“移動通信實驗”課程虛擬仿真教學設計與應用

摘"要：“移動通信實驗”課程作為通信工程專業的重要一環，常因理論深奧、內容龐雜而使學生備感挑戰。為改善這一狀況，借助虛擬仿真技術，通過eLabsim平臺對課堂進行教學設計。以QPSK的調制解調實驗以及卷積碼實驗為例進行相關教學設計，包括實驗步驟的設計、實驗數據的記錄等。運用eLabsim平臺直觀展示課程的重難點，不僅幫助學生深化對抽象知識的理解，還能激發學生的實踐探索精神與創新思維。這一教學設計不僅提升了教學效果，也點燃學生對“移動通信實驗”的熱情。

關鍵詞：移動通信實驗；虛擬仿真；教學設計

Abstract：The"Mobile"Communication"Experiment"Course，as"an"important"part"of"the"Communication"Engineering"major，often"presents"a"challenge"to"students"due"to"its"complex"theories"and"extensive"content.To"address"this"issue，virtual"simulation"technology"was"utilized"to"design"the"course"using"the"eLabsim"platform.Taking"the"modulation"and"demodulation"experiments"of"QPSK"and"convolutional"code"experiments"as"examples，relevant"teaching"designs"are"carried"out，including"the"design"of"experimental"steps，recording"of"experimental"data，etc.The"eLabsim"platform"provides"a"clear"and"intuitive"presentation"of"the"course's"key"points"and"difficulties，not"only"helping"students"deepen"their"understanding"of"abstract"concepts"but"also"stimulating"their"practical"exploration"spirit"and"innovative"thinking.This"teaching"design"not"only"enhances"the"teaching"effect"but"also"ignites"students'"passion"and"interest"in"mobile"communication"experiments.

Keywords：mobile"communication"experiment；virtual"simulation；teaching"design

1"概述

“移動通信實驗”課程作為通信工程及相關專業的實踐課程，其核心在于通過實際操作來強化學生對移動通信基本理論的應用能力，進而提升學生觀察、分析和解決實際問題的能力。實驗教學是上好該課程的一項關鍵環節。目前，高校傳統的電子類實驗室中，實踐教學主要依賴于集成實驗箱［12］。這種實驗箱通過開關或跳線在箱體主板上集成了多種功能，然而，其提供的擴展接口數量有限，這在很大程度上限制了學生的設計空間。更為關鍵的是，由于實驗箱采用固定式電路，導致其維護性較差，功能受到局限，且在進行升級改造時面臨諸多困難。此外，部分高校往往也只是利用實驗箱來做一些驗證型實驗或者演示型實驗［3］，這些狀況不僅影響了實踐教學的效果，也限制了學生創新能力的培養。

隨著信息化技術的蓬勃發展，虛擬仿真技術已深度融入高校課程教學中［46］。針對傳統實驗箱具有擴展接口數量有限、可維護性較差、難升級改造等缺點與不足，提出“移動通信實驗”課程虛擬仿真教學設計。以eLabsim作為仿真平臺，搭建“移動通信實驗”課程虛擬仿真教學架構，形成一套完善的虛擬仿真教學體系，致力于提高學生的創新精神和實踐能力。

2"eLabsim仿真實驗教學的優勢

2.1"eLabsim具有高度仿真性

eLabsim的“仿真引擎”技術是一項創新且獨特的功能，它使這款軟件能夠完整模擬硬件的外觀及行為。這種技術不僅確保了學生在虛擬環境中獲得與實際硬件操作高度一致的體驗，更讓學生在從仿真環境切換到實際硬件環境時，能夠實現“無縫”過渡。這種“無縫”切換的實現，得益于仿真引擎對硬件細節的精確模擬，包括其外觀、操作方式以及響應機制等。學生在使用eLabsim時，就像是在操作真實的硬件設備一樣，可以直觀地看到實驗過程，感受到實驗的變化，從而更深入地理解和掌握實驗原理。

2.2"eLabsim內置完整的二次開發及創新設計模塊

eLabsim作為一款強大的虛擬實驗仿真軟件，其內置的二次開發及創新設計模塊，如“Link"for"MATLAB”，為學生提供了一個廣闊的創新實踐平臺。“Link"for"MATLAB”模塊具有出色的兼容性，能夠輕松加載MATLAB的m函數，使學生可以利用MATLAB強大的算法庫和數據處理能力，進行各種復雜的數學計算和模擬分析。同時，它還能加載C語言的dll文件，這為學生提供了更廣闊的開發空間。在eLabsim的平臺上，學生可以無負擔地進行創新設計。eLabsim的二次開發模塊還為學生提供了一個交流和學習的平臺，學生可以分享自己的設計成果和經驗，相互學習，相互啟發，共同進步。

