無(wú)線通信測(cè)試仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 威，陳海燕，李 莉，劉麗華，梁金宏

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院通信技術(shù)系，北京 100016）

0 引 言

手機(jī)綜合測(cè)試儀是通信測(cè)試領(lǐng)域普遍使用的一種測(cè)試儀表，但由于其價(jià)格昂貴，在高校的教學(xué)應(yīng)用上很難展開(kāi)實(shí)訓(xùn)教學(xué)。為了突破此瓶頸，從而產(chǎn)生對(duì)手機(jī)綜合測(cè)試儀仿真軟件的需求。綜測(cè)儀仿真系統(tǒng)可以將實(shí)際的測(cè)試操作進(jìn)行仿真處理，并通過(guò)快速仿真計(jì)算給出與真實(shí)測(cè)試相同的測(cè)試結(jié)果，達(dá)到類(lèi)似真實(shí)環(huán)境的測(cè)試和實(shí)訓(xùn)效果。由于仿真軟件具有成本低、教學(xué)方便等特點(diǎn)，可以在高校無(wú)線通信實(shí)訓(xùn)教學(xué)中廣泛使用。

本綜測(cè)儀仿真軟件參考Agilent8960無(wú)線通信測(cè)試儀進(jìn)行仿真，能夠?qū)SM/GPRS/CDMA多種終端進(jìn)行仿真測(cè)試[1]。綜測(cè)儀仿真軟件在設(shè)計(jì)過(guò)程中除模擬仿真了綜測(cè)儀的無(wú)線測(cè)試功能，還結(jié)合高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)的特點(diǎn)增加了教學(xué)管理功能，突出了仿真教學(xué)的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

綜測(cè)儀仿真軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為仿真測(cè)試和教學(xué)管理兩個(gè)層面。

測(cè)試儀仿真測(cè)試層面從綜測(cè)儀仿真測(cè)試角度對(duì)儀表測(cè)試進(jìn)行全程模擬，主要的功能為綜測(cè)儀測(cè)試功能仿真、手機(jī)終端功能仿真、測(cè)試儀與手機(jī)連接通信仿真和測(cè)試結(jié)果展示仿真。仿真軟件中綜測(cè)儀可支持的測(cè)試終端包括GSM測(cè)試終端、GPRS測(cè)試終端、CDMA2000測(cè)試終端等3種不同制式的手機(jī)終端。該層面的軟件功能邏輯圖如圖1所示。

教學(xué)管理層面主要提供與仿真測(cè)試相對(duì)應(yīng)的教學(xué)管理功能，包括測(cè)試評(píng)估功能、案例設(shè)置功能和在線教學(xué)功能。可以通過(guò)教學(xué)管理層的功能設(shè)置不同的測(cè)試教學(xué)案例，強(qiáng)化學(xué)生的專(zhuān)項(xiàng)技能，以及及時(shí)對(duì)學(xué)生的仿真測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)估審核，檢查測(cè)試結(jié)果的正確性。教學(xué)管理層面與仿真測(cè)試層面有通信接口，保證兩層面間可以相互通信。

綜測(cè)儀仿真軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Windows XP操作系統(tǒng)，軟件采用C#作為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。

圖1 綜合測(cè)試儀仿真軟件功能邏輯圖

2 技術(shù)原理

2.1 面向?qū)ο蠓抡娣椒蚣?/h3>

面對(duì)對(duì)象仿真（object-oriented simulation）將面向?qū)ο笏枷爰捌湎嚓P(guān)技術(shù)，與仿真活動(dòng)相結(jié)合，運(yùn)用面向?qū)ο蟮乃枷敕治觥⒃O(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)。這種方法的特點(diǎn)，是將問(wèn)題域中的事物與仿真系統(tǒng)中的對(duì)象建立映射，以最大限度保持事物的本來(lái)屬性活動(dòng)，適合于人的思維方式。

