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摘要:针对“通信原理”课程设计时间短,因实验设备限制导致题目单一,学生兴趣不高的问题,将SystemView软件引入到课程设计中,该软件内置大量可选择的库,能仿真多种应用系统,学生可方便快捷地建立各类通信系统的模型,通过协作还可培养学生的团队意识。文中以无线局域网中的正交频分复用(OFDM)技术为例,详细介绍了用SystemView软件搭建仿真实验系统的过程及实验结果。
关键词:通信原理;教学改革;正交频分复用;仿真实验
培养和提高学生的创新思维能力是高等教育改革的一项重要任务。“通信原理”课程设计是紧随“通信原理”课程之后的实践性教学环节,是“通信原理”课程的延伸,其目的是通过设计实践,使学生掌握初步的通信系统的设计和分析方法,以培养学生综合运用所学知识,来分析和解决实际问题的能力,如系统分析和设计能力、查阅科技资料的能力,这些对于培养学生严谨的科学态度、理论联系实际的实践动手能力以及创新能力起到十分重要的作用。
传统的“通信原理”课程设计时间为一周且由于实验设备的限制题目往往很单一,基本上全班都采用一个设计题目,通常由教师指定,而学生则按照教师制定的方案,确定系统参数后,在此基础上进行性能分析,最后编写课程设计说明书。这样的结果是每个学生的题目都一样,所不同的只是角度,所以这种集中式的实践性教学环节,常常会限制学生的创造性思维,不利于培养学生发现问题和解决问题的能力,效果并不理想,甚至还存在抄袭现象。学生虽能按部就班地完成设计任务,但是却调动不了学生的设计兴趣,更谈不上对学生的各方面能力的培养。因此,为提高课程设计的教学效果,将SystemView软件引入到“通信原理”课程设计中来是解决以上问题的良好途径[1-2]。
1SystemView软件及其特点
SystemView是 ELANIX公司推出的一个完整的动态系统设计、模拟和分析的可视化软件。它操作简单、使用方便,可提供用于系统建模的基本模块,用户只需根据所要设计的系统,从图符库中选择合适的图符并设置好参数,完成图符间的连线后运行仿真操作,系统的仿真分析结果便会以时域波形、眼图、功率谱、星座图和各类形式呈现。因此在不具备先进仪器的条件下同样能完成复杂的通信系统设计与仿真。其主要功能如下:
(1) 能仿真大量的应用系统。SystemView内置大量可选择的库,能在DSP、通信和控制系统应用中构造复杂的模拟、数字、混合及多速率系统[3]。尤其适合无线通信(GSM、CDMA、DSSS等)、调制解调器以及卫星通信系统的设计。
(2) 快速方便的动态系统设计与仿真。学生通过SystemView软件,快速建立系统,并在对话框内快速访问和调整参数,实时修改实时显示。SystemView图标库提供几百种信号源、接收端、操作符和功能块,能够方便快捷地建立各类通信系统模型。
(3) 先进的信号分析和数据块处理。SystemView提供的分析窗口是一个能够提供系统波形详细检查的交互式可视环境[4]。分析窗口还提供了一个能对仿真数据进行块处理操作的接收计算器。
(4) 多速率系统和并行系统。SystemView允许合并多种数据采样率输入的系统。这种特性非常适合于同时具有低频和高频部分的通信系统的设计与发展,有利于提高整个系统的仿真速度,而在局部又不会降低仿真的精度。另外SystemView 专门提供了一个专用接口M-LINK,通过该接口,可以实现与Matlab之间数据的交换[5]。
2仿真实例
本文以实现无线局域网中的正交频分复用 (OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing ) 技术为例,用SystemView进行仿真实验。OFDM系统的基本思想是:把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输 ,从而使子载波上的符号速率大幅度降低,符号持续时间大大加长,因而对时延扩展有较强的抵抗力,减小了符号间干扰的影响。其系统实现框图如图1所示。
由于OFDM采用的基带调制为离散傅立叶反变换,可以认为数据的编码映射是在频域进行的,经过IFFT变换为时域信号发送出去,在接收端通过FFT恢复出频域信号。
2.1绘制电路图
SystemView主要由系统设计窗口和系统分析窗口两大部分组成。所有系统的设计等基本操作,都是在设计窗口内完成。在系统设计窗口中它提供了算子图符库、函数图符库、信号源图符库和信号接收器图符库。在系统分析中SystemView设置了信号接收器图符库作为分析窗口,为时域和频域的波形与数值分析提供了方便的途径。
首先,利用系统设计窗口绘制电路原理图。绘制好的电路图如图2所示。
在OFDM系统中,符号周期、载波间距和子载波数应当根据实际应用条件合理选择。符号周期的大小影响载波间距以及编码调制延迟时间。若信号星座固定,则符号周期越长,抗干扰能力越强,但是载波数量及FFT的规模也越大。子载波的数量根据信道带宽、数据速率以及符号周期来确定。在本例中,信号输入使用了两个低频率(64Hz)的伪随机序列(图符0和图符5)来表示。经过采样频率为64Hz的采样器后输入到OFDM调制器中,在接收端用两个延时器仿真信号在信道中的传输,最后经OFDM解调器解调输出。
