程文清

華北電力大學(xué) 河北保定 071003

近幾年來，無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，社會對相應(yīng)的專業(yè)人才需求也與日俱增，加強(qiáng)通信工程專業(yè)無線通信原理課程的建設(shè)迫在眉睫。無線通信原理課程具有專業(yè)性強(qiáng)、理論性強(qiáng)、涉及內(nèi)容廣而新的特點(diǎn)，要求加強(qiáng)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)。

1 實踐環(huán)節(jié)建設(shè)的必要性

在無線通信原理課程教學(xué)的過程中，學(xué)生不僅需要熟練掌握信號與系統(tǒng)和通信原理的基礎(chǔ)知識，還要掌握電磁波傳播的理論。無線信道的時變特性要求我們從時域和頻域多方面分析其傳播特性。傳統(tǒng)的公式推導(dǎo)和理論分析的教學(xué)方法，不但枯燥無味，而且很難讓學(xué)生深刻理解其現(xiàn)實的物理意義。為此，實驗教學(xué)對提高無線通信原理課程的教學(xué)質(zhì)量具有重要意義。原有的Matlab仿真環(huán)境由于需要考慮很多代碼方面的問題，所以需要較長時間的學(xué)習(xí)才能夠掌握和應(yīng)用。學(xué)生普遍反映編寫通信仿真程序時由于對編程語言不熟練而感覺很吃力[1]，從而影響到對專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣和對內(nèi)容的理解，以及對所學(xué)專業(yè)知識整體運(yùn)用的能力。因此，為提高課程及實驗的教學(xué)效果，我們將SystemVue軟件仿真平臺引入無線通信系統(tǒng)仿真實驗中。SystemVue采用圖形化的建模方式，簡單易懂，淡化了設(shè)計工具帶來的困惑。設(shè)計時僅需要了解各種模塊和參數(shù)的物理意義，以及它們之間的相互依從關(guān)系，就可以通過構(gòu)建系統(tǒng)模型的方法，分析和驗證課程理論問題[1]。近兩年來，我們對仿真實驗內(nèi)容及仿真實驗教學(xué)方法進(jìn)行了實踐與探索，并取得了良好的教學(xué)效果。

2 實驗內(nèi)容的設(shè)置

實驗設(shè)置方面以突出無線通信原理課程的基本概念，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)框架設(shè)計，注重實驗內(nèi)容的時效性及實用性為原則，分別從調(diào)制解調(diào)技術(shù)及無線通信系統(tǒng)信道特性方面設(shè)置了仿真實踐環(huán)節(jié)。為學(xué)生深刻理解課程的內(nèi)容，擴(kuò)展知識水平結(jié)構(gòu)，把握現(xiàn)代無線通信新技術(shù)的發(fā)展方向提供了全面的實驗環(huán)境。實驗內(nèi)容分為兩個方面。

2.1 調(diào)制技術(shù)的仿真

未來移動通信技術(shù)朝著數(shù)字化方向發(fā)展，其中的關(guān)鍵是數(shù)字調(diào)制技術(shù)。無線通信系統(tǒng)對數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求是：已調(diào)信號的頻譜窄、帶外衰減快；容易采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)；抗噪聲和抗干擾能力強(qiáng)；適宜在衰落信道中傳輸[2]。

在調(diào)制原理仿真實驗中設(shè)置了常見調(diào)制技術(shù)的內(nèi)容，包括GMSK調(diào)制、π/4 QPSK調(diào)制、擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)等內(nèi)容?；A(chǔ)性的原理仿真實驗可以讓學(xué)生深刻體會常見調(diào)制解調(diào)技術(shù)的基本原理及其抗干擾性能，同時可以讓學(xué)生熟悉SystemVue軟件實驗的環(huán)境，為以后的實踐環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)。

2.2 系統(tǒng)信道仿真

無線通信信道是一個時變信道。無線電波的傳播環(huán)境是影響無線信道傳輸性能的最主要因素，各種復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境會對信號產(chǎn)生路徑損耗、多徑效應(yīng)、多普勒平移等各種衰落現(xiàn)象。因此，研究無線信道的傳播特性具有重要的學(xué)術(shù)價值和實際意義。SystemVue仿真平臺可以快速、靈活地模擬各種復(fù)雜的傳播環(huán)境。利用軟件提供的信號源圖符庫、算子圖符庫、函數(shù)圖符庫、信號接收器圖符庫中的各種仿真模塊，可以很方便地建立各類無線信道的仿真模型，結(jié)合仿真波形輸出窗口和接收計算器處理功能，對信道的傳播特性進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究[2-4]。

在信道仿真實踐環(huán)節(jié)中設(shè)置了無線通信信道特性分析和系統(tǒng)信道分析的內(nèi)容。無線信道傳播特性分析包括Jake移動信道、Rice多徑衰落信道、自定義多徑信道等幾種典型的無線信道的仿真。通過仿真分析，學(xué)生可以了解路徑數(shù)量、最大延遲、衰落系數(shù)等參數(shù)對不同信道模型的影響。無線通信系統(tǒng)信道仿真包括上行鏈路的接入信道和下行鏈路業(yè)務(wù)信道的仿真，在信道仿真方面根據(jù)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖來搭建信道仿真平臺并配置各個功能模塊的參數(shù)，分析參數(shù)變化對系統(tǒng)信道傳輸性能的影響，從而深刻了解無線通信系統(tǒng)的組成及原理。

