SystemView在通信原理課程實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究*

陳 軍

(定西師范高等專科學(xué)校物電系，甘肅 定西743000)

引言

通信原理課程教學(xué)中的實驗大致可分為驗證性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗和研究性實驗．驗證性實驗是指驗證所學(xué)的理論的實驗;綜合性實驗是指實驗內(nèi)容涉及本課程的綜合知識或相關(guān)課程知識的實驗;設(shè)計性實驗是指給定實驗?zāi)康摹⒁蠛蛯嶒灄l件，學(xué)生自己設(shè)計實驗方案并實施的實驗;研究性實驗是指在不知實驗結(jié)果的前提下，學(xué)生自主性地探究、分析、研究得出結(jié)論的實驗．其任務(wù)是使學(xué)生獲得生動的感性認(rèn)識，更好地理解和掌握物理概念和規(guī)律，但由于受經(jīng)費(fèi)和實驗設(shè)施的影響，教師對實驗教學(xué)基本依照課本內(nèi)容，進(jìn)行點評實驗結(jié)論，給學(xué)生灌輸結(jié)論、讓其死記硬背物理現(xiàn)象及規(guī)律，很難發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性思維．

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，它在教育教學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得教學(xué)手段、教學(xué)方法、教材內(nèi)容與形式、課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)、以至教學(xué)思想與教學(xué)理論都發(fā)生了深刻變革［1～2］．它克服了硬件驗證實驗儀器陳舊、場所有限、資金匱乏等制約實驗開展的瓶頸．在通信原理課程實驗教學(xué)中合理引進(jìn)功能強(qiáng)大、交互界面良好的System-View平臺，有利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、分析綜合能力及創(chuàng)新思維能力［3～6］．進(jìn)一步拓展了仿真技術(shù)在通信與電子工程領(lǐng)域教學(xué)中的應(yīng)用．

1 SystemView功能特點

SystemView具有可視化交互界面，運(yùn)算、分析功能強(qiáng)大，庫文件多樣化．其特點包括:

1)具有嵌入式的模塊分析方法，便于復(fù)雜系統(tǒng)的測試．

2)具有功能模塊描述程序的便利性，無需編寫程序代碼即可完成各種系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，便捷地建立和修改系統(tǒng)與調(diào)整參數(shù)．

3)具有現(xiàn)代通信系統(tǒng)設(shè)計、仿真和方案論證的便利性．

4)具有模塊化結(jié)構(gòu)、開放性強(qiáng)、接口靈活，便于和FPGA等對接．

5)具有不同角度、不同方式，按要求設(shè)計多種濾波器及自動完成濾波器幅頻特性傳遞函數(shù)、根軌跡圖等各指標(biāo)之間轉(zhuǎn)換的功能．

2 通信原理課程的內(nèi)容框架

圖1 通信原理課程的內(nèi)容知識框架

通信原理課程的內(nèi)容知識框架如圖1所示．它以講解模擬調(diào)制系統(tǒng)、數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、模擬信號的數(shù)字化、編碼理論的基本原理和基本性質(zhì)為中心內(nèi)容，為研究和設(shè)計新的通信系統(tǒng)、掌握通信系統(tǒng)的發(fā)展方向和具體技術(shù)奠定基礎(chǔ)．