DEVS（discrete event system specifications）是一種面向?qū)ο蠼７抡娣椒?，它把每個(gè)子系統(tǒng)都看作是一個(gè)具有獨(dú)立內(nèi)部結(jié)構(gòu)和明確I/O接口的模塊，若干個(gè)模塊可以通過(guò)一定的連接關(guān)系組成組合模型，組合模型可以作為更大的組合模型的元素使用，從而形成對(duì)模型的層次模塊化描述。在DEVS中模型的執(zhí)行是通過(guò)抽象仿真器實(shí)現(xiàn)的。抽象仿真器與模型之間存在對(duì)應(yīng)的關(guān)系，每個(gè)模塊或組合模型都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的抽象仿真器，它負(fù)責(zé)收發(fā)消息、調(diào)用模塊的函數(shù)并執(zhí)行仿真計(jì)算。

本仿真系統(tǒng)中可以用DEVS方法對(duì)測(cè)試儀表與測(cè)試終端進(jìn)行建模，用DEVS模型描述模塊間消息的傳遞和對(duì)命令的執(zhí)行。系統(tǒng)建模的過(guò)程可分為4個(gè)階段，如圖2所示。

圖2 面對(duì)對(duì)象仿真建模階段

（1）建模階段將綜測(cè)儀或手機(jī)的動(dòng)態(tài)特性用傳遞函數(shù)狀態(tài)方程或隨機(jī)函數(shù)等方式描述出來(lái)。

（2）模型轉(zhuǎn)換階段通過(guò)仿真算法將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成能被計(jì)算機(jī)接受并展示的仿真模型，以達(dá)到快速仿真或相似仿真的目的，而且能滿(mǎn)足一定的精度要求。

（3）流程組態(tài)階段按照實(shí)際對(duì)象的運(yùn)行情況構(gòu)建自身的狀態(tài)仿真流程圖，以便在實(shí)時(shí)仿真時(shí)直觀顯示實(shí)際對(duì)象的狀態(tài)和各種參數(shù)變化。

（4）實(shí)時(shí)仿真階段通過(guò)快速仿真算法將仿真測(cè)試結(jié)果在計(jì)算機(jī)軟件上顯示出來(lái)[2-4]。

2.2 GDI+

為了模擬安捷倫設(shè)備的測(cè)量過(guò)程，并仿真出實(shí)時(shí)測(cè)量曲線，該軟件使用Windows GDI+圖形編程接口的功能模擬安捷倫設(shè)備的展示界面，力求仿真結(jié)果界面與儀器結(jié)果界面效果一致。為達(dá)到需要的仿真效果，主要使用GDI+的二位矢量圖形處理和文字顯示的功能。在展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，軟件以參數(shù)展示窗體為畫(huà)布，通過(guò)獲取窗體的Graphics對(duì)象，可以在窗體有效范圍內(nèi)的任意位置繪制圖形和文字。數(shù)據(jù)展示窗體的坐標(biāo)格網(wǎng)由Graphics對(duì)象的DrawLine函數(shù)完成，對(duì)坐標(biāo)及數(shù)值的解釋信息可以同Graphics對(duì)象的DrawText函數(shù)實(shí)現(xiàn)。對(duì)需要生成的柱狀圖形，可以應(yīng)用Graphics對(duì)象的DrawRectangle實(shí)現(xiàn)。GDI+提供的Pen、Brush等畫(huà)圖畫(huà)刷對(duì)象能夠方便地改變顏色，使其展示的圖形界面與安捷倫設(shè)備的展示效果完全一致。圖3為軟件模擬的RF譜圖的結(jié)果展示效果[5-6]。

2.3 蒙特卡羅算法

在仿真測(cè)量設(shè)備相位誤差過(guò)程中，設(shè)備的相位誤差值由調(diào)制方式、信道頻率、頻率偏差、傳輸干擾等多種因素決定，存在著一定的隨機(jī)性。理想狀態(tài)下，設(shè)備的相位誤差圖形為一條直線，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中相位誤差圖形為一條取值在一定范圍內(nèi)的隨機(jī)曲線。為真實(shí)模擬出該圖形，程序采用蒙特卡羅算法計(jì)算（相位偏移曲線）。

圖3 GDI+繪制的實(shí)時(shí)參數(shù)圖形界面

蒙特卡羅法是以概率和統(tǒng)計(jì)的理論、方法為基礎(chǔ)的一種計(jì)算方法，將所求解的問(wèn)題同一定的概率模型相聯(lián)系，用電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)模擬或抽樣，以獲得問(wèn)題的近似解，故又稱(chēng)統(tǒng)計(jì)模擬法或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法。蒙特卡羅方法是一種與一般數(shù)值計(jì)算方法有本質(zhì)區(qū)別的計(jì)算方法，屬于試驗(yàn)數(shù)學(xué)的一個(gè)分支[7-9]。實(shí)施蒙特卡羅法有3個(gè)主要步驟：

