吳仕勛 吳 豪 周曠宇 徐 凱 許登元

（重慶交通大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074）

引言

我校通信工程專業(yè)于2019年獲批重慶市一流專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目，并于2021年啟動(dòng)通信工程專業(yè)的工程教育認(rèn)證工作。移動(dòng)通信作為通信工程專業(yè)的核心課程存在以下兩個(gè)需要解決的問(wèn)題。一方面，在課程內(nèi)容上需要進(jìn)行整合；另一方面，該課程的特點(diǎn)是理論性較強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)抽象且難度系數(shù)較大，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門專業(yè)理論課程的過(guò)程當(dāng)中往往覺(jué)得枯燥無(wú)味，提不起學(xué)習(xí)興趣。因此，有必要針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題開(kāi)展移動(dòng)通信課程的改革工作。

現(xiàn)有關(guān)于移動(dòng)通信的教學(xué)改革成果大多從宏觀上闡述移動(dòng)通信原理課程的改革思路和經(jīng)驗(yàn)，未見(jiàn)從微觀上對(duì)移動(dòng)通信課程的各個(gè)教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)性開(kāi)發(fā)相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[1]。不同于OFDM仿真實(shí)驗(yàn)和語(yǔ)音通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)[2-3]。本文的主要工作是針對(duì)移動(dòng)通信原理的教材，提煉出該課程的重點(diǎn)理論知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建銜接重點(diǎn)理論知識(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，有效促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，鍛煉學(xué)生的代碼設(shè)計(jì)與編寫能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)達(dá)成度的完成[4]。

一、移動(dòng)通信課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)建

移動(dòng)通信課程理論教學(xué)的重難點(diǎn)內(nèi)容如圖1所示，主要包括調(diào)制技術(shù)和抗衰落技術(shù)。由于受實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的限制，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僅包括調(diào)制技術(shù)（實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證）和擴(kuò)頻技術(shù)仿真，其他的抗衰落技術(shù)如信道編碼、信道均衡、分集等技術(shù)并未涉及。為了填補(bǔ)本課程的仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容空白，本文構(gòu)建了基于MATLAB的五個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而形成了完整的銜接抽象理論知識(shí)的移動(dòng)通信課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，有利于學(xué)生更深入地掌握調(diào)制與抗衰落技術(shù)的基本原理[5]。

圖1 移動(dòng)通信課程的理論課程

二、調(diào)制技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

1．QPSK調(diào)制技術(shù)

QPSK調(diào)制技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)流程為隨機(jī)產(chǎn)生比特流，通過(guò)串并變換分為I路和Q路，分別與載波信號(hào)相乘，相加后得到QPSK信號(hào)。經(jīng)過(guò)AWGN信道后，分別進(jìn)入I路和Q路與載波信號(hào)相乘，通過(guò)低通濾波器將2倍頻濾除（等價(jià)于積分器），抽樣判決后并串變換還原原始的比特流[6]。

通過(guò)設(shè)定比特?cái)?shù)，比特周期，載波頻率、采樣頻率、信噪比等參數(shù)，得到信號(hào)波形的仿真對(duì)比，可以清楚知道接收端能夠還原原始的信號(hào)波形。通過(guò)該仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，同學(xué)們能夠很好地掌握整個(gè)QPSK信號(hào)調(diào)制與解調(diào)過(guò)程[7]。

2．QAM調(diào)制技術(shù)

QAM調(diào)制技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)流程利用randi函數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)的二進(jìn)制比特流，依據(jù)調(diào)制的階數(shù)將二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，結(jié)合格雷映射的原理進(jìn)行映射，再利用qammod函數(shù)實(shí)現(xiàn)星座映射產(chǎn)生復(fù)值的基帶信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)AWGN信道加入了復(fù)值的高斯白噪聲，對(duì)接收信號(hào)利用qamdemod函數(shù)進(jìn)行星座逆映射，同樣結(jié)合格雷映射的原理進(jìn)行復(fù)原，最后將十進(jìn)制轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制的比特流[8]。

通過(guò)設(shè)置調(diào)制階數(shù)為16，將接收端與發(fā)射端的比特流進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)出錯(cuò)誤的符號(hào)數(shù)與比特?cái)?shù)，與書本上的理論數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，可知理論值與仿真值大體一致。通過(guò)該仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，同學(xué)們掌握了采用星座點(diǎn)圖的方式較簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了QAM的調(diào)制與解調(diào)，并能夠驗(yàn)證理論值的正確性[9]。

三、抗衰落技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

1．信道編碼技術(shù)

