仿真在通信原理教课中的价值体现范文

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SystemView仿真软件

美国Elanix公司推出的动态系统仿真软件是一个优秀的EDA软件，能够提供完整的动态系统设计、分析和仿真的可视化开发环境。它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线性和非线性系统的设计与仿真。SystemView是基于Windows操作系统的仿真软件，具有非常友好的界面，无需与复杂的程序语言打交道，不用编写程序，用户只需用鼠标点击、拖动图符即可完成复杂系统的构建、仿真和分析。SYSTEMVIEW的图符资源十分丰富，包括基本库和专业库。基本库中有加法器、乘法器、多种信号源、接收器、各种函数运算器等。专业库有通信、逻辑、数字信号处理、射频/模拟等。SystemView仿真软件具有简单、直观、灵活、功能强大的优点。与SIMULINK相比，其仿真界面更为清晰易懂，操作步骤更为简便易行。因此，SystemView更适合于“通信原理”的课堂仿真。

SystemView在“通信原理”课堂教学中的应用

1.有效提高课堂效率

“通信原理”课程目前的教学时数普遍在60学时左右，但教学内容却很多，除了重点讲授课程的核心内容，还要复习课程必备的数学和专业基础知识，同时要介绍通信领域新理论新技术，因此课堂教学的时间安排非常紧张。另外，这门课涉及大量的原理方框图和波形图。尽管这些图形可以在备课时准备，但是，一方面PPT投影上的图形都是静止的、死板的；另一方面，授课过程是教与学的互动过程，为使学生更好地理解讲授内容，很多图形需要临时在黑板上画，耗费大量时间。如果在授课时应用计算机仿真就能很好地解决这个问题。例如，在讲解数字振幅调制时，可在PPT上给出数字振幅调制器的组成原理图，如图1所示。由图1可见，数字振幅调制器由三个部件构成：产生M进制数字基带信号的信源、提供余弦波的载波发生器、数字基带信号和载波相乘的相乘器。此数字振幅调制器在SystemView仿真软件上很容易实现，因为调制器所需部件在SystemView软件中都有现成的图符，只需用鼠标进行几次点击、拖动和连线即可。因此，可在课堂上引导学生根据图1所示的组成原理图共同完成仿真模型的构建，如图2所示。

运行系统由图符4和图符3可显示M进制数字基带信号及已调信号MASK的波形，点击图符0可改变进制数M的取值，即可得到各种进制的MASK信号波形。进入分析窗还可观察MASK信号的功率谱及带宽，由此可进一步理解MASK信号频带利用率与进制M之间的关系。可见，在课堂讲授中结合SystemView仿真既直观方便又能吸引学生的注意力，故能有效提高课堂效率。

2.使抽象的内容更为生动具体

“通信原理”课程中涉及许多较为抽象的内容，但这些内容包含的概念、原理或技术在实际中有着广泛的应用，因此授课时希望能讲解得更透彻些。如果单纯靠理论讲授，学生在接受时或多或少存在一些困难。而使用计算机仿真不但可以丰富授课内容，更可以使抽象的内容变得生动和具体。例如，关于OQPSK和QPSK调制技术，OQPSK信号中相邻载波之间最大相位跳变的绝对值为90度，而QPSK相邻载波之间最大相位跳变的绝对值则为180度。理论上可以证明：OQPSK与QPSK的理论功率谱是完全相同的，但由于相邻码元之间载波相位的跳变值不同，使得它们经带限非线性信道传输后，OQPSK功率谱的带外辐射较小，因此对邻道产生的干扰也小，所以实际应用中OQPSK的功率谱特性比QPSK好。为了验证这个结论，同时也为了使学员对这部分内容有更深刻的理解，授课时可用SystemView仿真软件构建OQPSK和QPSK调制器、运行系统，分别产生OQPSK和QPSK信号，然后在分析窗中再对它们进行FFT变换，求得它们的功率谱，以此确认它们理论功率谱完全相同。再用Systemview中提供的带通滤波器和限幅器来仿真带限非线性信道，使OQPSK和QPSK分别通过带限非线性信道后，再在分析窗中对这两种信号求功率谱，就可得到通过带限非线性信道后的OQPSK和QPSK信号的功率谱，由此可以清楚地看到OQPSK功率谱的带外辐射明显比QPSK的小。类似问题还很多，如DQPSK与PI/4DQPSK之间的情况也是这样。像这类抽象的、不易理解的教学内容，只要合理运用计算机仿真都可以得到很好的解决。

