基于SystemView的通信原理教学实践

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)

1 引 言

基于交互式视窗环境的通信系统开发、仿真分析软件SystemView在系统设计、动态分析领域有广泛的应用. 运用SystemView电子仿真软件进行电路设计、调试，实现在相应硬件实验室才可以完成的实验，克服由于资金有限而导致实验条件不足的约束[1-2]. 关于运用计算机在理论分析、实验仿真及开辟现代化实验室等方面已有研究[3-7]. SystemView具有各种图形库及精密、灵活的系统数据、波形分析窗口，可完成复杂系统的设计、测试、分析及对各种通信系统的仿真.

2 系统功能

2.1 组织结构图设计功能

通过使用子系统对象的无限制分层结构功能便于建立复杂的信号处理系统.

2.2 多种数据采样率合并输入系统功能

SystemView允许合并多种数据采样率输入的系统，以简化FIR 滤波器的执行. 这种特性尤其适合于同时具有低频和高频部分的通信系统的设计与仿真，在保持局部仿真精度的条件下，有利于提高整个系统的仿真速度. 同时，还可降低对计算机硬件配置的要求.

2.3 SystemView多功能模块

SystemView的图符库提供从DSP、通讯、信号处理、自动控制及构造通用数学模型. 信号源和接收端图标允许在SystemView内部生成和分析信号，并可提供外部处理的各种文件格式和输入/输出数据接口.

2.4 线性系统和多功能滤波设计

SystemView的操作图符库包含功能强大、易于使用图形模板设计模拟和数字以及离散和连续时间系统的环境. 如FIR滤波器设计(包括：低通、带通、高通、带阻、Hilbert和微分)、IIR滤波器设计(包括：多极Bessel，Butterworth，Chebyshev和Linear Phase)和FFT类型：magnitude，squared、光谱分析器、能量谱密度和相位.

2.5 信号分析、处理功能

SystemView分析窗口是能够提供系统波形的交互式分析窗口、动态探针、实时显示的可视环境. 它还提供完成系统仿真、数据生成并处理操作的接收端计算器.

另外，SystemView允许用户如同系统内建的库一样使用自己用C/C++编写插入的用户代码库；能自动执行系统连接检查，并显示出错的图符等特点，便利于用户系统的诊断.

3 实验过程的流程及基于SystemView的电路原理模块的设计流程

实验过程流程如图1所示，在教学过程中，结合具体的教学内容，借助于SystemView仿真平台，根据原理、规律，应用软件提供的模块，设计电路，并确定电路中的各模块器件参量，运用仿真平台提供的虚拟仪器进行在线动态测量[8-14]，这样以人机交互的方式，可使每位学生亲自动手接触电路,连接元件,依据电路设计要求更改相应元件参量，从而达到培养学生的设计、创造能力.

图1 实验过程流程图

SystemView电路模块设计流程如图2所示，可按照理论要求，方便地调整和修改模块器件参量,分析各器件参量对系统产生的影响与作用. 这样将连线、测试、修改、分析、仿真结果的观察相统一，与理论描述相对照比较，把实验与理论有机相结合，加深了学生对理论的认识及理解，提高学生逻辑思维能力.

图2 模块设计流程图

4 电路设计与仿真实践

以“数字基带传输系统[15]”为例进行电路设计及实时仿真.

4.1 电路模型分析

数字信号基带传输系统主要由脉冲形成器、发送滤波器、传输信道、接收滤波器和识别等功能电路组成[2,10].

4.2 模型搭建及仿真

启动SystemView仿真平台[14]，进入设计窗口. 设计创建实验电路过程如下：

1)模块选取

在SystemView原理图编辑窗口中，从左边的图符库中选择需要的图符，将各图符模块选取到设计窗口中.

2)实验电路图符的连接

将每个图符依据数字基带传输系统电路原理模型，在设计窗口中连接起来形成如图3所示仿真电路. 系统仿真电路中各图符块的参量设置如表1所示.

图3 通信仿真电路模型

3)电路文件的保存

电路创建完成后将该电路保存为“TEST”，以便进行调用、测试.

设置SystemView系统视窗并仿真：设置“时间窗”参量：Start Time 0 s；Stop Time 0.5 s；Sample Rate 10 000 Hz. 运行系统之后，进入“分析窗”，进行观察、分析.

表1 参量设置表

5 仿真结果及分析

眼图是利用实验手段方便地估计系统性能时在示波器上观察到的一种图形，衡量基带传输系统性能的重要方法，借助于它可以达到有效地改善系统性能.

通过SystemView分析窗“绘制新图”功能，在 “System Sink Calculator”对话框中的Style 和Time Slice按钮，设置好“Start Time(sec)”和“Repeat Length(sec)”栏内参量,获得数字基带传输系统的眼图. 如图4所示，在低通滤波器为巴特沃兹滤波器(Fc=60 Hz)条件下，当信道中噪声方差(Std Dev)为0.1 V时，接收滤波器的输出波形眼图与噪声方差为0.3 V的眼图分别如图4(a)和(b)，可以观察到，“眼睛”张开情况；改变低通滤波器的带宽，如巴特沃兹滤波器(Fc=30 Hz)条件下，当信道中噪声方差(Std Dev)为0.1 V时，接收滤波器的输出波形眼图与噪声方差为0.3 V的眼图分别如图5(a)和(b)，直观地观察出“眼睛”的情况；当信道中噪声方差(Std Dev)为0.1 V, 巴特沃兹滤波器的信道带宽不同时，抽样判决比较后输出的信号眼图如图6(a)和(b)所示. 接收端通过抽样判决来重现基带信号，当噪声过大、低通滤波器的带宽较窄时，抽样判决就会产生错误，产生误码.

通过以上眼图的观察研究，明显地得出:噪声大小对眼图的影响，噪声越小，线条越细，越清晰，“眼睛”张开越大，误码率越小. 同时观察到信道带宽对眼图的影响情况，眼皮厚度反映了加入噪声的幅度和信道带宽，信道中加入的噪声干扰越大及信道越窄，眼图越模糊，越杂乱等这些较抽象的物理现象及使学生深刻理解高斯滤波器、抽样比较电路的物理功能.

(a)Std Dev=0.1 V

(b)Std Dev=0.3 V 图4 Fc=60 Hz时，接收滤波器输出波形的眼图谱

(a)Std Dev=0.1 V

(b)Std Dev=0.3 V图5 Fc=30 Hz时，接收滤波器输出波形的眼图谱

(a)Fc=30 Hz

(b)Fc=60 Hz图6 抽样判决比较后输出波形信号眼图谱

6 结束语

依据被研究对象的物理模型,利用仿真技术提供的虚拟实验环境揭示客观事物的内在规律，提高了学生学习的兴趣，同时提高了物理实验的开出率，解决实验场地有限、设备投资欠缺等现实问题. 仿真技术应用于教学提高了课堂教学的效果，使课堂教学内容更充实，现象更生动. 同时，使实验与理论有机地结合起来加深了学生对理论的认识，培养学生动手、测试、分析、调试的实验技能，有利于培养学生的科学态度、创新精神和提高了学生的设计能力.

参考文献：

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[10] 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.

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[14] 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.

[15] 樊昌信. 通信原理[M]. 英文版. 北京：电子工业出版社,2010:118-122.