设计的效率，较好地发挥了学生的主观能动性，促进其对通信系统原理的整体理解和掌握。可喜的是，通信原理理论课程的平均成绩较之以往有了明显的提升，进一步为后续课程和通信相关的实际工作夯实了基础。同时，在应用SystemView进行不同的系统设计时，如何更好地引导学生不断提高将理论公式转换为具体电路，并合理设置采样频率等能力，是下一步的研究重点。