基于SystemView的通信原理課程仿真實驗教學

陳　軍

(定西師范高等?？茖W?！∥锢砼c電子工程系，甘肅　定西　743000)

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·計算機科學與實驗·

基于SystemView的通信原理課程仿真實驗教學

陳軍

(定西師范高等?？茖W校物理與電子工程系，甘肅定西743000)

在通信原理課程實驗教學中，以二進制相移鍵控(2PSK)頻帶傳輸系統(tǒng)為例，研究了基于SystemView仿真實驗的實驗設(shè)計、測試結(jié)果分析及實驗拓展的方法，形象地呈現(xiàn)了該傳輸系統(tǒng)各關(guān)鍵環(huán)節(jié)信號的時、頻域波形。實踐表明，仿真技術(shù)改變了通信原理課程實驗教學的形式和學生的學習方法，培養(yǎng)了學生主動獲取知識、發(fā)現(xiàn)問題、創(chuàng)造性地運用所學知識分析解決問題的能力。

通信原理；實驗教學；實踐；仿真

通信原理是通信、電子信息、計算機網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有抽象概念較多、理論性很強、知識鏈寬廣、緊密聯(lián)系實際應(yīng)用等特點。通信原理實驗教學在該課程的教學實踐中占有十分重要的地位，有助于學習者獲得豐富的感性認識，促進學生深刻地理解其基本概念、原理等，有助于培養(yǎng)學生的操作技能、實事求是的科學態(tài)度和研究方法，提高學生理論聯(lián)系實際和分析解決通信工程中實際問題的應(yīng)用能力；但由于受實驗設(shè)備陳舊、經(jīng)費欠缺、實驗場所有限等因素限制，部分硬件實驗無法進展，教學效果不佳。伴隨現(xiàn)代科技的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。SystemView仿真平臺因交互性好、信號分析便捷、計算功能強，具有多種類的庫模型，便于實現(xiàn)可視的圖形化過程仿真等，在教學領(lǐng)域得到普遍關(guān)注[4-8]，特別是在信號分析、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。在實驗教學過程中合理地引入SystemView，使學生獲得豐富的感性材料，加深對抽象理論知識的理解，促進理論和實踐的緊密結(jié)合；同時解決了實驗經(jīng)費短缺、場所有限的困難，調(diào)動了學生實驗實踐的積極性與主動性，有利于學生更系統(tǒng)、更全面地掌握通信原理課程的概念和原理，培養(yǎng)了學生主動獲取知識、發(fā)現(xiàn)問題、創(chuàng)造性地運用所學知識分析解決現(xiàn)實問題的能力。

1　通信原理課程框架

通信原理課程內(nèi)容由模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)兩大模塊構(gòu)成，知識框架如圖1所示。信號的傳輸過程可分為基帶傳輸過程和頻帶傳輸過程兩種形式。通信系統(tǒng)的功能及原理是借助于信號傳輸過程中各個環(huán)節(jié)的時頻域圖形和功率譜圖的呈現(xiàn)來表達的，說明對應(yīng)的電路設(shè)計應(yīng)該達到與之相對應(yīng)的功能。將承載的有用信號經(jīng)過各個過程的處理最后保質(zhì)保量地傳送到信宿，是通信原理課程教學中必須讓學生掌握的內(nèi)容。

圖1　通信原理內(nèi)容知識框架

2　基于SystemView仿真實驗的流程

圖2　仿真實驗方法流程框圖

基于SystemView仿真實驗的方法如圖2所示。學生按照實驗的目的和要求，通過教師的引導、組織、合作，自主地設(shè)計、論證實驗方案，確定該實驗實現(xiàn)的原理圖形，借助于SystemView仿真虛擬現(xiàn)實環(huán)境平臺，主動構(gòu)建電路模型，設(shè)置實驗電路器件參數(shù)，調(diào)試電路，完善設(shè)計方案，分析處理數(shù)據(jù)，完成實驗任務(wù)。在教師的組織下，引導學生從實驗的目的及要求出發(fā)，到實驗器件的選擇，創(chuàng)設(shè)好學生探究的情境；學生自主地思考，提出解決問題的方案，并動手進行實驗電路原理設(shè)計；在實際操作過程中，同學間交流合作、探索解決問題的方法，獲得感性材料，從而達到對知識的主動構(gòu)建。充分利用SystemView仿真技術(shù)的優(yōu)勢，使學生自主地獲取該課程的知識，掌握概念、規(guī)律、原理，實現(xiàn)了學生由“要我學”到“我要學”的轉(zhuǎn)變；同時使學生變“學”為“做”，改變了其學習方式、學習過程和學習手段，實現(xiàn)以學生為主體的教與學方式的根本轉(zhuǎn)變。利用SystemView動態(tài)功能，在實驗實踐教學過程中使理論知識的講解與實驗現(xiàn)象的展示緊密結(jié)合；給學生提供了豐富的感性材料，使其能更加容易地理解和掌握抽象的理論知識、規(guī)律，激發(fā)了學生對通信原理課程內(nèi)容的興趣，激活了學生的主體意識[9-12]，在教學實驗實踐過程中培養(yǎng)學生的學習能力、動手設(shè)計能力和解決問題的能力及創(chuàng)新精神、研究精神，取得了良好的教學效果。

