基于SystemView仿真的模數(shù)信號混合傳輸綜合實驗設(shè)計

盧曉軒　李莉

【摘要】針對通信工程專業(yè)本科《通信原理》實驗課程設(shè)計的現(xiàn)狀，提出一個以學(xué)生自主設(shè)計，注重綜合性為指導(dǎo)思想的基于SystemView仿真的模數(shù)信號混合傳輸綜合實驗設(shè)計方案，并且完成了一個實驗方案設(shè)計及其SystemView實驗仿真系統(tǒng)的示例及仿真結(jié)果分析。

【關(guān)鍵詞】通信原理 實驗方案 模數(shù)混合 自主設(shè)計

【基金項目】中國石油大學(xué)（華東）精品實驗建設(shè)項目（項目編號：JS20141）：基于真實體驗的模、數(shù)信號混合傳輸綜合實驗。

【中圖分類號】TP393.09 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）01-0226-02

《通信原理》是通信工程專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是電子信息專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，學(xué)生對于該課程中概念和通信理論的掌握程度直接影響后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)效果。該課程的主要特點是數(shù)學(xué)推導(dǎo)多、理論分析多，通信原理實驗是讓學(xué)生透徹理解復(fù)雜的通信理論并學(xué)以致用的有效手段，因此通信原理實驗在通信原理教學(xué)環(huán)節(jié)中起著舉足輕重的作用。

本課程主要講述模擬通信理論和數(shù)字通信理論，而兩塊理論的結(jié)合是學(xué)生最難理解接受的難點，也是本課程的重點之一，目前國內(nèi)高校的相關(guān)實驗有的僅僅圍繞模擬通信理論進行設(shè)置，如AM實驗[1]、DSB實驗[2]，有的僅僅圍繞數(shù)字通信理論進行設(shè)置，如PSK實驗[3]，F(xiàn)SK實驗[4]，16QAM實驗[5]，有的圍繞模擬信號數(shù)字化進行設(shè)置，比如PCM實驗[6-7]，而對于模擬信號和數(shù)字信號混合傳輸卻少有實驗涉及。模數(shù)信號混合傳輸是指一個模擬信源和一個數(shù)字信源所發(fā)出的信號復(fù)用同一信道傳輸后，分別到達相對應(yīng)的信宿，這是現(xiàn)實世界中經(jīng)常用到的通信場景，相關(guān)理論對于初學(xué)者來說也是一個難點。

因此本文提出在《通信原理》課程的實驗教學(xué)中，要求學(xué)生設(shè)計并仿真實現(xiàn)一個具有綜合性、設(shè)計性的模數(shù)信號混合傳輸系統(tǒng)的實驗教學(xué)思路。由于該實驗方案涵蓋模擬通信理論和數(shù)字通信理論的絕大多數(shù)內(nèi)容，還涉及信道復(fù)用技術(shù)及信道編碼技術(shù)，主要目的是在幫助學(xué)生理解以上難點的基礎(chǔ)上，促進學(xué)生建立起通信系統(tǒng)的概念、深入理解并綜合運用所學(xué)過的通信相關(guān)知識、培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、創(chuàng)新設(shè)計能力和實踐能力。

1.模數(shù)信號混合傳輸綜合實驗方案設(shè)計

為了在實驗教學(xué)中啟發(fā)學(xué)生的設(shè)計思路，本文設(shè)計了一個基本的模數(shù)信號混合傳輸綜合實驗方案的示例，其原理框圖如圖1所示。

由模擬信號源輸出的模擬信號輸入PCM編碼模塊，完成PCM編碼后變成數(shù)字信號輸出后和數(shù)字信號源的輸入一起輸入到數(shù)字復(fù)接模塊完成數(shù)字信號的復(fù)接，復(fù)接后的混合信號，經(jīng)過數(shù)字調(diào)制后送入信道。到達接收端后，經(jīng)過數(shù)字解調(diào)模塊完成解調(diào)后的復(fù)合信號經(jīng)過解復(fù)用模塊，完成信號分離，分別送到數(shù)字信宿和PCM解碼模塊，由PCM解碼模塊完成D/A轉(zhuǎn)化后還原成原來的模擬信號送給模擬信宿，因此在同一信道中實現(xiàn)了模擬信號和數(shù)字信號的混合傳輸。

在實驗教學(xué)中，每個學(xué)生都可以在以上實驗方案示例的啟發(fā)下，根據(jù)自己的設(shè)想，任意設(shè)計一個模數(shù)信號混合傳輸?shù)膶嶒炏到y(tǒng)，如可以實現(xiàn)多路數(shù)字信號和模擬信號的復(fù)用和混合傳輸，根據(jù)需要選擇不同調(diào)制方式和復(fù)用方式等。