3.弥补数学分析上的不足

在“通信原理”课程授课中经常碰到这样的问题：某个问题的结论很重要，而且这些结论往往是后面所讲授内容的基础，但得到结论的理论证明所涉及的数学内容超出了本科生的学识范围，或者推导这些结论需花费太多的时间。如“数字调制技术”一章中各种调制方式的功率谱公式，推导这些公式不仅要用到超出本科生数学知识的周期平稳随机过程的概念，而且过程相当繁琐。因此，在通信原理教材上，除个别作了不太严格的解释外，其他的都直接给出公式。“数字基带传输”这章也有类似的问题，在介绍数字基带传输的各种码型时，强调AMI码和HDB3码在实际中得到广泛应用的原因是它们有优越的功率谱特性，如高低频分量小、功率集中在码元速率一半的频率附近、无直流分量等。但遗憾的是，“数字基带传输”一章中虽然专门对数字基带信号的功率谱进行了分析，但经推导得到的功率谱公式只适用于二电平信号，对AMI和HDB码这些多电平信号则无能为力，要想推得它们的功率谱公式，同样需要较为深入的数学和相当繁琐的过程。所以有些教材上索性不提它们的功率谱，还有一些教材则稍微提一下AMI和HDB3码的功率谱图。事实上，信号的功率谱分析是非常重要的，从功率谱可知道此调制信号功率集中的区域、带宽大小、带外辐射如何等。

这些教学问题同样可以用计算机仿真来解决。在课堂授课时，可根据AMI码、HDB3码的编码规则及各种调制信号产生的框图，用SystemView构建AMI码和HDB3码编码器以及各种调制器的仿真模型。模型简单的可在课堂上与学生一起构建，模型复杂的课前预先构建。运行系统，即可产生所需信号，在SystemView的分析窗中对信号作FFT变换就可得到信号的功率谱图。从功率谱图上，信号功率谱的形状（变化规律）、功率集中在什么区域、带宽与信号速率之间的关系等一目了然。这样，不仅提高了学生的学习兴趣和感性认识，而且也使教学内容更连贯、更完整。

4.激发学生的学习积极性

教学过程是由“教”和“学”两个方面构成。研究教学不能仅停留在“教”上，还应当对学生的“学”进行研究。在“通信原理”这样理论性较强的课程中引入可视化很强的仿真教学能有效地提高学生的学习积极性，对提高教学质量和教学效果起到积极的作用。具体体现在以下几个方面：

（1）实现创新性学习。将计算机仿真引入课堂教学能有效调动学生的注意力、激发学生的兴趣、调节教学气氛，帮助学生在理解知识、巩固知识的同时，使学生在兴趣的驱使下积极思考，对学习内容进行“刨根问底”式的探究，真正将教师传授知识的过程转变为学生在教师指导下探究知识的过程。

（2）培养学生获得知识的能力。仿真需要理论的指导，反过来仿真可以验证理论的正确性，在任何一个环节的理解上出现偏差都无法获得正确结果。因此通过对所学原理和系统的反复仿真使学生在实践、认识、再实践、再认识的过程中深刻理解所学知识，同时也增加了进一步获取新知识的兴趣，为今后的学习和工作打下扎实的基础。

（3）培养学生的科研能力。仿真能使“静态”的原理、系统“动”起来，学生对仿真产生了浓厚的兴趣，不仅提高了课堂的学习效果，而且在课外时间里，学生通过对所学内容的进一步仿真提出了很多新的看法和方案，从而增强学生的实际动手能力、用学到的理论知识分析问题和解决问题的能力。

结束语

在“通信原理”课堂中引入SystemView仿真的教学实践证明，利用SystemView仿真在通信类的基础课和专业课中进行辅助教学使得原理课程中相对枯燥乏味的理论知识变得生动起来，对于提高学生的学习效率和学习积极性、培养学生的科研能力都有很大的帮助。

作者：黄葆华 魏以民 蔡锭波单位：南京解放军理工大学通信工程学院