3　基于SystemView的通信原理仿真實驗設(shè)計實踐

3.1繪制原理圖

原理圖的繪制是仿真實驗實踐中的重中之重。首先，啟動SystemView虛擬工作平臺[13]；其次，在工作窗口的設(shè)計區(qū)域中放置所需要的模塊器件，根據(jù)實驗任務(wù)要求設(shè)置對應(yīng)的參數(shù)值；最后，合理地布局圖符模塊并進行正確連線，繪制完成電路圖。

3.2設(shè)計SystemView 仿真實驗實例

以基于SystemView的二進制相移鍵控頻帶傳輸系統(tǒng)實驗設(shè)計[14-15]為例。

3.2.1實驗?zāi)康?/p>

1)設(shè)計二進制相移鍵控數(shù)字通信的系統(tǒng)，并仿真實現(xiàn)其通信功能；

2)調(diào)試、設(shè)定各個模塊的參數(shù)(例如碼速率、濾波器的截止頻率等)值；

3)利用SystemView功能窗口正確地觀察、計算并進行波形分析；

4)系統(tǒng)的性能評價；

5)實驗拓展與反思，改進電路，提高性能。

3.2.2實驗基本任務(wù)

在SystemView平臺資源中，選取正確的信號器件、算子圖符、函數(shù)模塊、接收器件、運算功能塊等，設(shè)計二進制相移鍵控頻帶傳輸?shù)膽?yīng)用系統(tǒng)。

3.2.3實驗設(shè)計

依據(jù)實驗?zāi)康募叭蝿?wù)，設(shè)計實驗方案，建立系統(tǒng)模型如圖3所示，根據(jù)圖3的功能，設(shè)計仿真電路的原理圖形。實現(xiàn)二進制相移鍵控條件下頻帶傳輸?shù)姆抡骐娐窇?yīng)用系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖3　數(shù)字信號頻帶傳輸系統(tǒng)模型

圖4　二進制相移鍵控頻帶傳輸系統(tǒng)仿真電路

3.2.4實驗仿真和結(jié)果分析

在SystemView虛擬平臺中，依據(jù)系統(tǒng)性能指標要求，進行以下3個步驟。

1)設(shè)置系統(tǒng)時間參數(shù)，如“時間窗”參數(shù)：StopTime，255.5e-3s；TimeSpacing，500e-6s；No.ofsamples，512；SampleRate，2e+3Hz；FrequencyResolution，3.906 25Hz。

2)進行模塊參數(shù)賦值。

3)啟動軟件平臺，通過分析窗觀察到的仿真結(jié)果如圖5所示。調(diào)制信號和二進制相移鍵控信號的頻域波形如圖6所示。

從圖5可直觀地看出在二進制相移鍵控頻帶傳輸系統(tǒng)中，信號經(jīng)調(diào)制后通過有高斯噪聲信道傳輸、相干解調(diào)等過程后波形的變化情況。解調(diào)后的信號波形與調(diào)制信號的波形基本一致，說明調(diào)制信號被正確地解調(diào)，但存在一定的時間延遲。

圖6為運算接收器功能窗口實現(xiàn)計算得到的頻域波形。從圖6可觀察到，二進制相移鍵控信號的調(diào)制信號頻譜結(jié)構(gòu)保持原狀，它僅僅是把調(diào)制信號的頻率譜在頻率軸線方向上平移了一個載波頻率的量值，頻譜高度集中在以載波頻率為中心的頻率范圍內(nèi)；二進制相移鍵控信號頻帶利用率僅為直接傳輸基帶信號的1/2，帶寬等于調(diào)制信號帶寬的2倍。