信道編碼技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)流程通過(guò)主函數(shù)demo來(lái)實(shí)現(xiàn)。發(fā)射端首先使用input函數(shù)進(jìn)行信號(hào)的輸入，調(diào)用scramble函數(shù)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加擾，然后調(diào)用coder函數(shù)對(duì)加擾后的信號(hào)進(jìn)行卷積編碼。該信號(hào)經(jīng)過(guò)高斯白噪聲信道，在接收端調(diào)用decoder函數(shù)進(jìn)行信道譯碼，再調(diào)用scramble函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解擾。為了更直觀地比較仿真實(shí)驗(yàn)的效果，調(diào)用drawSig函數(shù)實(shí)現(xiàn)繪圖[10]。

第一，加擾與解擾。在scramble函數(shù)中，通過(guò)一個(gè)子函數(shù)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)m序列，然后將該序列與輸入信號(hào)進(jìn)行異或操作實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的加擾。同理，解擾也是通過(guò)調(diào)用scramble函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)原信號(hào)的還原。

第二，卷積編碼與譯碼。子程序coder通過(guò)簡(jiǎn)單的模2加運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了（3，1，3）卷積編碼器，一個(gè)輸入，三個(gè)輸出，寄存器為3。信道譯碼采用Viterbit譯碼，設(shè)計(jì)了一個(gè)dist子函數(shù)用于累加漢明距離的計(jì)算，而decoder函數(shù)通過(guò)不斷地調(diào)用dist函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)總漢明距離的統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出最少漢明距離，從而實(shí)現(xiàn)了接收信號(hào)的信道譯碼[11]。

第三，繪圖。為了直觀顯示脈沖信號(hào)，drawSig函數(shù)將每個(gè)信號(hào)值重復(fù)多次，從而更為準(zhǔn)確地繪圖圖形[12]。

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生進(jìn)一步掌握了卷積編譯碼原理及其在通信系統(tǒng)中的作用。

2．信道均衡技術(shù)

信道均衡技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)流程也是通過(guò)主函數(shù)demo來(lái)實(shí)現(xiàn)。主函數(shù)的random_binary子函數(shù)產(chǎn)生多個(gè)雙極性碼，信道channel子函數(shù)加入了高斯白噪聲并包含碼間干擾。接收端接收到信號(hào)后，設(shè)計(jì)一個(gè)lms_equalizer子函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡，通過(guò)判決譯碼來(lái)判別信號(hào)是0還是1。

第一，信號(hào)。使用rand函數(shù)實(shí)現(xiàn)在[0，1]之間產(chǎn)生一串隨機(jī)序列，與門限值0.5比較后，產(chǎn)生0、1的隨機(jī)序列信號(hào)。

第二，信道。給出碼間串?dāng)_的信道參數(shù)，將輸入信號(hào)與該信道進(jìn)行卷積運(yùn)算，再疊加高斯白噪聲，使得接收信號(hào)包含碼間干擾和噪聲。

第三，均衡器。設(shè)置一個(gè)初始抽頭系數(shù)，更新抽頭系數(shù)（原抽頭系數(shù)+步長(zhǎng)*誤差*接收的碼元符號(hào)），計(jì)算均衡器的輸出[13]。

使用自適應(yīng)均衡器能夠顯著減小碼間干擾的影響，降低誤碼率。不同的步長(zhǎng)對(duì)自適應(yīng)均衡器的性能影響較大，需要綜合考慮。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生進(jìn)一步掌握了自適應(yīng)均衡器的原理及其作用。

3．分集技術(shù)

分集技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)流程通過(guò)主函數(shù)demo來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用randsrc函數(shù)得到一串雙極性比特流，擴(kuò)頻使用walsh 碼[14]。設(shè)計(jì)一個(gè)三徑的輸入信號(hào)，給出每一路徑的功率衰減因子和延時(shí)，并且疊加了高斯白噪聲信道得到接收信號(hào)。接收端采用walsh碼對(duì)接收到的多徑信號(hào)進(jìn)行分離，然后采用不同的合并技術(shù)（最大比值合并、等增益合并、選擇合并）進(jìn)行信號(hào)合并且統(tǒng)計(jì)出誤比特率。

從仿真結(jié)果可以知道在同一信噪比的情況下，最大比值合并效果是最好的，其次是等增益合并，最差的是選擇式合并。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅鞏固了擴(kuò)頻通信和分集技術(shù)的知識(shí)點(diǎn)，而且驗(yàn)證了不同分集技術(shù)的性能 好壞[15]。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)移動(dòng)通信原理的重難點(diǎn)知識(shí)，打造了QPSK、QAM、信道編碼、自適應(yīng)均衡、分集等5個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)合原有的擴(kuò)頻通信仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成了有效銜接理論知識(shí)的仿真實(shí)驗(yàn)體系。該仿真實(shí)驗(yàn)體系的部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在2017級(jí)通信工程專業(yè)施行，通過(guò)學(xué)校的學(xué)生獲得感和課程滿意度問(wèn)卷調(diào)查反饋，移動(dòng)通信原理課程名列全校前十，學(xué)院第一。鑒于初步改革獲得的認(rèn)可，下一步將推廣所有的仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。