基于SystemView的通信原理教學實踐

陳 軍

(定西師范高等?？茖W校 物理與電子工程系，甘肅 定西 743000)

1 引 言

基于交互式視窗環境的通信系統開發、仿真分析軟件SystemView在系統設計、動態分析領域有廣泛的應用. 運用SystemView電子仿真軟件進行電路設計、調試，實現在相應硬件實驗室才可以完成的實驗，克服由于資金有限而導致實驗條件不足的約束[1-2]. 關于運用計算機在理論分析、實驗仿真及開辟現代化實驗室等方面已有研究[3-7]. SystemView具有各種圖形庫及精密、靈活的系統數據、波形分析窗口，可完成復雜系統的設計、測試、分析及對各種通信系統的仿真.

2 系統功能

2.1 組織結構圖設計功能

通過使用子系統對象的無限制分層結構功能便于建立復雜的信號處理系統.

2.2 多種數據采樣率合并輸入系統功能

SystemView允許合并多種數據采樣率輸入的系統，以簡化FIR 濾波器的執行. 這種特性尤其適合于同時具有低頻和高頻部分的通信系統的設計與仿真，在保持局部仿真精度的條件下，有利于提高整個系統的仿真速度. 同時，還可降低對計算機硬件配置的要求.

2.3 SystemView多功能模塊

SystemView的圖符庫提供從DSP、通訊、信號處理、自動控制及構造通用數學模型. 信號源和接收端圖標允許在SystemView內部生成和分析信號，并可提供外部處理的各種文件格式和輸入/輸出數據接口.

2.4 線性系統和多功能濾波設計

SystemView的操作圖符庫包含功能強大、易于使用圖形模板設計模擬和數字以及離散和連續時間系統的環境. 如FIR濾波器設計(包括：低通、帶通、高通、帶阻、Hilbert和微分)、IIR濾波器設計(包括：多極Bessel，Butterworth，Chebyshev和Linear Phase)和FFT類型：magnitude，squared、光譜分析器、能量譜密度和相位.

2.5 信號分析、處理功能

SystemView分析窗口是能夠提供系統波形的交互式分析窗口、動態探針、實時顯示的可視環境. 它還提供完成系統仿真、數據生成并處理操作的接收端計算器.

另外，SystemView允許用戶如同系統內建的庫一樣使用自己用C/C++編寫插入的用戶代碼庫；能自動執行系統連接檢查，并顯示出錯的圖符等特點，便利于用戶系統的診斷.

3 實驗過程的流程及基于SystemView的電路原理模塊的設計流程

實驗過程流程如圖1所示，在教學過程中，結合具體的教學內容，借助于SystemView仿真平臺，根據原理、規律，應用軟件提供的模塊，設計電路，并確定電路中的各模塊器件參量，運用仿真平臺提供的虛擬儀器進行在線動態測量[8-14]，這樣以人機交互的方式，可使每位學生親自動手接觸電路,連接元件,依據電路設計要求更改相應元件參量，從而達到培養學生的設計、創造能力.

圖1 實驗過程流程圖

SystemView電路模塊設計流程如圖2所示，可按照理論要求，方便地調整和修改模塊器件參量,分析各器件參量對系統產生的影響與作用. 這樣將連線、測試、修改、分析、仿真結果的觀察相統一，與理論描述相對照比較，把實驗與理論有機相結合，加深了學生對理論的認識及理解，提高學生邏輯思維能力.

圖2 模塊設計流程圖

4 電路設計與仿真實踐

以“數字基帶傳輸系統[15]”為例進行電路設計及實時仿真.

4.1 電路模型分析

數字信號基帶傳輸系統主要由脈沖形成器、發送濾波器、傳輸信道、接收濾波器和識別等功能電路組成[2,10].