(a)調(diào)制信號波形

(b) 二進制相移鍵控信號波形

(c) 加有高斯噪聲的2PSK信號

(d) 相乘后信號波形

(e) 低通濾波后信號波形

(f) 解調(diào)后信號波形圖5　二進制相移鍵控頻帶傳輸系統(tǒng)時域波形

(a)調(diào)制信號頻域波形

(b) 二進制相移鍵控信號頻域波形圖6　調(diào)制信號和二進制相移鍵控信號的頻域波形

借助于SystemView仿真軟件，幫助學生加深對概念、規(guī)律等理論知識的理解，促進學生自主地建構(gòu)知識，而不再是向?qū)W生灌輸知識，強迫學生接受概念；從而激發(fā)了學生探索物理規(guī)律的動機，調(diào)動了學生學習的積極性，使學生的思維能力和創(chuàng)新能力得以發(fā)展，取得了良好的教學效果。

3.2.5實驗拓展與反思

學會拓展、變式延伸是創(chuàng)新的重要方法。利用仿真軟件，積極引導學生以具體知識為載體，通過聯(lián)想、判斷、推理和綜合分析等科學思維方法，歸納現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，找到解決問題的思路，從而培養(yǎng)學生思維的嚴密性、邏輯性和創(chuàng)造性。

1)突出思想，關(guān)注本質(zhì)：拓展的問題設(shè)計有典型性、層次性和綜合性，如對比轉(zhuǎn)化原題、數(shù)形結(jié)合思想，培養(yǎng)學生“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”的能力。教師在教學實踐過程中嘗試變化命題、條件等，引導學生自主探究、建構(gòu)知識、理解規(guī)律，培養(yǎng)學生的自主學習能力；如在上述實驗中，通過修改濾波器的頻率、邏輯比較器的比較方式、高斯噪聲的強度等參數(shù)，讓學生體會系統(tǒng)的功能和原理。

2)適度變式，促進發(fā)散：變式的目的就是引導學生對物理問題從多方面、多角度進行延伸探究。實驗設(shè)計有目的、有步驟、由淺入深地引導學生從“變”的物理量及物理條件中，發(fā)現(xiàn)“不變”的物理規(guī)律這一本質(zhì)，從“不變”的本質(zhì)中探索其原理、規(guī)律，培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維，發(fā)展其創(chuàng)造力。

3)問題引領(lǐng)，啟迪智慧：拓展問題圍繞構(gòu)造二進制相移鍵控頻帶傳輸系統(tǒng)模型展開，精心布疑，靈活設(shè)問，激發(fā)學生的探究熱情，培養(yǎng)學生的思維品質(zhì)，引導學生掌握研究和解決問題的多元策略，為學生的思維搭建腳手架，讓學生自主構(gòu)建知識。在問題的引領(lǐng)下，學生細致觀察仿真結(jié)果，啟動思維向更深層邁進，能力得到提高。

4　結(jié)束語

通過在數(shù)字信號頻帶傳輸實驗中采用軟件仿真與理論相結(jié)合的方法，調(diào)動了學生的積極性與主動性，使其能更系統(tǒng)、更深刻地掌握相關(guān)概念和原理。仿真技術(shù)使通信原理課程實驗教學的形式和內(nèi)容發(fā)生了變革，在教學手段上彌補了傳統(tǒng)實驗教學的不足，提供了豐富的感性材料，使抽象的物理規(guī)律更加形象化；對學生而言，加深了對課程內(nèi)容的理解，啟發(fā)和拓寬了思路，鍛煉了實踐動手能力，取得了顯著的教學效果；同時也為學生繼續(xù)從事相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的工作與學習打下了良好的基礎(chǔ)。

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Simulation Experiment Teaching of the Principle of Communication Course Based on SystemView

CHEN Jun

(DepartmentofPhysicsandElectronicEngineering，DingxiTeachers’College，Dingxi743000，China)

DuringtheexperimentinstructionofthePrincipleofCommunicationcourse，thispapertakestheprocessoffrequency-bandtransmissionsystemofthebinaryphaseshiftkeying(2PSK)astheteachingcase，andinvestigatesthemethodofsimulatingexperimentofPrincipleofCommunicationcourseforexperimentdesign，testinganddevelopmentbasisonSystemViewsoftware.Itcanvividlypresentthewaveoftime-domainandfrequency-domainofvariouskeylinkssignalofthissystem.TheresultofpracticeshowsthatthesimulationtechnologycanreformtheformofPrincipleofCommunicationcourseexperimentinstructionandstudents’learningmethods.Itcancultivatethestudentstotaketheinitiativetoacquireknowledge，tofindanduselearnedknowledgeabilitytocreativelyanalyzeproblemsandsolvepracticeproblems.

principleofcommunication；experimentalinstruction；practice；simulation

2014-12-10；修改日期: 2016-01-04

陳軍(1969-)，男，博士，教授，主要從事移動通信與無線通信技術(shù)的研究。

TP391.9；G642.423

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.017