3 實驗教學(xué)方法及實例

3.1 利用SystemVue實現(xiàn)仿真的實驗方法

(1)研究無線通信系統(tǒng)的基本原理及數(shù)學(xué)模型，根據(jù)工作原理設(shè)計系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖。

(2)建立仿真模型。從仿真平臺提供的各類圖符庫中選擇相應(yīng)的功能模塊，建立系統(tǒng)仿真模型。

(3)設(shè)置仿真參數(shù)。分析系統(tǒng)原理，設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和各功能模塊的配置參數(shù)。

(4)運(yùn)行仿真并分析結(jié)果。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，調(diào)整各功能模塊的配置參數(shù)，運(yùn)行并分析仿真結(jié)果。

3.2 以對無線通信系統(tǒng)中常用的MSK調(diào)制解調(diào)的仿真過程為例，說明實驗的具體方法

(1)根據(jù)系統(tǒng)原理構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

最小移頻鍵控(MSK)信號的表達(dá)式為

其中，kTb≤t≤(k+1Tb)

式中，an和bn分別為輸入數(shù)據(jù)序列的奇、偶序列，Tb為數(shù)據(jù)比特持續(xù)時間。

根據(jù)MSK調(diào)制原理建立其調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)框圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 MSK調(diào)制原理框圖

圖2 MSK解調(diào)原理框圖

(2)根據(jù)系統(tǒng)框圖，利用SystemVue仿真平臺提供的圖符庫，建立仿真模型(如圖3和圖4所示)。

圖3 MSK正交調(diào)制電路

圖4 MSK相干解調(diào)電路

圖5 MSK調(diào)制信號局部放大結(jié)果

圖3中，圖標(biāo)23，24，77執(zhí)行差分編碼功能；圖標(biāo)27，28，29，30，31，32，33執(zhí)行串/并變換功能；圖標(biāo)34，35，39執(zhí)行fr的載波調(diào)制的功能；圖標(biāo)36，37，40執(zhí)行fc的載波調(diào)制的功能；圖標(biāo)38執(zhí)行將I、Q兩路正交信號混合的功能；圖標(biāo)42則輸出被MSK調(diào)制后的信號。圖5為輸出的MSK調(diào)制信號局部放大結(jié)果。

圖4中，圖標(biāo)24，25，28執(zhí)行對頻率為fr的載波進(jìn)行相干解調(diào)的功能；圖標(biāo)26，27，29執(zhí)行對頻率為fc的載波進(jìn)行相干解調(diào)的功能；圖標(biāo)30，31，32執(zhí)行對相干解調(diào)后的信號進(jìn)行清洗積分的功能；圖標(biāo)33，34，35，36，37執(zhí)行變并行序列為串行符號的功能；圖標(biāo)38執(zhí)行多路信號進(jìn)行合成的功能；圖標(biāo)39，40，41，41，7，45執(zhí)行將信號解差分編碼的功能。圖標(biāo)49輸出相干解調(diào)后的恢復(fù)信號波形，如圖7所示。

(3)仿真結(jié)果分析

通過觀察仿真系統(tǒng)中輸入信息序列的波形及相干解調(diào)后輸出信息序列的波形，可以驗證仿真系統(tǒng)的正確性。通過觀察調(diào)制系統(tǒng)中MSK調(diào)制信號的波形，可以直觀理解MSK信號連續(xù)相位調(diào)制的特點(diǎn)。

比較圖6和圖7的波形，可以發(fā)現(xiàn)相干解調(diào)后的信號相對于信號源有一定的時間延遲，這是SystemVue軟件本身所導(dǎo)致。說明用正交兩路調(diào)制方法和相干解調(diào)進(jìn)行設(shè)計的MSK調(diào)制器是正確的。

圖6 輸入信息序列波形

圖7 解調(diào)后輸出信息序列波形

4 結(jié)束語

從實驗內(nèi)容的實施來看，學(xué)生普遍反映實驗教學(xué)能從直觀的角度，使他們進(jìn)一步理解和鞏固了課堂所學(xué)的理論知識，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，通過實踐訓(xùn)練，加強(qiáng)了學(xué)生對無線通信系統(tǒng)原理的時域、頻域以及信道、信號的物理特性等多方面分析和理解，對提高教學(xué)質(zhì)量及學(xué)生實踐能力具有重要意義。

[1]張素香,王雅寧.基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的通信系統(tǒng)仿真[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2011(17):72-74.

[2]拉帕波特.無線通信原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[3]李巖,張智勇.SystemView在無線移動信道仿真中的應(yīng)用[J].信息科技,2010(15):210-211.

[4]孫屹.SystemView通信仿真開發(fā)手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.