SystemView在“通信技术基础”教学中的应用

胡美娇

(福建商学院 信息管理工程系，福建 福州 350012)



SystemView在“通信技术基础”教学中的应用

胡美娇

(福建商学院 信息管理工程系，福建 福州 350012)

在SystemView软件环境中对模拟信号的幅度调制与解调系统进行动态仿真和分析。通过改变参数增益A的大小、观察和分析已调信号的波形与功率谱的变化情况，说明模拟幅度调制系统的工作原理以及几种调幅的区别。针对相同实例，比较和总结不同教学形式的教学效果，结果表明将这种可视化动态仿真软件作为通信技术基础课程的教学辅助手段，可以较大程度地提高课程教学效果。

通信技术；SystemView；幅度调制；教学反思

《通信技术基础》是高职高专院校通信技术相关专业的核心专业基础课，前导课程为通信电子技术基础、通信概论，后续课程为GSM移动通信技术、IP网络通信技术等，它在课程体系中起到承前启后的作用。该课程具有理论性强、系统性强、抽象概念多、数学分析多等特点，学生学习起来相对困难。为了让学生能够更好地掌握该门专业基础课，切实地实施应用型人才培养方案，该课程加入适量的实践内容以辅助教学。但传统的通信实验设备存在较多问题：1.采用电子元器件及技术较为落后，对基础教育不利，无法培养与时俱进的学生以适应日新月异的技术革新潮流，使得教学跟不上通信技术的发展；2.实验的系统性、综合性、灵活性较差，难以切实提高学生自主分析、解决问题的能力，不利于学生综合素质的培养；3.由于设备数量有限，不得不采取分组实验，实验过程中很难保证每位学生真正参与其中；4.由于学生操作不当，常会引起硬件设备和元器件的损坏，大大提高实验成本，造成资源浪费。因此，采用一种性价比较高、灵活性较大的通信仿真技术作为教学辅助，显得尤为必要[1-4]。

一、SystemView与其他实验手段的比较

目前，可用于通信技术基础实验的仿真软件主要包括三种：LabVIEW、MATLAB和SystemView。

(一) LabVIEW

LabVIEW是美国国家仪器NI公司研发的虚拟仪器开发平台软件，使用图形化编辑语言G编写程序，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，易学易用。该软件提供很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件，可方便地创建用户界面。然而，它并不是非常适用于通信领域的仿真软件。虽然能提供较直观的演示效果，但是基本安装的LabVIEW中可利用的通信仿真的工具不多。只有另外安装信号处理与分析工具，才能获得一些有助于通信系统建模仿真的控件工具[5-6]。

(二)MATLAB

MATLAB是一款专门用于算法开发、数据分析、工程计算以及系统仿真的数学软件。使用该软件进行通信实验仿真时，需要预先将通信系统抽象为某个合适的数学模型，再进行通信仿真程序编写。缺少通信系统框图形式的图形显示和动态的仿真演示，使其直观性不甚理想。由于增加代码编写任务，提高学习难度，从而影响学生专业课程的学习热情[7-8]。MATLAB中Simulink的通信部分，几乎把常用的调制技术都封装成具体的模块，这对于开发人员来说很实用。对于学生来说，相当于一个黑匣子，实验模型不够形象具体，实验原理不够清晰明白，不能较好地辅助学习[9]。

(三)SystemView

SystemView是一个可视化的信号级的系统仿真分析软件，使用图符(Token)描述系统，无需编写程序代码即可完成各种系统的设计与仿真，能够快速建立和修改系统、访问与调整参数，方便加入注释。

SystemView具有丰富的器件库资源，常规器件几乎全有，非常规器件可以用系统提供的MetaSystem功能，将若干个常规器件组建成一个子系统。因此，特别适合于现代通信系统的设计、仿真和方案论证，尤其适合于无线电话、调制解调器、卫星通讯等通信系统。该软件能自动执行系统连接检查，给出连接错误或悬空端的信息，提示用户连接出错，并指出出错的图标。这个自动检错功能对学生进行用户系统的诊断十分有效[10]。

在系统设计和仿真分析方面，SystemView还提供了一个真实而灵活的分析窗口用以检查、分析系统波形。另外，分析窗中还带有一个功能强大的“接收计算器”，可以完成对仿真运行结果的各种运算、谱分析、滤波。

在SystemView软件中建立的通信系统与实际的硬件系统具有良好的对应关系，所以对系统使用者认识和把握硬件系统具有很好的帮助作用。制作一个真正的硬件系统，需要消耗高昂的时间成本、元器件成本、仪器设备成本和实验场地成本，SystemView大大节约了这些成本，充分体现出它的价值。