（1）構(gòu)造或描述概率過(guò)程。

（2）實(shí)現(xiàn)從已知概率分布抽樣。

（3）建立各種估計(jì)量。

在仿真過(guò)程中，首先根據(jù)實(shí)際情況給出相位誤差值的概率空間，然后在該概率空間中確定一個(gè)隨機(jī)變量，其數(shù)學(xué)期望正好等于理想狀態(tài)下的相位誤差值，以計(jì)算機(jī)生成的偽隨機(jī)函數(shù)作為相位誤差值的分布函數(shù)；最后，以所確定的隨機(jī)變量的100個(gè)子樣的算術(shù)平均值作為相位誤差值的近似估計(jì)。將計(jì)算的相位誤差值以曲線方式繪制得出的相位誤差圖形有著非常接近真值測(cè)量結(jié)果的效果，如圖4所示。

圖4 模擬相位誤差圖

3 功能模塊

綜測(cè)儀仿真教學(xué)軟件主要通過(guò)5個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表仿真測(cè)試和教學(xué)的功能。這5個(gè)模塊分別為儀表配置、終端測(cè)試、測(cè)試評(píng)估、在線教學(xué)和案例設(shè)置模塊。

3.1 儀表配置

綜測(cè)儀可以對(duì)多種手機(jī)終端進(jìn)行測(cè)試，并且手機(jī)終端可以被隨意放置在仿真軟件的任一位置。儀表配置功能使用指定的測(cè)試線纜完成綜測(cè)儀與手機(jī)終端之間的連接，并且對(duì)測(cè)試線纜兩端的端口進(jìn)行匹配檢查。儀表配置功能能夠完成測(cè)試儀、手機(jī)終端、測(cè)試線纜、連接端口與測(cè)試功能之間的一致性配置檢查，能夠?qū)ε渲缅e(cuò)誤告警提示[10]。

3.2 終端測(cè)試

綜測(cè)儀仿真軟件目前支持對(duì)3種手機(jī)終端的仿真測(cè)試，分別為GSM手機(jī)終端、GPRS手機(jī)終端和CDMA2000手機(jī)終端。終端測(cè)試包含測(cè)試環(huán)境設(shè)置、測(cè)試數(shù)據(jù)處理和測(cè)試結(jié)果輸出3部分功能。仿真測(cè)試結(jié)果支持?jǐn)?shù)值型展示和圖形化展示兩種展示方式，如transmit power的測(cè)量結(jié)果使用數(shù)值型結(jié)果展示，phase&frequency error的測(cè)量結(jié)果使用數(shù)值型和圖形化進(jìn)行展示。

綜測(cè)儀對(duì)每種手機(jī)終端都可以進(jìn)行多種性能測(cè)試，以GSM終端為例，可以進(jìn)行transmit power、power vs time、phase&frequency error、fast bit error、bit error、analog audio、decoded audio、output RF spectrum等測(cè)試。

3.3 測(cè)試評(píng)估

仿真軟件支持自動(dòng)記錄測(cè)試過(guò)程log功能，可以將學(xué)生在課堂上的測(cè)試過(guò)程完整記錄下來(lái)，生成測(cè)試記錄文件。簡(jiǎn)單編輯該測(cè)試記錄文件即可形成測(cè)試結(jié)果報(bào)告，通過(guò)仿真軟件的C/S在線模式學(xué)生可以方便地提交測(cè)試報(bào)告，老師則可以隨時(shí)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

結(jié)果評(píng)估模塊支持測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)功能，該模塊對(duì)仿真教學(xué)過(guò)程中的測(cè)試報(bào)告提交、測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)、學(xué)生實(shí)訓(xùn)效果統(tǒng)計(jì)具有很好地支持作用。

3.4 在線教學(xué)