3 仿真實驗流程

實驗教學(xué)的主要目的是要學(xué)生學(xué)會用實驗的方法研究解決問題，培養(yǎng)其綜合能力和創(chuàng)新能力．運(yùn)用SystemView進(jìn)行仿真實驗的方法流程［7～9］，如圖2所示．學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，進(jìn)行思考，提出設(shè)計方案，設(shè)計實驗原理圖，在SystemView環(huán)境中，構(gòu)建系統(tǒng)的電路模型，調(diào)試電路，完善設(shè)計，完成實驗任務(wù)，總結(jié)、拓展實驗［10～12］，讓學(xué)生主動地去尋找系統(tǒng)的物理規(guī)律，由學(xué)生自己設(shè)計一套解決問題的方案，并在實際中操作，同學(xué)間相互交流協(xié)作、探索、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，教師僅是提出一些建議，使學(xué)生置身于一項真實的“任務(wù)”之中，變“學(xué)”為“做”，力圖通過學(xué)生的“做”的主動探究過程以達(dá)到培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神、動手能力和解決問題的能力，充分地利用信息技術(shù)實現(xiàn)對傳統(tǒng)實驗教學(xué)流程的重組和改造，同時也解決因受實驗儀器缺乏的困境．真正實現(xiàn)“自主、合作、探究”的學(xué)習(xí)方式和教學(xué)觀念向“知識與技能的統(tǒng)一”和“教會學(xué)生學(xué)習(xí)”的轉(zhuǎn)變．

圖2 仿真實驗方法流程框圖

這樣使學(xué)生在輕松的氛圍中不知不覺接受知識，在探究知識的過程中激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，建構(gòu)知識體系，培養(yǎng)分析、解釋實際問題的能力．教師引導(dǎo)學(xué)生真正體驗學(xué)習(xí)的三個階段:發(fā)現(xiàn)問題—學(xué)生說:“老師，我不懂．”;解決問題—學(xué)生說:“老師，我懂了．”;獨立思考，提出問題—學(xué)生說:“老師，讓我說!”，積極參與到學(xué)習(xí)的諸多環(huán)節(jié)中，使學(xué)生由原來的“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”，激活了學(xué)生的內(nèi)在動力．

采用SystemView動態(tài)仿真的優(yōu)勢，可以滿足學(xué)生的個別化需求，通過模擬仿真學(xué)生獲得豐富的感知體驗，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，支持和促進(jìn)學(xué)習(xí)者的自主性、反思性、創(chuàng)造性和個性化學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體意識．

在實驗教學(xué)過程中，SystemView彌補(bǔ)了硬件實驗固定、資源有限的缺陷，給學(xué)生提供了更多實踐的機(jī)會，使實驗教學(xué)變得更加形象生動、富有活力，使學(xué)生更深刻地理解通信原理課程的概念、規(guī)律，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，提高學(xué)生分析問題、解決問題和創(chuàng)造性思維能力．

4 SystemView在通信原理實驗中的仿真設(shè)計應(yīng)用

以同相正交(Costas)環(huán)解調(diào)2PSK頻帶傳輸系統(tǒng)［13，14］實驗設(shè)計為實例，過程如下．

4．1 實驗?zāi)康?/h3>

設(shè)計出實現(xiàn)同相正交環(huán)解調(diào)功能的2PSK數(shù)字頻帶通信系統(tǒng);根據(jù)通信原理，設(shè)計出各個模塊的參數(shù);觀察仿真并進(jìn)行波形分析;系統(tǒng)的性能評價;提高設(shè)計能力．

4．2 實驗基本任務(wù)

利用SystemView的資源，選取相關(guān)的信號源、功能塊、算子圖符、函數(shù)庫和信號接收端等［15］．

4．3 實驗設(shè)計

分析實驗要求，確定設(shè)計方案，設(shè)計電路原理圖．如圖3所示，根據(jù)原理圖從SystemView的資源中選取相應(yīng)的圖符器件構(gòu)建仿真電路模型，設(shè)置各圖符器件參數(shù)．