二、SystemView实验仿真步骤

1.确立系统的数学模型。根据系统的工作原理，确定系统的总体功能，将系统的各部分功能模块化，找出各个模块之间的关系，设计并绘制系统框图。

2.选取图符搭建仿真系统。在基本库和专业库中选择合适的图符模块，按设计的系统框图，在设计窗口中组建仿真系统。

3.设置仿真系统参数。依据系统性能指标要求，设置和调整系统时间参数及功能模块运行参数。

4.运行仿真系统。借助于实时显示窗口、分析窗口、动态探针、接收计算器，观察分析结果。

启发学生根据以上步骤，设计并搭建仿真系统，利用SystemView提供的分析窗及计算功能进行动态测量、分析，使每个学生都能动手设置和调整元器件参数，测试并分析元器件参数对电路功能的影响，观察实验现象。让学生将实验结果与理论结果进行对比。这样，把实验模拟与理论有机地结合起来，加深了学生对理论知识的理解，使学生既掌握了课程内容，又培养了科学态度、创新精神和综合设计能力[11]。

三、基于SystemView的通信系统仿真实例

模拟通信是数字通信的基础，模拟通信系统是通信技术基础的教学重点。模拟通信一般包括幅度调制(包括AM、DSB、SSB、VSB)和角度调制(包括FM和PM)。

(一)模拟通信系统模型

模拟通信系统主要由信息源、调制器、信道、解调器和受信者组成，由于在信道传输过程中会引入噪声，所以在模型中加入噪声源。调制过程中需要高频载波，解调过程需要与调制过程同频同相的载波，如图1所示。

(二)仿真模型的搭建与运行

以模拟通信系统中的AM调制解调电路的设计、仿真与分析为例，进行演示介绍，从系统的角度加深学生对相应知识点的理解，并建立起系统的架构。

图1 模拟通信系统模型

Fig.1 Analog communication system model

AM(Amplitude Modulation)又称为常规双边带调制，AM中的调制信号必须包含一定的直流分量。根据基带信号和叠加直流信号大小关系不同，又可分为：正常调幅、满调幅和过调幅。将通过改变增益参数的大小，来介绍这几种调幅的区别，让学生真正理解这个知识点。

按照前面介绍的实验仿真步骤，在SystemView的设计窗口中搭建AM调制解调系统仿真模型，如图2所示。

图2 AM调制解调系统仿真模型

Fig.2 Simulation model of AM modulation and demodulation system

搭建好模型后，运行仿真参数设置：调制信号振幅为1V，频率为50Hz，载波的频率为1000Hz，噪声源采用标准差为0.1V的高斯噪声，增益A取值依次为2、1、0.5、0，低通接收滤波器LPF设计为3个极点的Butterworth滤波器，截止频率为50Hz。

启动SystemView系统视窗，设置“时间窗”参数：运行时间为0.05s；采样速率为20000Hz。

检查仿真电路组成参数设计无误后，改变增益A的取值，单击运行按钮，运行仿真模型。运算结束后，点击“分析窗”按钮进入分析窗口，对各个模块的输出信号波形和功率谱及进行相应的观察分析。接收器8、9、10、11分别显示的是载波信号、调制信号、已调信号、解调信号。

(三)运行结果的分析与比较

实验采用的是单一正弦信号m(t)=cosΩt作为调制波，AM信号的表达式可以写作：S1=[A+m(t)]cosωct，公式推导过程如图2所示(推导过程忽略噪声的影响)。

将m(t)代入上式可得：

S1=[A+cosΩt]cosωct=Acosωct+1/2[cos(ωc+Ω)t+cos(ωc-Ω)t] =Acos2πfct+1/2[cos2π(fc+fm)t+cos2π(fc-fm)t]

其中，ωc=2πfc，Ω=2πfm。载波频率fc=1000Hz，调制信号频率fm=50Hz，可得fc+fm=1050Hz，fc+fm=950Hz。

将上述几个频率代入S1，可得：

S1=Acos2π(1000t)+1/2[cos2π(1050t)+cos2π(950t)]

运行仿真信号传输过程，观察调制信号和已调信号的波形和功率谱的变化，使学生更深刻地理解模拟幅度调制系统的工作原理：将模拟信号频谱从低频50Hz搬移到较高频率范围950Hz-1050Hz，以适应信道频率传输特性的过程。

本文主要介绍已调信号波形和功率谱随增益A的变化情况，以说明正常调幅、满调幅、过调幅的区别。

增益A取值为0时，β为无穷大，不再是常规双边带调制AM，而是抑制载波双边带调制DSB，已调信号波形如图3(d)所示。

当满足β≤1时，即正常调幅和满调幅的包络与调制信号成正比，可以用包络检波法恢复出原始的调制信号，否则会因为出现过调幅现象而产生包络失真，不能用包络检波器解调。为了保证无失真解调，可以采用同步检波器(也称相干解调法)。

