基于SystemVue的無(wú)線通信原理仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

程文清

華北電力大學(xué) 河北保定 071003

近幾年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)飛速發(fā)展，社會(huì)對(duì)相應(yīng)的專(zhuān)業(yè)人才需求也與日俱增，加強(qiáng)通信工程專(zhuān)業(yè)無(wú)線通信原理課程的建設(shè)迫在眉睫。無(wú)線通信原理課程具有專(zhuān)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(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)。

1 實(shí)踐環(huán)節(jié)建設(shè)的必要性

在無(wú)線通信原理課程教學(xué)的過(guò)程中，學(xué)生不僅需要熟練掌握信號(hào)與系統(tǒng)和通信原理的基礎(chǔ)知識(shí)，還要掌握電磁波傳播的理論。無(wú)線信道的時(shí)變特性要求我們從時(shí)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(wú)味，而且很難讓學(xué)生深刻理解其現(xiàn)實(shí)的物理意義。為此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)提高無(wú)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(wèn)題，所以需要較長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí)才能夠掌握和應(yīng)用。學(xué)生普遍反映編寫(xiě)通信仿真程序時(shí)由于對(duì)編程語(yǔ)言不熟練而感覺(jué)很吃力[1]，從而影響到對(duì)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)內(nèi)容的理解，以及對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)整體運(yùn)用的能力。因此，為提高課程及實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，我們將SystemVue軟件仿真平臺(tái)引入無(wú)線通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)中。SystemVue采用圖形化的建模方式，簡(jiǎn)單易懂，淡化了設(shè)計(jì)工具帶來(lái)的困惑。設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)構(gòu)建系統(tǒng)模型的方法，分析和驗(yàn)證課程理論問(wèn)題[1]。近兩年來(lái)，我們對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了實(shí)踐與探索，并取得了良好的教學(xué)效果。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置

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

2.1 調(diào)制技術(shù)的仿真

未來(lái)移動(dòng)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(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求是：已調(diào)信號(hào)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(shí)驗(yàn)中設(shè)置了常見(jiàn)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。基礎(chǔ)性的原理仿真實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生深刻體會(huì)常見(jiàn)調(diào)制解調(diào)技術(shù)的基本原理及其抗干擾性能，同時(shí)可以讓學(xué)生熟悉SystemVue軟件實(shí)驗(yàn)的環(huán)境，為以后的實(shí)踐環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)。

2.2 系統(tǒng)信道仿真

無(wú)線通信信道是一個(gè)時(shí)變信道。無(wú)線電波的傳播環(huán)境是影響無(wú)線信道傳輸性能的最主要因素，各種復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境會(huì)對(duì)信號(hào)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(wú)線信道的傳播特性具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。SystemVue仿真平臺(tái)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(hào)源圖符庫(kù)、算子圖符庫(kù)、函數(shù)圖符庫(kù)、信號(hào)接收器圖符庫(kù)中的各種仿真模塊，可以很方便地建立各類(lèi)無(wú)線信道的仿真模型，結(jié)合仿真波形輸出窗口和接收計(jì)算器處理功能，對(duì)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(shí)踐環(huán)節(jié)中設(shè)置了無(wú)線通信信道特性分析和系統(tǒng)信道分析的內(nèi)容。無(wú)線信道傳播特性分析包括Jake移動(dòng)信道、Rice多徑衰落信道、自定義多徑信道等幾種典型的無(wú)線信道的仿真。通過(guò)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(duì)不同信道模型的影響。無(wú)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(lái)搭建信道仿真平臺(tái)并配置各個(gè)功能模塊的參數(shù)，分析參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)信道傳輸性能的影響，從而深刻了解無(wú)線通信系統(tǒng)的組成及原理。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法及實(shí)例

3.1 利用SystemVue實(shí)現(xiàn)仿真的實(shí)驗(yàn)方法

(1)研究無(wú)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(jì)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖。

(2)建立仿真模型。從仿真平臺(tái)提供的各類(lèi)圖符庫(kù)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(jì)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(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)中常用的MSK調(diào)制解調(diào)的仿真過(guò)程為例，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)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(hào)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(shí)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(tái)提供的圖符庫(kù)，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(hào)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(hào)混合的功能；圖標(biāo)42則輸出被MSK調(diào)制后的信號(hào)。圖5為輸出的MSK調(diào)制信號(hào)局部放大結(jié)果。

圖4中，圖標(biāo)24，25，28執(zhí)行對(duì)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(duì)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(duì)相干解調(diào)后的信號(hào)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(hào)的功能；圖標(biāo)38執(zhí)行多路信號(hào)進(jìn)行合成的功能；圖標(biāo)39，40，41，41，7，45執(zhí)行將信號(hào)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(hào)波形，如圖7所示。

(3)仿真結(jié)果分析

通過(guò)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(yàn)證仿真系統(tǒng)的正確性。通過(guò)觀察調(diào)制系統(tǒng)中MSK調(diào)制信號(hào)的波形，可以直觀理解MSK信號(hào)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(hào)相對(duì)于信號(hào)源有一定的時(shí)間延遲，這是SystemVue軟件本身所導(dǎo)致。說(shuō)明用正交兩路調(diào)制方法和相干解調(diào)進(jìn)行設(shè)計(jì)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(yǔ)

從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)施來(lái)看，學(xué)生普遍反映實(shí)驗(yàn)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(shí)，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，通過(guò)實(shí)踐訓(xùn)練，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)原理的時(shí)域、頻域以及信道、信號(hào)的物理特性等多方面分析和理解，對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量及學(xué)生實(shí)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(guó)現(xiàn)代教育裝備,2011(17):72-74.

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