何偉剛， 李政林， 章 帆

(廣西科技大學(xué) 電氣與信息學(xué)院， 廣西 柳州 545006)

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移動通信直序擴(kuò)頻虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

何偉剛， 李政林， 章 帆

(廣西科技大學(xué) 電氣與信息學(xué)院， 廣西 柳州 545006)

為克服移動通信傳統(tǒng)教學(xué)方法內(nèi)容枯燥，難于理解，實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限等弊端，我們在該課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中突出技術(shù)實(shí)用性和現(xiàn)代性等特點(diǎn)，采用移動通信調(diào)制解調(diào)聯(lián)合建模方法，基于Verilog語言在QuartusⅡ開發(fā)平臺上進(jìn)行仿真，結(jié)果用二維圖顯示出來，可以清晰地看到每個(gè)信號的波形，為學(xué)生直觀展示偽隨機(jī)的寬帶信號，擴(kuò)頻調(diào)制與解調(diào)變化以及 碼元判決等相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，有助于學(xué)生更好地理解擴(kuò)頻調(diào)制與解調(diào)及信號分析。學(xué)生易于掌握綜合性相關(guān)知識點(diǎn)，增強(qiáng)理論與實(shí)際相結(jié)合的能力。

教學(xué)方法； 仿真； 知識點(diǎn)； 應(yīng)用效果； 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)

0 引 言

移動通信課程是大學(xué)本科電子信息類專業(yè)的一門重要專業(yè)課,既有豐富的基礎(chǔ)理論,又有一定的電子實(shí)踐知識,同時(shí)又包含利用這些知識解決實(shí)踐問題的方法[1-2]。由于資金短缺,儀器設(shè)備不足。設(shè)備的更新?lián)Q代比較慢，實(shí)驗(yàn)開展受到硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，硬件實(shí)驗(yàn)資源緊張，易于損壞[3-4]。該學(xué)科存在數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，理論性強(qiáng)，抽象理論偏重公式推導(dǎo)，計(jì)算工作量大，計(jì)算復(fù)雜，難以理解的特點(diǎn)和難點(diǎn)[5-6]。缺乏創(chuàng)新引導(dǎo)，不便于學(xué)生具體實(shí)踐"難以引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[7]。

本文以電子信息工程專業(yè)的移動通信課程為例，根據(jù)本課程教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，在闡述移動通信課程內(nèi)容特點(diǎn)基礎(chǔ)上，在課程的教學(xué)過程中將基礎(chǔ)理論教學(xué)與 仿真模擬實(shí)踐環(huán)節(jié)聯(lián)系到一起，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)深度結(jié)合在一起，采用了移動通信調(diào)制解調(diào)聯(lián)合仿真建模方法，通過開展仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革活動，以移動通信系統(tǒng)的直接序列擴(kuò)頻通信仿真建模技術(shù)為基礎(chǔ)，利用擴(kuò)頻通信原理和FPGA的相關(guān)知識，以及，各個(gè)模塊的Verilog語言在QuartusⅡ開發(fā)平臺上進(jìn)行仿真，得出各模塊的仿真波形圖。優(yōu)化移動通信課程教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段，讓學(xué)生直面實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，并引導(dǎo)本科生進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣提高學(xué)生的應(yīng)用能力與科技創(chuàng)新能力。

1 實(shí)驗(yàn)原理

直擴(kuò)系統(tǒng)是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)(PN)序列擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)送端擴(kuò)展用的相同的偽隨機(jī)序列對接收到的擴(kuò)頻信號進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出原來的信息。干擾信號由于與偽隨機(jī)序列不相關(guān)，在接收端被擴(kuò)展，使落入信號頻帶內(nèi)的干擾信號功率大大降低，從而提高了系統(tǒng)的輸出信噪比，達(dá)到抗干擾的目的[8-10]。一種典型的擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 擴(kuò)頻通信原理圖

信息理論中香農(nóng)的信道容量公式是擴(kuò)頻通信的基本理論，根據(jù)香農(nóng)公式，得出信道中的信噪比和傳輸信息的信道帶寬以及無差錯(cuò)傳輸信道傳輸信息的能力與之間的關(guān)系。當(dāng)噪聲信號功率比N/S在任意給定情況下，只要對傳輸信息的帶寬B進(jìn)行增加，無差錯(cuò)地傳輸信息的速率C在信道中也就同樣得以增加[11]。當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號噪聲功率比S/N在信道中下降時(shí)，要維持信道容量C的不變可以對系統(tǒng)傳輸帶寬B進(jìn)行增加。換言之信號的噪聲功率比S/N下降且傳輸速率任意給定時(shí)，要獲得比較低的信息差錯(cuò)率就應(yīng)該增大系統(tǒng)的傳輸帶寬[12]。這意味著隨著信道帶寬B的增加，信道即便是在比較低的信噪比情形下還是能夠在相同容量下傳輸信息。即使在噪聲把信號淹沒的情況下，只要增加相應(yīng)的信號帶寬就可以保持通信的可靠性[13]。所以根據(jù)上述理論，擴(kuò)頻系統(tǒng)把待傳輸信息信號通過高速率擴(kuò)頻碼帶寬擴(kuò)展的手段，從而使系統(tǒng)抗干擾性能得以實(shí)現(xiàn)，通常的通信系統(tǒng)的帶寬和擴(kuò)頻的帶寬相比要小好幾百倍到幾萬倍，因而在信號功率以及信息傳輸速率都一樣的情況下，在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾能力得以更強(qiáng)的表現(xiàn)出來[14]。

