“無線通信原理”課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

盧 敏

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

0 引言

2006年我院為通信工程專業(yè)的學(xué)生開設(shè)了“無線通信原理”課程，涉及無線電傳播、無線通信技術(shù)、組網(wǎng)的基本概念和原理。采用雙語教學(xué)模式，使用國外經(jīng)典原版教材《無線通信原理與應(yīng)用》，以提升學(xué)生對前沿科技文獻(xiàn)的閱讀和學(xué)習(xí)能力。

五年教學(xué)實(shí)踐的積累，使該課程形成了獨(dú)特的教學(xué)風(fēng)格，取得了較好的教學(xué)成果。但“無線通信原理”課程具有專業(yè)性強(qiáng)、理論性強(qiáng)和物理性強(qiáng)的特點(diǎn)［1］，如在教學(xué)中僅依靠幻燈片和教師的語言描述，學(xué)生仍對問題缺乏深刻的認(rèn)識和理解，因此迫切需要建設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。而實(shí)驗(yàn)箱開發(fā)周期較長，投入資金大，且后期進(jìn)一步引入新技術(shù)比較困難［2］。

運(yùn)用仿真軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可以克服實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備不足的缺點(diǎn)，具有靈活性和多樣性。Matlab是一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化的科學(xué)工程計(jì)算軟件［3］，學(xué)生也有先修課程的基礎(chǔ)，所以成為實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)開發(fā)的主要工具。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選取

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課堂教學(xué)需要相輔相成，互為補(bǔ)充［4］?！盁o線通信原理”課程主要涉及五個(gè)方面的內(nèi)容:①無線通信的發(fā)展和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);②蜂窩的概念(系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ));③無線電傳播的大尺度路徑損耗模型;④無線電傳播的小尺度衰落模型;⑤無線通信多址接入技術(shù)。

這五個(gè)部分相對獨(dú)立，又相互關(guān)聯(lián)。本課程以“干擾”和“衰落”為關(guān)鍵詞，貫穿整個(gè)教學(xué)內(nèi)容。

無線信道本身具有隨機(jī)性，所以傳播模型的建立需要考慮的問題較復(fù)雜，且對數(shù)學(xué)和信號系統(tǒng)等基礎(chǔ)知識要求高。課程中大量公式令學(xué)生產(chǎn)生困惑，教學(xué)效果不理想。我們首選的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)內(nèi)容是“無線電傳播模型”。這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)如何變抽象為形象，變枯燥為生動(dòng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

1)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇

課程組的教師為了幫助學(xué)生理解信道的特性與分類，認(rèn)為盡管信道建模理論已經(jīng)相當(dāng)成熟，比如經(jīng)典的Jakes模型和Clark模型，直接用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)卻顯得理論性太強(qiáng)，并不合適。

2)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工具選擇

我們考慮到授課對象是通信工程專業(yè)的大三學(xué)生，對Matlab軟件的使用已有一定的基礎(chǔ)。我們在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過程中結(jié)合Matlab軟件的特點(diǎn)，充分考慮如何讓學(xué)生參與，自己動(dòng)手編寫部分程序和調(diào)整參數(shù)，發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。利用Matlab面向數(shù)組設(shè)計(jì)的運(yùn)算特點(diǎn)和信號處理函數(shù)庫，用簡潔高效的語句編寫層次明晰的程序框架，同時(shí)兼顧程序的可延續(xù)性和可擴(kuò)展性。

3)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

(1)路徑損耗——建立地面反射(雙線)模型，生成發(fā)射信號，觀察信號的幅度的絕對值(代表信號強(qiáng)度)隨著時(shí)間和距離的增加而變化的規(guī)律，掌握大尺度路徑損耗模型。

(2)多徑效應(yīng)——設(shè)計(jì)發(fā)射信號波形，設(shè)定多徑信道參數(shù);了解信號失真與多徑平均時(shí)延擴(kuò)展之間的關(guān)系，觀察信號和多徑信道的頻譜特性。

(3)多普勒效應(yīng)——改變移動(dòng)臺移動(dòng)速度，觀察時(shí)域信號波形的變化，理解多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理;由于受到多徑效應(yīng)的影響，多普勒效應(yīng)會引起隨機(jī)頻率調(diào)制;認(rèn)識兩種效應(yīng)聯(lián)合作用下的信號失真。

(4)信道的分類——通過變換參數(shù)，理解信號發(fā)生衰落的原因以及信道的分類。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容案例

