仿真在通信原理教課中的價值體現范文

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SystemView仿真軟件

美國Elanix公司推出的動態系統仿真軟件是一個優秀的EDA軟件，能夠提供完整的動態系統設計、分析和仿真的可視化開發環境。它可以構造各種復雜的模擬、數字、數模混合及多速率系統，可用于各種線性和非線性系統的設計與仿真。SystemView是基于Windows操作系統的仿真軟件，具有非常友好的界面，無需與復雜的程序語言打交道，不用編寫程序，用戶只需用鼠標點擊、拖動圖符即可完成復雜系統的構建、仿真和分析。SYSTEMVIEW的圖符資源十分豐富，包括基本庫和專業庫。基本庫中有加法器、乘法器、多種信號源、接收器、各種函數運算器等。專業庫有通信、邏輯、數字信號處理、射頻/模擬等。SystemView仿真軟件具有簡單、直觀、靈活、功能強大的優點。與SIMULINK相比，其仿真界面更為清晰易懂，操作步驟更為簡便易行。因此，SystemView更適合于“通信原理”的課堂仿真。

SystemView在“通信原理”課堂教學中的應用

1.有效提高課堂效率

“通信原理”課程目前的教學時數普遍在60學時左右，但教學內容卻很多，除了重點講授課程的核心內容，還要復習課程必備的數學和專業基礎知識，同時要介紹通信領域新理論新技術，因此課堂教學的時間安排非常緊張。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準備，但是，一方面PPT投影上的圖形都是靜止的、死板的；另一方面，授課過程是教與學的互動過程，為使學生更好地理解講授內容，很多圖形需要臨時在黑板上畫，耗費大量時間。如果在授課時應用計算機仿真就能很好地解決這個問題。例如，在講解數字振幅調制時，可在PPT上給出數字振幅調制器的組成原理圖，如圖1所示。由圖1可見，數字振幅調制器由三個部件構成：產生M進制數字基帶信號的信源、提供余弦波的載波發生器、數字基帶信號和載波相乘的相乘器。此數字振幅調制器在SystemView仿真軟件上很容易實現，因為調制器所需部件在SystemView軟件中都有現成的圖符，只需用鼠標進行幾次點擊、拖動和連線即可。因此，可在課堂上引導學生根據圖1所示的組成原理圖共同完成仿真模型的構建，如圖2所示。

運行系統由圖符4和圖符3可顯示M進制數字基帶信號及已調信號MASK的波形，點擊圖符0可改變進制數M的取值，即可得到各種進制的MASK信號波形。進入分析窗還可觀察MASK信號的功率譜及帶寬，由此可進一步理解MASK信號頻帶利用率與進制M之間的關系。可見，在課堂講授中結合SystemView仿真既直觀方便又能吸引學生的注意力，故能有效提高課堂效率。

2.使抽象的內容更為生動具體

“通信原理”課程中涉及許多較為抽象的內容，但這些內容包含的概念、原理或技術在實際中有著廣泛的應用，因此授課時希望能講解得更透徹些。如果單純靠理論講授，學生在接受時或多或少存在一些困難。而使用計算機仿真不但可以豐富授課內容，更可以使抽象的內容變得生動和具體。例如，關于OQPSK和QPSK調制技術，OQPSK信號中相鄰載波之間最大相位跳變的絕對值為90度，而QPSK相鄰載波之間最大相位跳變的絕對值則為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，使得它們經帶限非線性信道傳輸后，OQPSK功率譜的帶外輻射較小，因此對鄰道產生的干擾也小，所以實際應用中OQPSK的功率譜特性比QPSK好。為了驗證這個結論，同時也為了使學員對這部分內容有更深刻的理解，授課時可用SystemView仿真軟件構建OQPSK和QPSK調制器、運行系統，分別產生OQPSK和QPSK信號，然后在分析窗中再對它們進行FFT變換，求得它們的功率譜，以此確認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仿真帶限非線性信道，使OQPSK和QPSK分別通過帶限非線性信道后，再在分析窗中對這兩種信號求功率譜，就可得到通過帶限非線性信道后的OQPSK和QPSK信號的功率譜，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、不易理解的教學內容，只要合理運用計算機仿真都可以得到很好的解決。