鑒于本門課程在基礎(chǔ)理論部分涉及大量公式推導(dǎo)及計(jì)算，計(jì)算工作量大，計(jì)算復(fù)雜，用其強(qiáng)大的仿真計(jì)算功能完成移動通信復(fù)雜公式計(jì)算及圖形繪制。這樣，可以使學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容有直觀認(rèn)識，在豐富教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，可以增強(qiáng)理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2 仿真設(shè)計(jì)

2.1 直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的PN碼發(fā)生器

直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的PN碼發(fā)生器采用M序列發(fā)生器，本設(shè)計(jì)則采用5級移位寄存器來實(shí)現(xiàn)M序列發(fā)生器。本設(shè)計(jì)借用Matlab軟件仿真參數(shù)的M序列，并將系數(shù)存入FPGA的ROM里面，通過調(diào)用ROM實(shí)現(xiàn)M序列輸出。圖2是通過調(diào)用ROM里面的系數(shù)的M序列的仿真圖。

圖2 5級M序列發(fā)生器波形仿真圖

從圖2中可以清楚的看出，m_end表示5級M序列碼發(fā)生器一個(gè)周期結(jié)束的信號，在一個(gè)周期中可以看出產(chǎn)生了31 bit數(shù)字碼，完成了該模塊的設(shè)計(jì)要求。觀察輸入信號和輸出信號的波形相位及頻率變化M序列可以產(chǎn)生最大長度的碼序列是2n-1位偽隨機(jī)碼載波是一種不可預(yù)測的,或稱之為偽隨機(jī)的寬帶信號。

2.2 擴(kuò)頻調(diào)制模塊設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證

擴(kuò)頻調(diào)制模塊是完成用戶信息擴(kuò)頻的功能，擴(kuò)頻系統(tǒng)用高速率的擴(kuò)頻碼把待傳輸信息信號帶寬展寬的手段，達(dá)到了優(yōu)化抗干擾能力的效果[15]。本設(shè)計(jì)采用如下方法實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻：首先用Matlab生成M序列系數(shù)、反向M序列系數(shù)分別存入FPGA的ROM_m、ROM_n_m兩個(gè)ROM里面，通過改變兩個(gè)ROM的地址實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻信號的輸出。當(dāng)用戶數(shù)據(jù)為41時(shí)，ROM_m的輸入地址累加，并且該ROM數(shù)據(jù)輸出有效，從而輸出該M序列；當(dāng)用戶數(shù)據(jù)為0時(shí)，ROM_n_m的輸入地址累加，并且該ROM數(shù)據(jù)輸出有效，從而輸出該反向M序列，從而實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻調(diào)制的功能。

由圖3 RTL電路圖可以看出信源發(fā)生器的模塊，source_data是信源發(fā)生器輸出的端口，m_xulie是5級M序列碼輸出的端口，mod_data是經(jīng)擴(kuò)頻后信息輸出，m_end代表M序列一周期結(jié)束的時(shí)間。

圖3 發(fā)送端的RTL電路圖

在圖4擴(kuò)頻調(diào)制的仿真波形中，clk_rb是碼片速率即M序列的時(shí)鐘，clk_rb的周期是31ns，clk是信源速率即用戶信息時(shí)鐘，clk的周期是1ns，就得出調(diào)制信號mod_data。載波的帶寬比調(diào)制數(shù)據(jù)的帶寬要寬得多。通過課程實(shí)驗(yàn)，可以繞開繁瑣的計(jì)算!讓學(xué)生學(xué)習(xí)變得更直觀。