圖3 2PSK頻帶傳輸系統(tǒng)仿真電路

4．4 實驗調(diào)試、仿真

依據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，在SystemView交互視窗，設(shè)置系統(tǒng)的“時間窗”參數(shù):Stop Time:1．540 5 s;No．of samples:102 8;Sample Rate:667 Hz．調(diào)整模塊和設(shè)置其參數(shù)．運(yùn)行仿真系統(tǒng)模型，如圖4～圖7所示，在分析窗口中直觀地觀察到該頻帶傳輸系統(tǒng)的調(diào)制信號、2PSK信號、解調(diào)后恢復(fù)的信號及控制Costas環(huán)鑒相電壓信號等的時域波形圖．由圖4～圖6可直觀地觀察到該系統(tǒng)無失真地恢復(fù)了調(diào)制信號，但解調(diào)后的波形和調(diào)制波形有一定的時延;由圖7觀察到控制VCO的電壓波形在初步建立時有一個穩(wěn)定的過程，調(diào)整壓控振蕩器輸出信號的相位，可最大程度的減小穩(wěn)定相位的誤差．從而學(xué)生可以深刻地理解2PSK信號相干解調(diào)的過程，實際上是輸入已調(diào)信號與本地載波信號進(jìn)行極性比較的過程及Costas環(huán)在相干解調(diào)中的作用等物理知識．

圖4 調(diào)制信號波形

圖5 2PSK信號波形

圖6 解調(diào)后信號波形

圖7 控制VCO的電壓信號波形

4．5 實驗拓展與思考

1)改變高斯噪聲強(qiáng)度，觀察其輸出信號的變化情況，體會噪聲對通信的影響;

2)修改頻率調(diào)制器的頻率，體會同相正交環(huán)相干解調(diào)的基理;

3)修改邏輯比較器的比較方式，觀察其結(jié)果，體會其功能．

5 結(jié)束語

本文研究了SystemView仿真軟件在通信原理課程實驗教學(xué)實踐中的應(yīng)用，實踐證明，在通信原理實驗教學(xué)中，充分利用SystemView平臺，彌補(bǔ)了實驗器材的不足，有利于加強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對調(diào)制、解調(diào)電路的理解，拓展了實驗，從而使教和學(xué)都取得更好的成效．

［1］孫方，蘇仰娜，朱永海．?dāng)?shù)字化教學(xué)資源的設(shè)計新視角:從知識加工到教學(xué)活動支持［J］．現(xiàn)代教育技術(shù)，2013，23(3):50－54．

［2］祝智庭，賀斌，沈德梅．信息化教育中的逆序創(chuàng)新［J］．電化教育研究，2014(3):5－12，50．

［3］梁雪松．SystemView在高職《通信原理》課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］．成都師范學(xué)院學(xué)報，2013，29(7):115－117．

［4］陳軍．基于SystemView的通信原理教學(xué)實踐［J］．物理實驗，2014，34(8):20－24．

［5］張鳴．通信原理仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］．實驗技術(shù)與管理，2013，30(6):54－61．

［6］陳軍，高興明，姜學(xué)杰，等．SystemView仿真技術(shù)與通信原理教學(xué)整合的實踐與探索［J］．喀什師范學(xué)院學(xué)報，2013，34(6):62－64．

［7］丁紅勝，董軍軍，吳平．綜合性設(shè)計性實驗的教學(xué)思路探討［J］．大學(xué)物理，2007，26(5):44－47．

［8］陳軍．基于SystemView的數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)模型設(shè)計與分析［J］．實驗室研究與探索，2013，32(10):98－101．

［9］任峻，張紅燕．運(yùn)用虛擬仿真實驗改革通信原理實驗教學(xué)［J］．實驗技術(shù)與管理，2014，31(3):95－97，104．

［10］陳軍．基于SystemView的4位m序列發(fā)生器數(shù)學(xué)模型的分析及電路設(shè)計［J］．電氣自動化，2015，37(1):40－41，85．

［11］龐姣，王虹，趙璞．SystemView在通信原理實驗教學(xué)中的應(yīng)用［J］．實驗技術(shù)與管理，2011，28(8):267－268，271．

［12］李娜，張威虎，劉文霞，等．基于SystemView的直序擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真研究［J］．延安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009(1):40－43．

［13］許建忠．現(xiàn)代通信原理［M］．上海:上海交通大學(xué)出版社，2008:45－75．

［14］高西全，丁玉美．?dāng)?shù)字信號處理［M］．第3版．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009:110－120．

［15］孫屹，戴妍峰．SystemView通信仿真開發(fā)手冊［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2004:100－126．