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SystemView仿真軟件

美國(guó)Elanix公司推出的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件是一個(gè)優(yōu)秀的EDA軟件，能夠提供完整的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和仿真的可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境。它可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)模混合及多速率系統(tǒng)，可用于各種線性和非線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。SystemView是基于Windows操作系統(tǒng)的仿真軟件，具有非常友好的界面，無(wú)需與復(fù)雜的程序語(yǔ)言打交道，不用編寫程序，用戶只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊、拖動(dòng)圖符即可完成復(fù)雜系統(tǒng)的構(gòu)建、仿真和分析。SYSTEMVIEW的圖符資源十分豐富，包括基本庫(kù)和專業(yè)庫(kù)。基本庫(kù)中有加法器、乘法器、多種信號(hào)源、接收器、各種函數(shù)運(yùn)算器等。專業(yè)庫(kù)有通信、邏輯、數(shù)字信號(hào)處理、射頻/模擬等。SystemView仿真軟件具有簡(jiǎn)單、直觀、靈活、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)。與SIMULINK相比，其仿真界面更為清晰易懂，操作步驟更為簡(jiǎn)便易行。因此，SystemView更適合于“通信原理”的課堂仿真。

SystemView在“通信原理”課堂教學(xué)中的應(yīng)用

1.有效提高課堂效率

“通信原理”課程目前的教學(xué)時(shí)數(shù)普遍在60學(xué)時(shí)左右，但教學(xué)內(nèi)容卻很多，除了重點(diǎn)講授課程的核心內(nèi)容，還要復(fù)習(xí)課程必備的數(shù)學(xué)和專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)要介紹通信領(lǐng)域新理論新技術(shù)，因此課堂教學(xué)的時(shí)間安排非常緊張。另外，這門課涉及大量的原理方框圖和波形圖。盡管這些圖形可以在備課時(shí)準(zhǔn)備，但是，一方面PPT投影上的圖形都是靜止的、死板的；另一方面，授課過(guò)程是教與學(xué)的互動(dòng)過(guò)程，為使學(xué)生更好地理解講授內(nèi)容，很多圖形需要臨時(shí)在黑板上畫，耗費(fèi)大量時(shí)間。如果在授課時(shí)應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真就能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。例如，在講解數(shù)字振幅調(diào)制時(shí)，可在PPT上給出數(shù)字振幅調(diào)制器的組成原理圖，如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，數(shù)字振幅調(diào)制器由三個(gè)部件構(gòu)成：產(chǎn)生M進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的信源、提供余弦波的載波發(fā)生器、數(shù)字基帶信號(hào)和載波相乘的相乘器。此數(shù)字振幅調(diào)制器在SystemView仿真軟件上很容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檎{(diào)制器所需部件在SystemView軟件中都有現(xiàn)成的圖符，只需用鼠標(biāo)進(jìn)行幾次點(diǎn)擊、拖動(dòng)和連線即可。因此，可在課堂上引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖1所示的組成原理圖共同完成仿真模型的構(gòu)建，如圖2所示。

運(yùn)行系統(tǒng)由圖符4和圖符3可顯示M進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)及已調(diào)信號(hào)MASK的波形，點(diǎn)擊圖符0可改變進(jìn)制數(shù)M的取值，即可得到各種進(jìn)制的MASK信號(hào)波形。進(jìn)入分析窗還可觀察MASK信號(hào)的功率譜及帶寬，由此可進(jìn)一步理解MASK信號(hào)頻帶利用率與進(jìn)制M之間的關(guān)系。可見(jiàn)，在課堂講授中結(jié)合SystemView仿真既直觀方便又能吸引學(xué)生的注意力，故能有效提高課堂效率。