2.3"擺脫傳統實驗室實驗箱數量及性能的限制

采用eLabsim仿真實驗教學，可以擺脫傳統實驗室中實驗箱數量及性能的限制，讓實驗教學步入一個全新的階段。更重要的是，通過對仿真軟件進行網絡化改造，能為學生打造一個隨時隨地進行學習和實踐的環境。學生不再受限于實驗室的開放時間或地點，只要有網絡，就能隨時登錄eLabsim進行實驗操作。這種靈活性不僅極大地方便了學生的學習，更讓實驗室變得更為開放。無論學生在校園內還是校外，都能方便地利用實驗教學資源，進行自主學習和實踐。無論是實驗設備的利用率，還是教師的教學效果，都得到了顯著的提升。因此，eLabsim仿真實驗教學不僅為實驗教學帶來了革命性的改變，更為培養具有創新精神和實踐能力的人才提供了有力支持。

3"虛擬仿真在“移動通信實驗”教學中的應用

3.1"基于eLabsim的QPSK調制及解調實驗

3.1.1"設計實驗

在進行仿真實驗之前要先進行實驗設計。調制部分，基帶信號首先經過串并變換處理，將串行數據流轉換為兩路并行數據流，即I路和Q路，這兩路信號通常表示為NRZI和NRZQ。其次，這兩路信號分別經過碼型變換，將單極性碼（如NRZ）轉換為雙極性碼。轉換后的信號分別稱為IOUT和QOUT。最后，IOUT和QOUT信號分別與一個頻率為10.7MHz的正交載波相乘。正交載波意味著兩個載波的頻率相同但相位相差90°。這樣，I路信號調制在一個相位上，而Q路信號調制在另一個正交相位上，這兩個調制后的信號疊加在一起，形成最終的QPSK調制信號。

解調部分，接收信號分別與正交載波進行相乘，再經過低通濾波處理，然后對兩路信號進行并串變換和碼元判決恢復出原始的基帶信號。其中，解調所用載波是由科斯塔斯環同步電路提取并處理的相干載波。

3.1.2"QPSK調制及解調實驗步驟

QPSK調制實驗的任務是觀測QPSK調制信號的時域或頻域波形，了解調制信號產生機理及形成波形的星座圖。QPSK采用相干解調方法，任務是對比觀測QPSK解調信號和原始基帶信號的波形，了解QPSK相干解調的實現方法。下面列出相關實驗步驟。

（1）新建實驗文件，選擇實驗所需的“主控單元”“數字終端”“軟件無線電調制”“軟件無線電解調”以及示波器；

（2）進行系統的搭建，按照QPSK調制、解調實驗設計框圖進行模塊間、端口間的連線；

（3）運行調制實驗仿真，并開啟所有模塊的電源開關；

（4）調整實驗參數及記錄數據。

3.1.3"QPSK調制及解調實驗的數據記錄

以其中一組數據為例進行QPSK調制解調實驗的數據記錄說明，例如，記錄信號源模塊的PN和10號模塊TP8（NRZI）端口的對比觀測時域波形。設置主控菜單，選擇“主菜單”→“移動通信”→“QPSK調制及解調”→“QPSK星座圖觀測及硬調制”。此時系統初始狀態為：PN序列輸出頻率16kHz。調用示波器對比觀測信號源模塊的PN和10號模塊TP8（NRZI），觀測基帶信號經過串并變換后輸出的波形。運行eLabsim進行仿真，得到如圖1所示的實驗數據。整理運行仿真后得到的實驗數據，同時分析實驗現象形成實驗報告并上交，作為平時成績的考核項目之一。

3.1.4"QPSK調制及解調實驗注意事項

實驗前認真研讀實驗指導書，了解實驗目的、實驗模塊、實驗原理、實驗步驟等。實驗過程中，按照實驗指導書的實驗步驟進行連線，凡是涉及測試連線改變或者模塊及儀器儀表的更換時，都需要先停止運行仿真，待連線調整完后，再開啟仿真進行后續調節測試。實驗仿真結束后，記錄相應的數據、波形。

3.2"基于eLabsim的卷積碼實驗

3.2.1"設計卷積碼實驗

卷積碼是一種差錯控制編碼，由P.Elias于1955年發明［7］。因為數據與二進制多項式滑動相關，故稱卷積碼。卷積碼在通信系統中應用廣泛，如IS95，TDSCDMA，WCDMA，IEEE"802.11及衛星等系統中均使用了卷積碼。卷積碼的編譯碼實驗主要用到的實驗模塊包括：主控單元模塊、信道編碼模塊、信道譯碼模塊、數據終端模塊、示波器等。以卷積碼的編譯碼原理為依托，設計卷積碼編碼實驗框圖與卷積碼編碼實驗框圖。

3.2.2"卷積碼編譯碼的實驗步驟

通過觀察并記錄編碼輸入與輸出波形，驗證卷積碼編碼規則。同時，通過插入不同個數不同位置的誤碼，觀察譯碼結果與輸入信號驗證卷積碼的檢錯糾錯能力。下列是主要的編譯碼步驟。