圖4 擴(kuò)頻調(diào)制的波形仿真圖

2.3 擴(kuò)頻解調(diào)模塊設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證

首先要對采集到的信號進(jìn)行匹配濾波，經(jīng)過匹配濾波得到所需要的脈沖，根據(jù)脈沖就可以判定是上支路碼元匹配還是下支路碼元匹配，從而達(dá)到解調(diào)判定的效果[16]。數(shù)據(jù)會經(jīng)過兩個(gè)匹配濾波器，這兩個(gè)匹配濾波器分別有M序列和反相M序列的系數(shù)，當(dāng)信號與其中一個(gè)濾波器匹配的時(shí)候，會輸出一個(gè)脈沖峰值。根據(jù)輸出的峰值，可以進(jìn)行抽樣判決，進(jìn)行碼元恢復(fù)。

圖5 接收端模塊的RTL電路圖

在圖5的接收端模塊的RTL電路圖中，sync_cnt是時(shí)間控制模塊模塊，它的作用找出峰值對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)；sync_sp是碼元判決模塊，該模塊內(nèi)部有一個(gè)峰值寄存器和時(shí)間估算寄存器，峰值寄存器存儲每個(gè)碼元周期內(nèi)出現(xiàn)的最大的峰值，時(shí)間估算寄存器存儲每個(gè)碼元周期內(nèi)出現(xiàn)最大峰值相對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，時(shí)間點(diǎn)由時(shí)間控制模塊計(jì)算得出，在每個(gè)碼元周期結(jié)束時(shí)峰值查找模塊內(nèi)部的峰值寄存器和時(shí)間估算寄存器同時(shí)清零重新計(jì)數(shù)。這樣每次得出的大峰值相對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)作為下一次采樣的時(shí)間點(diǎn)，以這樣的形式給采樣模塊提供采樣的定時(shí)信息，完成碼元采樣同步。

圖6 接收端的仿真波形圖

從圖6接收端的仿真波形可清楚地看出，輸入信號source_data由M序列以展寬信號的頻譜，展寬后的信號再經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制后發(fā)送出去，經(jīng)過兩次匹配濾波器后，對應(yīng)匹配會出現(xiàn)峰峰值，把峰峰值經(jīng)過碼元判決模塊級可以得到解擴(kuò)獲得數(shù)據(jù) de_spread，de_spread可以看出和輸入信號是一樣的，除去延時(shí)的影響，得到了和原信號一樣的輸出信號，接收過程是通過將本地產(chǎn)生的寬帶載波信號的復(fù)制信號與接收到的寬帶信號相關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。所以，接收端成功完成了還原原始信號的功能。

3 結(jié) 語

基于移動通信理論課程形成的知識架構(gòu)，針對該學(xué)科數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，理論性強(qiáng)，抽象難以理解的特點(diǎn)和難點(diǎn)。利用仿真技術(shù)開發(fā)具有典型意義的移動通信仿真實(shí)驗(yàn)，為解決上述問題提供了真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用活躍了教學(xué)氣氛，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果，使學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)對移動通信系統(tǒng)和擴(kuò)頻技術(shù)的相關(guān)理論有了較深的理解和掌握，并提高了學(xué)生的仿真實(shí)踐能力。培養(yǎng)學(xué)生熟悉移動通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)的設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)方法，掌握各類信息獲取、處理、傳輸?shù)燃夹g(shù)。能夠熟練地使用仿真分析工具，掌握常用的移動通信系統(tǒng)開發(fā)工具同時(shí)具備較強(qiáng)的工程設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)用能力。

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Virtual Experiment Teaching for Direct Spread Spectrum of Mobile Communications

HEWei-Gang，LIZheng-Lin，ZHANGFan

(School of Electrical and Information Engineering,Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China)

To overcome the shortcomings of traditional teaching method of mobile communications such as content boring, difficult to understanding, experiment equipment limited, malpractice,etc., we highlight practical and modern features of the course in experimental teaching. By mobile communications modulation demodulation joint method, based on Verilog language in Quartus II the authors develop a platform for simulation, and the simulating results are displied with 2-dimension figures such that waveform of every signal can be seen clearly. Students can intuitively understand pseudo random of broadband signals, spread frequency modulations and demodulation changes. It can help students better understand the spread spectrum modulation and demodulation, and the theory of signal analysis, make students easy to acquire comprehensive knowledge, and enhance the ability to combine theory with practice. Students are familiar with electronic systems design theory and design method, are mobilized their enthusiasm and scientific interest. Good results have been achieved in the teaching practice, and the simulation platform lays a solid foundation for subsequent related content learning.

teaching and learning methods; simulation; knowledge node; effects of application; direct sequency spread spectrum system

2015-01-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61464001)；廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目(2013JGA195)

何偉剛(1962-)，男，壯族，廣西柳州人，碩士，副教授，主要從事信號處理，通信系統(tǒng)，認(rèn)知無線電技術(shù)應(yīng)用等研究。

Tel.:0772-2687203; E-mail:hewgang@126.com

TP 46

A

1006-7167(2015)10-0104-04