2.基于SystemView的仿真實驗系統(tǒng)設(shè)計及分析

systemView 是ELANIX公司推出的信號級動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計、模擬和分析軟件，其特點是功能強大、用途廣泛[6]。SystemView提供了大量的功能塊、信號源、接收端、算子圖符和函數(shù)庫，使用者往往只需要通過功能模塊的連接以及參數(shù)設(shè)置，就可以完成通信系統(tǒng)的搭建，這樣就把使用者的精力從編程和電路設(shè)計上解放出來，而專注于項目思想的設(shè)計與實現(xiàn)。學(xué)生應(yīng)用該仿真工具可以較快上手、較方便地驗證自己設(shè)計的通信系統(tǒng)性能，教學(xué)實踐也證明，SystemView是很受學(xué)生歡迎的仿真實驗工具。因此，本實驗也要求學(xué)生采用SystemView進行模數(shù)混合傳輸實驗的仿真系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)。

2.1仿真系統(tǒng)設(shè)計

圖2所示的是根據(jù)圖1所示的實驗方案，采用SystemView搭建的仿真系統(tǒng)?；竟δ苣K如下：

噪聲源2的輸出信號經(jīng)過低通濾波器2后的得到模擬信號，作為模擬信號源的輸出。該模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊3后完成PCM編碼。得到的數(shù)字信號輸入到數(shù)字復(fù)用器6的輸入端，與數(shù)字信號源4發(fā)出的數(shù)字信號一起由數(shù)字復(fù)用器6實現(xiàn)同步的數(shù)字復(fù)接。復(fù)用后的信號由數(shù)字調(diào)制模塊8實現(xiàn)2DPSK的數(shù)字調(diào)制后送到信道中，在信道中加載上高斯白噪聲。到接收端到通過帶通濾波器后在數(shù)字解調(diào)模塊11完成2DPSK的數(shù)字解調(diào)，通過延遲器12后，送入到數(shù)字解復(fù)用器13。完成數(shù)字解復(fù)用的信號，一路直接送給數(shù)字信宿；一路通過D/A轉(zhuǎn)換模塊14完成PCM編碼解調(diào)后恢復(fù)為原來的模擬信號，送給模擬信宿。

在該仿真系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換模塊3、D/A轉(zhuǎn)換模塊14、2DPSK調(diào)制模塊、2DPSK解調(diào)模塊都需要自行設(shè)計，具體細節(jié)不再一一贅述。

本示例中的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計如下：低通濾波器2的截止頻率為15Hz，PCM編碼是抽樣頻率為50 Hz，每個抽樣脈沖編為4位二進制碼元，因此A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)字碼元的速率為200bit/s，數(shù)字信源發(fā)送速率也是200bit/s。復(fù)用后速率為400bit/s。2DPSK調(diào)制時，載波頻率為4000 Hz。延遲器（模塊12）的延遲時間為2.5ms，即復(fù)用的一個碼元時間長度。

2.2仿真結(jié)果分析

在實驗中，學(xué)生可在搭建的仿真系統(tǒng)中觀察傳輸?shù)哪M信號和數(shù)字信號的波形，考查信號的傳輸質(zhì)量，從而評估設(shè)計的系統(tǒng)的性能。

圖3所示的是圖2所示的仿真系統(tǒng)中的部分收發(fā)信號的波形圖。

由仿真結(jié)果可見，模擬信號傳輸后波形幾乎無失真，表明設(shè)計的模數(shù)混合系統(tǒng)的可靠性較高。

3.總結(jié)

本文針對《通信原理》課程的難點和目前實驗課設(shè)置存在的問題，提出一個以學(xué)生自主設(shè)計，注重綜合性為指導(dǎo)思想的基于SystemView仿真的模數(shù)信號混合傳輸綜合實驗設(shè)計方案，并且給出了一個實驗方案設(shè)計、SystemView實驗仿真系統(tǒng)的示例及仿真結(jié)果分析。該方案能在實現(xiàn)幫助學(xué)生深入理解和運用模擬通信和數(shù)字通信理論的基礎(chǔ)上理解和實現(xiàn)模數(shù)混合傳輸?shù)幕灸繕说那疤嵯?，有效的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的綜合設(shè)計能力和自主學(xué)習(xí)的意識；也體現(xiàn)了差異化、層次化的教學(xué)理念，對促進學(xué)生完成知識的內(nèi)化和追求個人發(fā)展的最大化是極為有利的。

參考文獻：

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作者簡介：

盧曉軒（1971-），男，副教授，主要研究方向為智能電網(wǎng)、下一代網(wǎng)絡(luò)。

李莉（1976-），女，講師，研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、低壓電力線載波通信技術(shù)。