2.2运行仿真
按照以上仿真图的参数设定好后,鼠标点击工具条上的“Run System”或者用键盘上的“F5”功能键,系统自动描绘出各个“观察窗”中的图形。
系统仿真过程中人机交互能力很强,仿真过程可随时暂停或终止,也可随时修改参数,比较不同参数下的系统运行结果。图3是0路信号调制后的信号波形图,图4是1路信号经调制后输出的信号波形。图5、图6可看出信号输入输出有一些延时外,基本一致。限于篇幅,以上仅以调制解调为例,分析了OFDM系统的原理,另外还可搭建误码率模块来完成误码率的统计,可以方便的得到误码率波形图,观察此时系统的抗干扰能力。
5结语
将SystemView引入到“通信原理”课程设计中来,不仅大大丰富了课程设计的内容,而且还培养了学生的团队意识。多样的课程设计内容使学生有了挑战性的任务,学生容易产生兴趣,效果较好,达到了教学创新的目的。通过实践发现,大部分同学都在规定的时间内完成了设计,达到了综合性设计的目的,既巩固、训练了学生的专业知识,又促进了学生其他技能的提高,对后续课程的学习以及学生适应日后工作都大有裨益。课程设计结束后,教师可以进行讲评和总结。选出具有代表性的设计作品详细分析,指出其优点以及不足之处,使学生在今后的学习中扬长避短,这对培养学生思维能力是有效的。改革后的课程设计不仅增加了学生的工作量和设计难度, 相应地也增加了指导教师的工作量和教学难度。指导教师要做好充分准备,对设计中可能出现的各种方案及其特点要有充分认识,正确引导学生。另外教师本身还必须不断学习新经验、新知识,不断充实自己,提高自身素质。只有教师的素质提高了,才能保证课程设计质量的提高。
参考文献:
[1] 青松,程岱松,武建华. 数字通信系统的SystemView仿真与分析[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2000.
[2] 史庆军,史庆武,吕志武. 通信系统仿真软件SystemView及其应用[J]. 佳木斯大学学报,2007(6):735-737.
[3] 杨春,姚新宇. 基于SystemView的GPS卫星信号仿真[J]. 微计算机信息,2007(6):252-254.
[4] 赵旦峰,郝学飞. 基于SystemView对直扩系统的仿真及分析[J]. 应用科技,2002(1):34-36.
[5] 张辉,曹丽娜.现代通信原理与技术[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2002.
Teaching Reform and Research of the Course of Communication Principle Based on SystemView.
XUE Qin
(Department of Information Technology, Hubei University of Police, Wuhan 430034,China)
Abstract: The time assigned to the course design of "Principle of Communication" is short. Restriction of experimental equipment lead to monotonous topics and can’t work up the interest of student. Aimed at all the above problems, the SystemView software is introduced to the course design. A large number of libraries can be used to simulate actual system in SystemView. The students can establish the model of various communication systems easily. Through the collaboration, students could also develop the awareness of the team. The example of the use of OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) in wireless local area network is introduced. All the produces of establishing the simulation system by SystemView and the experiment results are shown in detail.
Key words: communication principle; teaching reform; orthogonal frequency division multiplexing; simulated experiment
(编辑:白杰)