（1）新建實驗文件：打開仿真軟件，并新建一個實驗文件。在這個文件中，選擇實驗所需的“主控單元”“信道編碼”“信道譯碼”模塊以及用于觀察波形的示波器。

（2）確定端口連接方式：根據編譯碼實驗框圖，確定“主控單元”“信道編碼”“信道譯碼”以及示波器之間的端口連接方式，確保數據流能夠正確地從“主控單元”流向“信道編碼”模塊，并通過示波器觀察編碼后的波形，確保數據流能夠正確地從“信道譯碼”模塊流向示波器。

（3）運行編譯碼仿真：在確認所有模塊均已正確連接后，可以運行編譯碼仿真。此時，需要開啟所有模塊的電源開關，以確保它們能夠正常工作。

（4）調整參數并記錄數據。

3.2.3"卷積碼編譯碼的數據記錄

第一，調用示波器觀測4號模塊的編碼輸入數據TH1和編碼輸出數據TH4，觀察原始輸入和卷積編碼輸出的速率關系。設置主控菜單，選擇“主菜單”→“移動通信”→“卷積碼實驗”→“無誤碼”。此時系統初始狀態為：編碼輸入8K數據，進行卷積編碼，無差錯插入模式。經過仿真得到的結果如圖2所示。第二，調用示波器對比觀測5號模塊的延時輸出2與譯碼數據TH3，看是否一致。設置主控菜單，選擇“主菜單”→“移動通信”→“卷積碼實驗”→“無誤碼”。此時系統初始狀態為：輸入數據為8K，通過模塊4進行卷積編碼，再經過模塊5完成卷積譯碼。第三，將主控菜單的“無誤碼”設置為“隨機錯”。調用示波器對比觀測5號模塊的延時輸出2與譯碼數據TH3，經過對比波形圖，發現這兩路波形沒變化，表明卷積碼譯碼正確，能糾正隨機錯。第四，將主控菜單的“隨機錯”設置為“突發錯”。再次調用示波器對比觀測5號模塊的延時輸出2與譯碼數據TH3，經過對比波形圖，發現這兩路偶爾有變化，表明卷積碼不能糾正突發錯。整理運行仿真后得到的實驗數據，同時分析實驗現象形成實驗報告并上交，作為平時成績的考核項目之一。

結語

虛擬仿真實驗技術的引入，為驗證設計和結論的正確性帶來了革命性的改變。通過eLabsim仿真實驗教學，得以擺脫傳統實驗室中實驗箱數量及性能的限制，讓實驗教學步入一個全新的階段。在eLabsim平臺上，學生不僅可以自由進行實驗設計，還能實時驗證其正確性，這無疑提高了學生的學習效率和實驗效果。同時，eLabsim提供的二次開發模塊為學生打造了一個獨特的交流和學習平臺。對于教師而言，eLabsim仿真實驗也帶來了極大的便利。教師可以根據教學需求，自由定制實驗內容，實現全方位的教學覆蓋。

參考文獻：

［1］尹光明，肖軍，江彬慧.實驗教學中不斷改造和創新實驗設備［J］.實驗室研究與探索，2015，34（10）：267269+273.

［2］周春月，李丞，盧燕飛.移動通信實驗箱GSM模塊的3G/4G升級改造［J］.實驗技術與管理，2018，35（03）：6265.

［3］孫海欣，張猛，胡沖.基于eLabsim平臺的通信原理課程教學方法研究［J］.科技創新導報，2019，16（27）：228229+231.

［4］楊克虎.虛實結合的分層次通信原理實驗教學體系探討［J］.實驗技術與管理，2017，34（07）：162165.

［5］張玉芳，李曉艷，閻坤，等.虛擬仿真實驗對移動通信課程體系建設促進作用的探析［J］.科技與創新，2024（01）：8790.

［6］邵龍秋，梁國茂.基于Proteus的單片機實驗教學設計［J］.長江信息通信，2022，35（09）：4750.

［7］洪少華，馬文卓，王琳.截斷式原模圖低密度奇偶校驗卷積碼邊擴展優化［J］.電子與信息學報，2021，43（01）：4550.

基金項目：2023年度廣西高等教育本科教學改革工程項目“課程思政背景下電子信息類專業課程教學改革探索與實踐”（項目編號：2023JGA343）；2021年度廣西民族師范學院一流本科專業建設項目（項目編號：YLZY202102）

作者簡介：盧麗金（1992—"），女，壯族，廣西南寧人，碩士研究生，講師，主要研究方向：無線通信、信道編碼。

*通信作者：鄭鑫（1979—"），男，漢族，陜西寶雞人，碩士研究生，教授，主要從事通信工程專業教學改革研究。