SystemView在数字信号处理课程中的应用

郑海昕 张宝玲

装备指挥技术学院 北京 100416

SystemView在数字信号处理课程中的应用

郑海昕 张宝玲

装备指挥技术学院 北京 100416

本文以数字信号处理课程为应用背景，分析教学过程中对仿真软件的需求，在介绍SystemView仿真软件基本特点的基础上，以“量化位数的分析”为例说明SystemView仿真在教学过程中应用的重要性和必要性。

教学；SystemView；数字信号处理

数字信号处理是随着信息学科和计算机学科高速发展而迅速发展起来的一门新兴学科,它把信号用数字或符号表示的序列,通过计算机或通用信号处理设备,用数字的数值计算方法进行处理,以达到提取有用信息便于应用的目的,是电子类专业的一门重要的专业基础课。

历年的教学经历向我们揭示了这样一个事实，数字信号处理课程的知识体系严密完整,现实意义突出,但是课程内容抽象，不便于学生理解、掌握和灵活应用,如何使学生在有限的时间内掌握课程重点内容、理解并拓展至实际应用是每一位老师在教学过程中需要重点考虑的问题。多种教学手段的使用使得教学过程更加符合学生的认知规律,进而提高教学质量。

将SystemView、Matlab以及LabWindows/CVI等软件引入到数字信号处理课程的教学中,老师通过仿真软件将课本上抽象的理论知识转变成为贴近学生实际认知水平的实际现象，建立了理论和实际之间的一个桥梁,有助于学生快速准确地掌握知识；从另一个方面看,学生课后通过仿真软件的使用,也可以激发其学习兴趣,利用仿真软件验证自身的各种想法,这是对所学知识的一个内化过程,有助于学生科研能力的培养。

一、SystemView简介

随着EDA技术的发展，越来越多的EDA软件出现在市面上，其中，SystemView是美国ELANIX公司推出的，基于Windows环境下运行的用于系统仿真分析的可视化软件工具，用户只需使用鼠标点击图标，无需编程即可完成复杂系统的建模、设计和测试。SystemView提供了用于系统建模的基本模块，用户根据所要设计的系统，从图符库中选择合适的图符并设置好参数，完成图符间的连线后运行仿真操作，系统的仿真分析结果以时域波形、眼图、功率谱、星座图和各类曲线形式出现。利用SystemView，可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合系统和各种多速率系统，实现系统设计过程中的信号级仿真功能。

二、教学实例

数字信号处理被列为许多专业的必修课程，但由于这门学科的抽象性，课程一直处于教学两难的境地，主要是因为：本课程对数学基础要求高，公式和推导很多，课堂上大量的算法推导往往会使学生们即便是能够接受推导过程,记住结论,但是忽视甚至根本没有意识到公式中所蕴含的物理意义是什么,在实际工程中如何去用等问题。课程理工科教学的最终目的在于理解和应用,只有让抽象的理论转变为适于学生理解并接受和使用的形式才能真正达到教学目的。本文以数字信号处理的第一个环节,魔术转换中的量化位数的选取为例介绍SystemView在课程教学中的应用。

1.教材中的理论基础

在大多数数字信号处理教材中关于量化位数的选取问题都有如下的说法：无论量化器采用的是“舍入法”还是“截断法”对采样值进行量化，量化后的信号总是包含着两部分，信号部分和由于量化所引入的量化噪声e(t)。根据信噪比的含义，定义输入信号与由于量化的原因引入的量化噪声的功率之比为量化信噪比：

教学的过程要求老师尊重教材，同时也应当超越教材。就上述论题在教学的过程中提示学生应当注意上述结论中存在的适用条件，上述结论的获得是在一种假设前提下得到的，那就是ADC的输入是一个满量程的纯正弦信号，在此条件下它恰当地描述出ADC器件本身的性能特点。但是，实际系统中ADC的输入信号均为具有一定信噪比的相对复杂信号，对于这样含有噪声的信号，尤其是极低信噪比的信号的量化分析是否能直接利用这样的结论是非常值得探讨的。于是，引导学生思考针对实际情况，应当如何分析量化位数的大小对信号的影响。经过学生课后分组查阅资料和认真思考，主要形成两种分析方法：分离量化法和叠加量化法。

2.分离量化法仿真

这是一种对信号量化过程最为直观理解：信号叠加了噪声信号。对于该具有一定信噪比信号的量化位数的选取，依据是将信号和噪声分开来考虑，将量化器对输入含有加性噪声的量化过程分解为量化器分别对信号和噪声的量化，重点考虑了量化器对有用信号的影响，所以选取的量化位数应使得信号能够落入最小量化电平，即信号一定能够被量化。