教學(xué)管理模塊主要為實(shí)際教學(xué)中的教學(xué)管理進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成在仿真教學(xué)過(guò)程中學(xué)生分組管理、權(quán)限控制、測(cè)試任務(wù)分發(fā)、在線指導(dǎo)、測(cè)試結(jié)果提交等功能。該模塊極大地方便了仿真教學(xué)中對(duì)學(xué)生的管理效率。

3.5 案例設(shè)置

實(shí)際教學(xué)中通常會(huì)對(duì)特定類(lèi)型知識(shí)技能進(jìn)行重點(diǎn)講述，案例設(shè)置模塊針對(duì)教學(xué)中的實(shí)際情況提供了靈活的自定義案例設(shè)置功能。可以將特定的測(cè)試場(chǎng)景和測(cè)試要求設(shè)置成案例，有重點(diǎn)地強(qiáng)化特定的專(zhuān)項(xiàng)技能。該案例設(shè)置模塊支持案例類(lèi)型分類(lèi)、難度分類(lèi)、訓(xùn)練時(shí)間分類(lèi)等功能。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

綜測(cè)儀仿真軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)綜測(cè)儀測(cè)試連接、無(wú)線測(cè)量項(xiàng)目設(shè)置、無(wú)線指標(biāo)測(cè)試、測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)以及測(cè)量管理等多方面測(cè)試仿真功能，綜測(cè)儀仿真測(cè)試效果與真實(shí)儀表的測(cè)試效果基本一致，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

仿真系統(tǒng)支持綜測(cè)儀與任一測(cè)試終端進(jìn)行連接。不同類(lèi)型的測(cè)試終端與不同的測(cè)試儀器端口連接對(duì)應(yīng)不同的測(cè)試項(xiàng)目，只有正確連接終端和端口后才能進(jìn)行項(xiàng)目測(cè)量。仿真軟件測(cè)試終端與綜測(cè)儀端口連接選擇的界面如圖5所示。

圖5 儀表連接測(cè)試圖

參照真實(shí)的綜測(cè)儀，仿真系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果展示跟真實(shí)綜測(cè)儀的測(cè)量結(jié)果展示完全一致，可以分為數(shù)值型結(jié)果和圖形結(jié)果。對(duì)GPRS移動(dòng)臺(tái)測(cè)量“輸出RF譜圖”的數(shù)值型結(jié)果展示如圖6所示。

除使用數(shù)值型結(jié)果展示外，仿真軟件還支持圖形結(jié)果展示。當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果不能用數(shù)值進(jìn)行直觀表達(dá)時(shí)則采用圖形化結(jié)果展示。如測(cè)量“GSM的相位與頻率誤差”，其圖形化測(cè)量展示結(jié)果如圖7所示。

在測(cè)試管理方面，綜測(cè)儀仿真軟件也提供了豐富的功能，如設(shè)置測(cè)試案例、制定測(cè)試計(jì)劃、分配測(cè)試任務(wù)、測(cè)試結(jié)果提交與評(píng)估等功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本仿真教學(xué)系統(tǒng)在對(duì)Agilent 8960綜測(cè)儀進(jìn)行總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，依托面向?qū)ο蠓抡娣椒ǎ瑢?duì)綜測(cè)儀的主要操作流程進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，并且結(jié)合仿真教學(xué)中的實(shí)際情況，對(duì)綜測(cè)儀的教學(xué)管理進(jìn)行了有針對(duì)性設(shè)計(jì)，使綜測(cè)儀仿真測(cè)試與仿真教學(xué)形成一個(gè)完整的體系。該綜測(cè)儀仿真軟件既能夠模擬仿真實(shí)際的測(cè)試效果，又結(jié)合了高校的實(shí)訓(xùn)教學(xué)需求，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

目前本系統(tǒng)只支持3種制式的測(cè)試終端，后續(xù)可以通過(guò)擴(kuò)展功能的方式增加對(duì)其他終端的測(cè)試，并且可以增加對(duì)終端的仿真測(cè)試項(xiàng)目。另外在仿真教學(xué)管理方面也可以通過(guò)一些高校的使用反饋，增加教學(xué)互動(dòng)方面的功能，使其更好地適應(yīng)于實(shí)際仿真教學(xué)。

圖6 AMPS調(diào)制準(zhǔn)確度測(cè)量結(jié)果

圖7 GSM相位與頻率誤差測(cè)量結(jié)果

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