3.彌補數學分析上的不足

在“通信原理”課程授課中經常碰到這樣的問題：某個問題的結論很重要，而且這些結論往往是后面所講授內容的基礎，但得到結論的理論證明所涉及的數學內容超出了本科生的學識范圍，或者推導這些結論需花費太多的時間。如“數字調制技術”一章中各種調制方式的功率譜公式，推導這些公式不僅要用到超出本科生數學知識的周期平穩隨機過程的概念，而且過程相當繁瑣。因此，在通信原理教材上，除個別作了不太嚴格的解釋外，其他的都直接給出公式。“數字基帶傳輸”這章也有類似的問題，在介紹數字基帶傳輸的各種碼型時，強調AMI碼和HDB3碼在實際中得到廣泛應用的原因是它們有優越的功率譜特性，如高低頻分量小、功率集中在碼元速率一半的頻率附近、無直流分量等。但遺憾的是，“數字基帶傳輸”一章中雖然專門對數字基帶信號的功率譜進行了分析，但經推導得到的功率譜公式只適用于二電平信號，對AMI和HDB碼這些多電平信號則無能為力，要想推得它們的功率譜公式，同樣需要較為深入的數學和相當繁瑣的過程。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。事實上，信號的功率譜分析是非常重要的，從功率譜可知道此調制信號功率集中的區域、帶寬大小、帶外輻射如何等。

這些教學問題同樣可以用計算機仿真來解決。在課堂授課時，可根據AMI碼、HDB3碼的編碼規則及各種調制信號產生的框圖，用SystemView構建AMI碼和HDB3碼編碼器以及各種調制器的仿真模型。模型簡單的可在課堂上與學生一起構建，模型復雜的課前預先構建。運行系統，即可產生所需信號，在SystemView的分析窗中對信號作FFT變換就可得到信號的功率譜圖。從功率譜圖上，信號功率譜的形狀（變化規律）、功率集中在什么區域、帶寬與信號速率之間的關系等一目了然。這樣，不僅提高了學生的學習興趣和感性認識，而且也使教學內容更連貫、更完整。

4.激發學生的學習積極性

教學過程是由“教”和“學”兩個方面構成。研究教學不能僅停留在“教”上，還應當對學生的“學”進行研究。在“通信原理”這樣理論性較強的課程中引入可視化很強的仿真教學能有效地提高學生的學習積極性，對提高教學質量和教學效果起到積極的作用。具體體現在以下幾個方面：

（1）實現創新性學習。將計算機仿真引入課堂教學能有效調動學生的注意力、激發學生的興趣、調節教學氣氛，幫助學生在理解知識、鞏固知識的同時，使學生在興趣的驅使下積極思考，對學習內容進行“刨根問底”式的探究，真正將教師傳授知識的過程轉變為學生在教師指導下探究知識的過程。

（2）培養學生獲得知識的能力。仿真需要理論的指導，反過來仿真可以驗證理論的正確性，在任何一個環節的理解上出現偏差都無法獲得正確結果。因此通過對所學原理和系統的反復仿真使學生在實踐、認識、再實踐、再認識的過程中深刻理解所學知識，同時也增加了進一步獲取新知識的興趣，為今后的學習和工作打下扎實的基礎。

（3）培養學生的科研能力。仿真能使“靜態”的原理、系統“動”起來，學生對仿真產生了濃厚的興趣，不僅提高了課堂的學習效果，而且在課外時間里，學生通過對所學內容的進一步仿真提出了很多新的看法和方案，從而增強學生的實際動手能力、用學到的理論知識分析問題和解決問題的能力。

結束語

在“通信原理”課堂中引入SystemView仿真的教學實踐證明，利用SystemView仿真在通信類的基礎課和專業課中進行輔助教學使得原理課程中相對枯燥乏味的理論知識變得生動起來，對于提高學生的學習效率和學習積極性、培養學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通信工程學院