軟硬件相結合的移動通信原理實驗系統設計

王志鵬，李 婧，侯晨霞

（1.南陽師范學院 物理與電子工程學院，河南 南陽 473061；2.南陽師范學院 數學與統計學院，河南 南陽 473061）

移動通信原理也是通信工程專業本科生的一門非常重要的專業必修課。移動通信原理課程的主要內容包括現代移動通信的基本原理、基本技術和當前廣泛應用的典型移動通信系統［1］。該課程內容豐富，并且與實際應用結合十分緊密，是一門實踐性非常強的專業課程。因此，在課堂理論講授的同時也必須要安排一定學時的實驗［2－4］。

目前各學校的移動通信實驗大多是以移動通信實驗箱配合計算機來實現的［5］。雖然移動通信實驗箱可以實現絕大部分的移動通信實驗內容，但是由于移動通信實驗箱的硬件電路都是固化在內部的，實驗內容比較固定，不利于開展綜合性和設計性的實驗，而且學生在實驗時只是按照指導書上的實驗步驟完成實驗內容并觀察實驗結果，并不能激發學生的興趣，實驗效果不理想。為此，很多學校利用Simulink、LabVIEW和SystemView等實驗軟件采用軟件仿真的方式來安排移動通信實驗［6－8］。這種純軟件仿真的方式可以直接在機房中開設實驗，實驗成本低，能夠完成的實驗內容靈活多樣，便于開展綜合性和設計性的實驗。但是這種純軟件仿真的實驗方式對于移動通信系統組網和信令交換實驗卻難以實現。另外，純粹的軟件模擬也無助于使學生建立起移動通信系統的直觀概念。

針對以上兩種實驗方式的特點，結合移動通信原理課程的內容，我們將硬件驗證性實驗和軟件設計性實驗結合起來。對于移動通信系統組網和信令交換等實驗內容，利用實驗箱進行演示和驗證；而對于移動通信基本原理和關鍵技術等實驗內容則采用System－View軟件仿真的方式進行系統分析與設計。通過近兩年的教學實踐，這種軟硬件結合的移動通信實驗體系涵蓋了移動通信原理的所有內容，與理論課內容相輔相成，多種實驗方式和層次也能調動學生的積極性和主觀能動性，達到了比較好的實驗教學效果。

1 基于實驗箱的實驗設計

利用移動通信實驗箱可以非常直觀地演示移動通信系統組網結構和信令交換過程的特點，為此我們對與移動通信系統組網技術相關的實驗內容采用實驗箱驗證的方式安排實驗。該實驗系統的總體結構如圖1所示。

圖1 基于實驗箱的移動通信實驗系統總體結構

該實驗系統主要包括實驗箱、學生平臺、交換機和教師監控臺。其中實驗箱采用南京捷輝科技有限公司生產的移動通信實驗箱（JH5005），主要用來模擬移動終端和基站的處理技術。學生平臺包括PC機和相應的實驗界面軟件，是學生控制實驗箱進行相應實驗的平臺。每次實驗，學生進入學生平臺的相應實驗界面，學生平臺程序會向實驗箱下發相應的控制指令，配置相應的參數，從而使實驗箱做好相應實驗的準備。部分實驗的結果也將通過串口由實驗箱傳送到學生平臺上，學生平臺通過界面可以更清楚地看到部分實驗的結果。交換機主要用于完成2個移動臺之間的語音通信，模擬實際移動通信系統中話音信號在有線部分的傳輸。教師監控臺主要用于控制學生平臺的工作。

利用該實驗系統安排的移動通信實驗內容包括：（1）移動臺開機入網和關機實驗；（2）移動性位置管理實驗；（3）移動臺主叫實驗；（4）移動臺被叫實驗；（5）GSM協議幀結構實驗；（6）信道復用實驗；（7）信道均衡實驗；（8）900MHz GSM手機實驗。在實際的實驗課開設時，可以根據實驗課時情況和具體教學內容要求選取合適的其中若干個實驗安排實驗內容。

可以看到，以上幾個實驗內容基本上都是與移動通信系統組網和工作過程緊密相關的。通過這些實驗，學生可以直觀地了解移動通信系統的基本組成和工作原理，鞏固在移動通信原理課堂上所學到的相關知識。

2 基于SystemView的仿真實驗設計

基于實驗箱的實驗內容都是驗證性實驗，實驗內容比較簡單。為了達到更好的實驗教學效果，還必須設置一定量的綜合性和設計性的實驗。因此，還需要安排一部分基于SystemView的仿真實驗。

2.1 基于SystemView的仿真實驗內容

SystemView是一個用于現代工程與科學系統設計及仿真的動態系統分析平臺，可進行包括數字信號處理（DSP）系統、模擬與數字通信系統、信號處理系統和控制系統的仿真分析［9－13］。用戶在利用該軟件進行系統設計時不需要計算機編程，只需從SystemView配置的圖標庫中調出有關圖標并進行參數設置，完成圖標間的連線，然后運行仿真操作，最終以時域波形、眼圖、星座圖和功率譜等形式給出系統的仿真分析結果。