4.2 模型搭建及仿真

啟動SystemView仿真平臺[14]，進入設計窗口. 設計創建實驗電路過程如下：

1)模塊選取

在SystemView原理圖編輯窗口中，從左邊的圖符庫中選擇需要的圖符，將各圖符模塊選取到設計窗口中.

2)實驗電路圖符的連接

將每個圖符依據數字基帶傳輸系統電路原理模型，在設計窗口中連接起來形成如圖3所示仿真電路. 系統仿真電路中各圖符塊的參量設置如表1所示.

圖3 通信仿真電路模型

3)電路文件的保存

電路創建完成后將該電路保存為“TEST”，以便進行調用、測試.

設置SystemView系統視窗并仿真：設置“時間窗”參量：Start Time 0 s；Stop Time 0.5 s；Sample Rate 10 000 Hz. 運行系統之后，進入“分析窗”，進行觀察、分析.

表1 參量設置表

5 仿真結果及分析

眼圖是利用實驗手段方便地估計系統性能時在示波器上觀察到的一種圖形，衡量基帶傳輸系統性能的重要方法，借助于它可以達到有效地改善系統性能.

通過SystemView分析窗“繪制新圖”功能，在 “System Sink Calculator”對話框中的Style 和Time Slice按鈕，設置好“Start Time(sec)”和“Repeat Length(sec)”欄內參量,獲得數字基帶傳輸系統的眼圖. 如圖4所示，在低通濾波器為巴特沃茲濾波器(Fc=60 Hz)條件下，當信道中噪聲方差(Std Dev)為0.1 V時，接收濾波器的輸出波形眼圖與噪聲方差為0.3 V的眼圖分別如圖4(a)和(b)，可以觀察到，“眼睛”張開情況；改變低通濾波器的帶寬，如巴特沃茲濾波器(Fc=30 Hz)條件下，當信道中噪聲方差(Std Dev)為0.1 V時，接收濾波器的輸出波形眼圖與噪聲方差為0.3 V的眼圖分別如圖5(a)和(b)，直觀地觀察出“眼睛”的情況；當信道中噪聲方差(Std Dev)為0.1 V, 巴特沃茲濾波器的信道帶寬不同時，抽樣判決比較后輸出的信號眼圖如圖6(a)和(b)所示. 接收端通過抽樣判決來重現基帶信號，當噪聲過大、低通濾波器的帶寬較窄時，抽樣判決就會產生錯誤，產生誤碼.

通過以上眼圖的觀察研究，明顯地得出:噪聲大小對眼圖的影響，噪聲越小，線條越細，越清晰，“眼睛”張開越大，誤碼率越小. 同時觀察到信道帶寬對眼圖的影響情況，眼皮厚度反映了加入噪聲的幅度和信道帶寬，信道中加入的噪聲干擾越大及信道越窄，眼圖越模糊，越雜亂等這些較抽象的物理現象及使學生深刻理解高斯濾波器、抽樣比較電路的物理功能.

(a)Std Dev=0.1 V

(b)Std Dev=0.3 V 圖4 Fc=60 Hz時，接收濾波器輸出波形的眼圖譜

(a)Std Dev=0.1 V

(b)Std Dev=0.3 V圖5 Fc=30 Hz時，接收濾波器輸出波形的眼圖譜

(a)Fc=30 Hz

(b)Fc=60 Hz圖6 抽樣判決比較后輸出波形信號眼圖譜

6 結束語

依據被研究對象的物理模型,利用仿真技術提供的虛擬實驗環境揭示客觀事物的內在規律，提高了學生學習的興趣，同時提高了物理實驗的開出率，解決實驗場地有限、設備投資欠缺等現實問題. 仿真技術應用于教學提高了課堂教學的效果，使課堂教學內容更充實，現象更生動. 同時，使實驗與理論有機地結合起來加深了學生對理論的認識，培養學生動手、測試、分析、調試的實驗技能，有利于培養學生的科學態度、創新精神和提高了學生的設計能力.

參考文獻：

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