为了验证自己的想法，学生们建立如图1所示的仿真系统。其中，图符0为有用信号，图符1为标准方差高斯白噪声，图符2和3为两个完全相同的量化器，图符5～9为各个模块的图形分析工具。设置信号幅度为峰峰值1/16的20Hz正弦信号，使得信号和噪声叠加后的信噪比为-24dB，将信号和噪声同时显示在一个图形分析窗，如图2所示。

图1 分离量化分析法SystemView仿真模型

图2 分离量化分析法中的弱信号和强噪声

取量化器的量化位数为4bit，因此，一个量化间隔为1/24，即1/16。对于信号的量化而言，由于输入量化器的信号幅度低于一个量化间隔，所以信号的量化结果为零，从而在量化后叠加信号频谱中不存在信号分量，如图3所示。

图3 4bit分离量化分析法仿真结果

当量化器的量化位数取为5bit，此时，一个量化间隔为1/25，即1/32。输入量化器的信号幅度高于一个量化间隔，可以被量化上，量化后叠加信号频谱中存在信号分量，如图4所示。

图4 5bit分离量化分析法仿真结果

可以想象，随着量化位数的逐渐增大，量化后的有用信号分量越来越强，分离量化法的仿真结果似乎完全符合教材中所得到的结论。然而，这种分析方法存在明显的缺陷。虽然输入量化器的信号是一个含有加性噪声的信号，但是量化的过程是一个非线性的过程，在输出端不能简单地认为输出是信号和噪声各自量化后的总和。分离量化分析法是基于线性系统理论的分析方法，不能完全描述非线性系统的特性。

3.叠加量化法仿真

叠加量化分析法将含有加性噪声的信号直接作为量化器的输入，量化过程信号和噪声的影响由量化后的混合信号中是否存在信号分量为表征，建立的仿真模型如图5所示，其中，图符10为有用信号，图符11为标准方差高斯白噪声，图符12为量化器，图符15～17为各个模块的图形分析工具。

图5 叠加量化分析法SystemView仿真模型

同分离量化分析时输入的信号和噪声相同，量化器设置为4bit，叠加后信号量化输出的功率谱如图6所示，显然在量化输出频谱中含有信号分量。

图6 4bit叠加量化输出功率谱

分离量化分析时认为，由于信噪比低使得有用信号无法被量化，但是，同等条件下采用叠加量化分析却明显地在叠加后的信号量化结果中存在有信号。分析其中的原因在于，虽然单独的有用信号很弱，幅度不足一个量化电平，但是经过同强噪声的叠加后，信号的幅度变化被加载在噪声的幅度上，超出了一个量化电平，从而弱信号被量化上，这才是符合真实情况的分析法。

4.后续的讨论

经过这样的专题研究，极大地调动了学生们的积极性，他们踊跃地发表自己对该问题的看法，不断尝试着将自己的想法用仿真软件来实现。主要有如下几个方面的问题：

(1)教材中的理论分析是以满量程的纯正弦信号作为输入的，所得到的结论是否适用于其他形式的信号量化？

针对这个问题，老师指导学生在叠加量化分析模型中，尝试更换不同种类的信号，对量化后的信号进行时域和频域两方面的分析，自己得出相应的结论，并与同学进行讨论。

(2)教材中的理论分析是错误的吗？

针对这个问题，老师首先肯定了学生的怀疑精神，同时鼓励他们用自己的智慧去解答这个问题，指导他们在正确的模型下，通过改变叠加入信号中的噪声功率，来观测量化后信号的变化，自己总结结论。

(3)如果教材中的理论分析没有错，什么时候可以用教材上的结论？

三、结束语

在理工类的课程教学过程中借助仿真软件的帮助,无疑可以使抽象的内容变得生动起来,使学生能够用眼睛感受到理论,老师可以在课堂上演示更多的典型实例,增加学生的学习兴趣。但是我们认为,仿真软件在专业课程的应用不应当是课本知识的简单复现,而应当是一种有针对性的,以提高学生综合能力为根本目的的有机融合。本文仅仅使用了SystemView中很小的一部分功能，与之相类似的仿真软件还有很多,例如matlab,LabWindows/CVI等,每一种软件都具有自身的特点,结合课程特点合理地、有针对性地应用在课程教学中,一定能够提高学生的学习科研能力。

[1]罗卫兵，孙桦，张捷.SystemView 动态系统分析及通信系统仿真设计[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2001

[2]周润景，张斐.数字信号处理的SystemView设计与分析[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008

Abstract: Based on the digital signal processing course teaching analysis the requirement of simulation software in teaching. The feature of SystemView software is introduced conceptually. Discussion of quantization bit length as an example to show that simulation with SystemView is important and necessary.

Key words: teaching；SystemView；digital signal processing

Applications of system view software in digital signal processing teaching

Zheng Haixin, Zhang Baoling
The academy of equipment command technology，Beijing，101416，China

2009-08-12

郑海昕,硕士,讲师。张宝玲,硕士,副教授。