SystemView軟件操作簡單，非常適合于綜合性和設計性的實驗。根據移動通信原理課程安排，基于SystemView的實驗內容包括：

（1）二進制相移鍵控（BPSK）的基本原理。通過簡單的BPSK的調制與解調系統的仿真，理解BPSK的基本原理，觀察功率譜和系統眼圖，分析噪聲功率變化對眼圖的影響。

（2）四相相移鍵控（QPSK）系統原理仿真。通過對QPSK調制與解調系統的仿真，理解QPSK的基本原理，分析輸入和輸出波形之間的關系，觀察相位轉移圖和星座圖。

（3）直序擴頻系統的仿真實現。通過對直序擴頻和解擴系統的仿真，觀察擴頻前后信號頻譜之間的關系，理解擴頻通信的基本原理，分析擴頻端和解擴端擴頻碼不一致和擴頻碼不同步對于擴頻系統的影響，研究擴頻系統的抗干擾性能。

（4）交織編碼的仿真實現。利用SystemView仿真軟件設計并建立交織編碼糾錯的系統圖，理解交織編碼的基本原理，分析突發干擾對于解碼輸出的影響。

2.2 SystemView實驗舉例

下面以“直序擴頻系統的仿真實現”為例，進一步說明基于SystemView的移動通信實驗的設計方法。

首先，學生應根據直序擴頻和解擴的基本原理完成系統仿真模型的搭建。直序擴頻和解擴系統仿真模型如圖2所示。其中左邊為擴頻端，右邊為解擴端，中間部分用一個延時單元來表示移動信道。在實驗中，可以讓學生根據系統輸入參數自行設計解擴端使用的低通濾波器的截止頻率等參數。

創建完仿真系統后，就可以觀察輸入信號波形、擴頻碼擴頻后輸出波形、解擴后輸出波形，并比較它們的頻譜。各信號頻譜如圖3所示。

圖2 直序擴頻和解擴系統的仿真模型

圖3 直序擴頻和解擴系統各信號的頻譜

通過觀察信號波形和頻譜圖可以更好地理解直序擴頻系統的基本原理以及擴頻系統具有高抗干擾性能的原因。可以通過調整仿真模型中延時單元的時延值，通過觀察仿真波形來分析擴頻碼不同步對于擴頻系統的影響。還可以通過改變2個擴頻碼發生器的參數來觀察并分析擴頻端和解擴端擴頻碼不一致對于直序擴頻系統的影響。

在該實驗中還可以在信道中添加一個干擾源模塊來模擬通信信道中的各種干擾的影響。通過觀察仿真波形，可以非常直觀地理解直序擴頻系統的抗干擾性能。

3 結束語

根據實際的教學實踐經驗，我們將移動通信系統組網和信令交換的驗證性實驗和對移動通信基本原理和關鍵技術的綜合性、設計性實驗結合起來安排移動通信原理實驗課程。硬件驗證性實驗和軟件設計性實驗的結合組成一個多層次、全方位的移動通信實驗體系，達到了較好的教學效果。

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［1］李建東，郭梯云，鄔國揚.移動通信［M］.4版.西安：西安電子科技大學出版社，2006：1－26.

［2］許麗艷，王英，于海生.移動通信鏈式實驗教學體系［J］.實驗室研究與探索，2009，28（1）：131－132，144.

［3］蒲秀娟，韓慶文.移動通信實驗課程探索［J］.實驗室研究與探索，2005，24（5）：77－79.

［4］姜宏，莫秀玲，孫曉穎，等.“移動通信原理”課程的實驗教學建設［J］.實驗室研究與探索，2010，29（7）：120－122.

［5］徐川，徐銘澤，唐紅.基于虛擬現實的移動通信實驗系統設計［J］.實驗技術與管理，2012，29（3）：94－97.

［6］許麗艷，于海生，王英，等.Simulink在移動通信實驗仿真中的應用［J］.實驗技術與管理，2009，26（3）：82－84.

［7］劉嚴.基于LabVIEW的移動通信實驗教學研究［J］.國外電子測量技術，2013，32（1）：60－61，65.

［8］衛萌菡，徐開俊.Systemview在移動通信實驗教學中的應用［J］.軟件導刊，2010，9（10）：180－181.

［9］陳麗娜.基于SystemView的通信原理系統軟件實驗設計［J］.實驗室研究與探索，2009，28（9）：62－64.

［10］龐嬌，王虹，趙璞.SystemView在通信原理實驗教學中的應用［J］.實驗技術與管理，2011，28（8）：267－268，271.

［11］謝慧，張志剛，聶峰.基于SystemView的通信原理實驗教學體系［J］.實驗技術與管理，2012，29（2）：134－137.

［12］孫愛晶，劉毓.基于軟件仿真的通信原理實驗教學［J］.實驗室研究與探索，2010，29（1）：135－137.

［13］徐彥凱，雙凱，姜珊.通信原理實驗教學的探索［J］.實驗室研究與探索，2011，30（6）：316－318，335.