2.使抽象的內(nèi)容更為生動(dòng)具體

“通信原理”課程中涉及許多較為抽象的內(nèi)容，但這些內(nèi)容包含的概念、原理或技術(shù)在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用，因此授課時(shí)希望能講解得更透徹些。如果單純靠理論講授，學(xué)生在接受時(shí)或多或少存在一些困難。而使用計(jì)算機(jī)仿真不但可以豐富授課內(nèi)容，更可以使抽象的內(nèi)容變得生動(dòng)和具體。例如，關(guān)于OQPSK和QPSK調(diào)制技術(shù)，OQPSK信號(hào)中相鄰載波之間最大相位跳變的絕對(duì)值為90度，而QPSK相鄰載波之間最大相位跳變的絕對(duì)值則為180度。理論上可以證明：OQPSK與QPSK的理論功率譜是完全相同的，但由于相鄰碼元之間載波相位的跳變值不同，使得它們經(jīng)帶限非線性信道傳輸后，OQPSK功率譜的帶外輻射較小，因此對(duì)鄰道產(chǎn)生的干擾也小，所以實(shí)際應(yīng)用中OQPSK的功率譜特性比QPSK好。為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論，同時(shí)也為了使學(xué)員對(duì)這部分內(nèi)容有更深刻的理解，授課時(shí)可用SystemView仿真軟件構(gòu)建OQPSK和QPSK調(diào)制器、運(yùn)行系統(tǒng)，分別產(chǎn)生OQPSK和QPSK信號(hào)，然后在分析窗中再對(duì)它們進(jìn)行FFT變換，求得它們的功率譜，以此確認(rèn)它們理論功率譜完全相同。再用Systemview中提供的帶通濾波器和限幅器來(lái)仿真帶限非線性信道，使OQPSK和QPSK分別通過(guò)帶限非線性信道后，再在分析窗中對(duì)這兩種信號(hào)求功率譜，就可得到通過(guò)帶限非線性信道后的OQPSK和QPSK信號(hào)的功率譜，由此可以清楚地看到OQPSK功率譜的帶外輻射明顯比QPSK的小。類似問(wèn)題還很多，如DQPSK與PI/4DQPSK之間的情況也是這樣。像這類抽象的、不易理解的教學(xué)內(nèi)容，只要合理運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真都可以得到很好的解決。

3.彌補(bǔ)數(shù)學(xué)分析上的不足

在“通信原理”課程授課中經(jīng)常碰到這樣的問(wèn)題：某個(gè)問(wèn)題的結(jié)論很重要，而且這些結(jié)論往往是后面所講授內(nèi)容的基礎(chǔ)，但得到結(jié)論的理論證明所涉及的數(shù)學(xué)內(nèi)容超出了本科生的學(xué)識(shí)范圍，或者推導(dǎo)這些結(jié)論需花費(fèi)太多的時(shí)間。如“數(shù)字調(diào)制技術(shù)”一章中各種調(diào)制方式的功率譜公式，推導(dǎo)這些公式不僅要用到超出本科生數(shù)學(xué)知識(shí)的周期平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的概念，而且過(guò)程相當(dāng)繁瑣。因此，在通信原理教材上，除個(gè)別作了不太嚴(yán)格的解釋外，其他的都直接給出公式。“數(shù)字基帶傳輸”這章也有類似的問(wèn)題，在介紹數(shù)字基帶傳輸?shù)母鞣N碼型時(shí)，強(qiáng)調(diào)AMI碼和HDB3碼在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用的原因是它們有優(yōu)越的功率譜特性，如高低頻分量小、功率集中在碼元速率一半的頻率附近、無(wú)直流分量等。但遺憾的是，“數(shù)字基帶傳輸”一章中雖然專門對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)的功率譜進(jìn)行了分析，但經(jīng)推導(dǎo)得到的功率譜公式只適用于二電平信號(hào)，對(duì)AMI和HDB碼這些多電平信號(hào)則無(wú)能為力，要想推得它們的功率譜公式，同樣需要較為深入的數(shù)學(xué)和相當(dāng)繁瑣的過(guò)程。所以有些教材上索性不提它們的功率譜，還有一些教材則稍微提一下AMI和HDB3碼的功率譜圖。事實(shí)上，信號(hào)的功率譜分析是非常重要的，從功率譜可知道此調(diào)制信號(hào)功率集中的區(qū)域、帶寬大小、帶外輻射如何等。