图3 已调信号波形随增益A的变化情况

Fig.3 The variation of the modulated signal waveform with the gainA

为了让学生进一步理解以上几种调制的区别，从功率谱的角度进行介绍。

推导公式中可知，S1中包含载波、上边带、下边带三项，频率分别为1000Hz、1050Hz、950Hz。其中，1000Hz的载波信号分量不携带信息，但会占用一定的发送信号功率，因此AM的调制效率较低。从图4功率谱的变化规律可以看出，随着增益A的值减小，载波分量逐渐减小，1000Hz的谱线分量逐渐减小。DSB调制信号中A=0，不包含直流分量，因而已调信号频谱中不包含1000Hz的载波信号分量，调制效率提高到100%，即全部功率用于信息传输。

通过对功率谱的变化的分析，根据功率谱中频率为1000Hz的载波分量的大小的不同，有助于学生理解正常调幅、满调幅、过调幅的区别。

图4 已调信号功率谱随增益A的变化情况

Fig.4 The variation of the modulated signal power spectrum with the gainA

(四)不同教学形式的教学效果对比

在教学的反思过程中，对学生的模拟幅度调制系统原理的教学效果进行调查，通过学生的反馈，得到数据如表1所示。

对于纯理论教学，由于理论比较抽象、枯燥，尽管通过幻灯片展示图片，学生兴趣仍不浓厚，仅有50%的学生表示感兴趣。学习较为积极的学生仅占30%左右。迫于考核压力，约60%的学生基本达到预期效果，能够掌握该原理。

传统实验教学过程中，具有真实的实验环境，有可供操作的实验设备和器材，学生的学习兴趣较为浓厚，70%的学生表示感兴趣。但是由于是分组实验，有一部分学生坐享同组同学的实验成果，较为积极的学生也只有60%。实践操作使得理论知识较为形象，学习效果相较纯理论教学有所提高，通过实验，约75%的学生能够掌握该原理。

SystemView仿真实验具有形象的图形界面、方便的实验环境，每位学生都可以自主灵活地进行实验，学习兴趣显著提高。80%的学生表示感兴趣，能够亲自动手进行仿真实验，设置和调整参数，观察波形和功率谱的动态变化；70%的学生表现较为积极。不受实验场地和时间限制，学生课后可以进行巩固学习，因此学生的学习效果较为理想，约90%的学生表示能够掌握该原理。

表1 不同教学形式的教学效果比较

从表1的比较结果可见，采用SystemView进行实践教学，课程教学效果取得了较显著的提高。另外，整个实验过程只需要一台计算机即可，无需耗材，大大节省实验成本。在课余时间，学生也可以在自己的计算机上进行仿真实验，不像传统实验受到实验场地和时间限制。因此，它不失为一种性价比较高、灵活性较大的通信技术教学辅助手段。

四、结论

通信技术基础这门课程理论内容较为抽象，将通信实验模型与SystemView仿真软件结合以辅助教学，使得抽象理论形象化，有助于激发学生的学习兴趣，提高学习积极性，从而提高课程教学效果。学生可以自由安排实验时间，灵活选择实验场所，培养独立自主获取知识的能力。

[1]刘玉红，杨桂芹.通信原理软件实验平台设计[J].自动化与仪器仪表，2008，4(138):18-20.

[2]文化锋，周宇.通信原理实验教学改革与探索[J].实验室科学，2007，(3)：27-28.

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[7]李岩，贾宇琛.基于SystemView的通信系统实验教学改革[J].农业网络信息，2010，(8)：119-120.

[8]朱孝统，郭云.MATLAB在通信原理学习中的应用[J].赤峰学院学报，2014，30(1)：226-227.

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(责任编辑：练秀明)

The Application of SystemView in the Teaching of Communication Technology Foundation

HU Mei-jiao

(Department of Information Management & Engineering, Fujian Commercial College, Fuzhou 350012, China)

Dynamic simulation and analysis of amplitude modulation and demodulation system of analog signal is completed in SystemView software environment. By changing the size of the parameter gainA, observing and analyzing changes of the modulated signal waveform and power spectrum, the working principle of analog amplitude modulation system and the difference of several amplitude modulations are illustrated. The teaching effects of different teaching methods are compared and summarized. It is found that the visual dynamic simulation software can be used as a teaching aid in the communication technology foundation course, which can improve teaching effect of the course.

communication technology; SystemView; amplitude modulation; teaching reflection

2016-09-08

胡美娇(1985-)，女，福建南平人，助教，硕士。研究方向：通信技术。

TN91

A

1008-4940(2016)05-0082-06