［例1］ 多徑效應(yīng)對確知信號的影響

我們指導(dǎo)學(xué)生編寫Matlab語句生成一個(gè)寬度為10μs的脈沖信號作為發(fā)送信號，如圖1(a)所示。設(shè)定兩組不同的多徑信道參數(shù)，包括不同的路徑數(shù)、每徑的幅度和延遲時(shí)間。對比發(fā)送信號，可以發(fā)現(xiàn)多徑平均時(shí)延擴(kuò)展較小時(shí)，接收信號與原始發(fā)送信號保持相似的波形如圖1(b);平均時(shí)延擴(kuò)展較大時(shí)，接收信號波形失真嚴(yán)重，如圖1(c)所示。

實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)發(fā)射信號波形，設(shè)定路徑的個(gè)數(shù)、幅度和時(shí)延等參數(shù)，比較不同的結(jié)果，體會無線信道多徑效應(yīng)與信號失真間的關(guān)聯(lián)。

圖1 不同的多徑參數(shù)條件下發(fā)收信號波形

［例2］ 信道的頻域特性

為了了解信號的特性，需要從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面去分析。同樣，為了更好詮釋無線信道的傳輸特性，需要觀察信道沖擊響應(yīng)對應(yīng)的頻域特性。我們遵循由淺入深的原則，考慮發(fā)送信號為單一頻率信號:

經(jīng)過L條多徑的傳輸，則接收信號為

其中，ai是第i條路徑的幅度，τi是第i條路徑的延遲時(shí)間，可以得對應(yīng)無線信道在某一特定頻率ω處的輿函數(shù)為

利用Matlab面向數(shù)組運(yùn)算的特點(diǎn)和功能，可計(jì)算某一頻域范圍內(nèi)的信道傳輸函數(shù)。當(dāng)頻率范圍設(shè)定為900MHz－910MHz，路徑數(shù)L=10，不同的多徑參數(shù)條件下信道傳輸函數(shù)的特性如圖2所示。

通過對比觀察，可以發(fā)現(xiàn):在多徑效應(yīng)的作用下，平均時(shí)延擴(kuò)展較小時(shí)，信道的幅頻特性較平坦，相頻特性呈線性如圖2(a)所示;平均時(shí)延擴(kuò)展較大時(shí)，信道的幅頻特性快速振蕩，相頻特性呈非線性如圖2(b)所示。與此同時(shí)，我們進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生使用Matlab快速傅立葉變換函數(shù)獲得發(fā)送信號和接收信號的幅頻特性及相頻特性，從頻域的角度理解信號衰落的原因。

圖2 不同的多徑參數(shù)條件下信道傳輸函數(shù)的特性

4 結(jié)語

將Matlab仿真實(shí)驗(yàn)引入“無線通信原理”課程的教學(xué)，給學(xué)生認(rèn)識問題帶來了全新的視角，有力地促進(jìn)了教學(xué)質(zhì)量的提升，取得了良好的教學(xué)效果。同時(shí)，也讓學(xué)生掌握了科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法。

通過回訪可知，98%的學(xué)生認(rèn)為新增的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)有利于知識的掌握，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)便于分析，編寫程序、修改參數(shù)的過程對于學(xué)習(xí)和理解通信知識有較好的作用，并希望今后能夠增加更多的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。2%的學(xué)生認(rèn)為效果一般，并提出了加強(qiáng)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)案例的建議和想法。

課程組今后將結(jié)合學(xué)生的反饋意見，進(jìn)一步研究和完善“無線通信原理”課程的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)多層次、多方位和立體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，培養(yǎng)出適應(yīng)無線通信技術(shù)發(fā)展要求的綜合型人才。

［1］ 盧敏，孟慶民.《無線通信原理》課程教學(xué)方法的研究與實(shí)踐［J］.南寧:高教論壇，2011(2):59-61.

［2］ 夏平，覃琴，萬均力.“通信原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建與實(shí)踐［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008(4):114-116.

［3］ 陳朝.MATLAB實(shí)驗(yàn)仿真在通信原理課程教學(xué)中的應(yīng)用［J］.北京:實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007(5):92-95.

［4］ 宋鐵成.“通信原理”課程雙語教學(xué)的探索與實(shí)踐［J］.北京:北京大學(xué)學(xué)報(bào)(哲學(xué)社會科學(xué)版)，2007(5):95-96.

［5］ Theodore S.Rappaport.Wireless Communications Principles and Practice［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.