這些教學(xué)問(wèn)題同樣可以用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)解決。在課堂授課時(shí)，可根據(jù)AMI碼、HDB3碼的編碼規(guī)則及各種調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的框圖，用SystemView構(gòu)建AMI碼和HDB3碼編碼器以及各種調(diào)制器的仿真模型。模型簡(jiǎn)單的可在課堂上與學(xué)生一起構(gòu)建，模型復(fù)雜的課前預(yù)先構(gòu)建。運(yùn)行系統(tǒng)，即可產(chǎn)生所需信號(hào)，在SystemView的分析窗中對(duì)信號(hào)作FFT變換就可得到信號(hào)的功率譜圖。從功率譜圖上，信號(hào)功率譜的形狀（變化規(guī)律）、功率集中在什么區(qū)域、帶寬與信號(hào)速率之間的關(guān)系等一目了然。這樣，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和感性認(rèn)識(shí)，而且也使教學(xué)內(nèi)容更連貫、更完整。

4.激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性

教學(xué)過(guò)程是由“教”和“學(xué)”兩個(gè)方面構(gòu)成。研究教學(xué)不能僅停留在“教”上，還應(yīng)當(dāng)對(duì)學(xué)生的“學(xué)”進(jìn)行研究。在“通信原理”這樣理論性較強(qiáng)的課程中引入可視化很強(qiáng)的仿真教學(xué)能有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果起到積極的作用。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性學(xué)習(xí)。將計(jì)算機(jī)仿真引入課堂教學(xué)能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的注意力、激發(fā)學(xué)生的興趣、調(diào)節(jié)教學(xué)氣氛，幫助學(xué)生在理解知識(shí)、鞏固知識(shí)的同時(shí)，使學(xué)生在興趣的驅(qū)使下積極思考，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行“刨根問(wèn)底”式的探究，真正將教師傳授知識(shí)的過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生在教師指導(dǎo)下探究知識(shí)的過(guò)程。

（2）培養(yǎng)學(xué)生獲得知識(shí)的能力。仿真需要理論的指導(dǎo)，反過(guò)來(lái)仿真可以驗(yàn)證理論的正確性，在任何一個(gè)環(huán)節(jié)的理解上出現(xiàn)偏差都無(wú)法獲得正確結(jié)果。因此通過(guò)對(duì)所學(xué)原理和系統(tǒng)的反復(fù)仿真使學(xué)生在實(shí)踐、認(rèn)識(shí)、再實(shí)踐、再認(rèn)識(shí)的過(guò)程中深刻理解所學(xué)知識(shí)，同時(shí)也增加了進(jìn)一步獲取新知識(shí)的興趣，為今后的學(xué)習(xí)和工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

（3）培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。仿真能使“靜態(tài)”的原理、系統(tǒng)“動(dòng)”起來(lái)，學(xué)生對(duì)仿真產(chǎn)生了濃厚的興趣，不僅提高了課堂的學(xué)習(xí)效果，而且在課外時(shí)間里，學(xué)生通過(guò)對(duì)所學(xué)內(nèi)容的進(jìn)一步仿真提出了很多新的看法和方案，從而增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、用學(xué)到的理論知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

結(jié)束語(yǔ)

在“通信原理”課堂中引入SystemView仿真的教學(xué)實(shí)踐證明，利用SystemView仿真在通信類的基礎(chǔ)課和專業(yè)課中進(jìn)行輔助教學(xué)使得原理課程中相對(duì)枯燥乏味的理論知識(shí)變得生動(dòng)起來(lái)，對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)積極性、培養(yǎng)學(xué)生的科研能力都有很大的幫助。

作者：黃葆華 魏以民 蔡錠波單位：南京解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院