軟硬件相結(jié)合的移動(dòng)通信原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王志鵬，李 婧，侯晨霞

（1.南陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，河南 南陽 473061；2.南陽師范學(xué)院 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，河南 南陽 473061）

移動(dòng)通信原理也是通信工程專業(yè)本科生的一門非常重要的專業(yè)必修課。移動(dòng)通信原理課程的主要內(nèi)容包括現(xiàn)代移動(dòng)通信的基本原理、基本技術(shù)和當(dāng)前廣泛應(yīng)用的典型移動(dòng)通信系統(tǒng)［1］。該課程內(nèi)容豐富，并且與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合十分緊密，是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的專業(yè)課程。因此，在課堂理論講授的同時(shí)也必須要安排一定學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)［2－4］。

目前各學(xué)校的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)大多是以移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)箱配合計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的［5］。雖然移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)箱可以實(shí)現(xiàn)絕大部分的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但是由于移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)箱的硬件電路都是固化在內(nèi)部的，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較固定，不利于開展綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，而且學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)只是按照指導(dǎo)書上的實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并不能激發(fā)學(xué)生的興趣，實(shí)驗(yàn)效果不理想。為此，很多學(xué)校利用Simulink、LabVIEW和SystemView等實(shí)驗(yàn)軟件采用軟件仿真的方式來安排移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)［6－8］。這種純軟件仿真的方式可以直接在機(jī)房中開設(shè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)成本低，能夠完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容靈活多樣，便于開展綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。但是這種純軟件仿真的實(shí)驗(yàn)方式對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)和信令交換實(shí)驗(yàn)卻難以實(shí)現(xiàn)。另外，純粹的軟件模擬也無助于使學(xué)生建立起移動(dòng)通信系統(tǒng)的直觀概念。

針對(duì)以上兩種實(shí)驗(yàn)方式的特點(diǎn)，結(jié)合移動(dòng)通信原理課程的內(nèi)容，我們將硬件驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和軟件設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來。對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)和信令交換等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，利用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行演示和驗(yàn)證；而對(duì)于移動(dòng)通信基本原理和關(guān)鍵技術(shù)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容則采用System－View軟件仿真的方式進(jìn)行系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。通過近兩年的教學(xué)實(shí)踐，這種軟硬件結(jié)合的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)體系涵蓋了移動(dòng)通信原理的所有內(nèi)容，與理論課內(nèi)容相輔相成，多種實(shí)驗(yàn)方式和層次也能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主觀能動(dòng)性，達(dá)到了比較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 基于實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)箱可以非常直觀地演示移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和信令交換過程的特點(diǎn)，為此我們對(duì)與移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容采用實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證的方式安排實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于實(shí)驗(yàn)箱的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括實(shí)驗(yàn)箱、學(xué)生平臺(tái)、交換機(jī)和教師監(jiān)控臺(tái)。其中實(shí)驗(yàn)箱采用南京捷輝科技有限公司生產(chǎn)的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)箱（JH5005），主要用來模擬移動(dòng)終端和基站的處理技術(shù)。學(xué)生平臺(tái)包括PC機(jī)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)界面軟件，是學(xué)生控制實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)。每次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生進(jìn)入學(xué)生平臺(tái)的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)界面，學(xué)生平臺(tái)程序會(huì)向?qū)嶒?yàn)箱下發(fā)相應(yīng)的控制指令，配置相應(yīng)的參數(shù)，從而使實(shí)驗(yàn)箱做好相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備。部分實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也將通過串口由實(shí)驗(yàn)箱傳送到學(xué)生平臺(tái)上，學(xué)生平臺(tái)通過界面可以更清楚地看到部分實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。交換機(jī)主要用于完成2個(gè)移動(dòng)臺(tái)之間的語音通信，模擬實(shí)際移動(dòng)通信系統(tǒng)中話音信號(hào)在有線部分的傳輸。教師監(jiān)控臺(tái)主要用于控制學(xué)生平臺(tái)的工作。

利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安排的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：（1）移動(dòng)臺(tái)開機(jī)入網(wǎng)和關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)；（2）移動(dòng)性位置管理實(shí)驗(yàn)；（3）移動(dòng)臺(tái)主叫實(shí)驗(yàn)；（4）移動(dòng)臺(tái)被叫實(shí)驗(yàn)；（5）GSM協(xié)議幀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)；（6）信道復(fù)用實(shí)驗(yàn)；（7）信道均衡實(shí)驗(yàn)；（8）900MHz GSM手機(jī)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)課開設(shè)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)課時(shí)情況和具體教學(xué)內(nèi)容要求選取合適的其中若干個(gè)實(shí)驗(yàn)安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

可以看到，以上幾個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本上都是與移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)和工作過程緊密相關(guān)的。通過這些實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直觀地了解移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本組成和工作原理，鞏固在移動(dòng)通信原理課堂上所學(xué)到的相關(guān)知識(shí)。

2 基于SystemView的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于實(shí)驗(yàn)箱的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容比較簡(jiǎn)單。為了達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，還必須設(shè)置一定量的綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。因此，還需要安排一部分基于SystemView的仿真實(shí)驗(yàn)。

2.1 基于SystemView的仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

SystemView是一個(gè)用于現(xiàn)代工程與科學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析平臺(tái)，可進(jìn)行包括數(shù)字信號(hào)處理（DSP）系統(tǒng)、模擬與數(shù)字通信系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的仿真分析［9－13］。用戶在利用該軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不需要計(jì)算機(jī)編程，只需從SystemView配置的圖標(biāo)庫中調(diào)出有關(guān)圖標(biāo)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，完成圖標(biāo)間的連線，然后運(yùn)行仿真操作，最終以時(shí)域波形、眼圖、星座圖和功率譜等形式給出系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。

SystemView軟件操作簡(jiǎn)單，非常適合于綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)移動(dòng)通信原理課程安排，基于SystemView的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：

（1）二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）的基本原理。通過簡(jiǎn)單的BPSK的調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的仿真，理解BPSK的基本原理，觀察功率譜和系統(tǒng)眼圖，分析噪聲功率變化對(duì)眼圖的影響。

（2）四相相移鍵控（QPSK）系統(tǒng)原理仿真。通過對(duì)QPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)的仿真，理解QPSK的基本原理，分析輸入和輸出波形之間的關(guān)系，觀察相位轉(zhuǎn)移圖和星座圖。

（3）直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)直序擴(kuò)頻和解擴(kuò)系統(tǒng)的仿真，觀察擴(kuò)頻前后信號(hào)頻譜之間的關(guān)系，理解擴(kuò)頻通信的基本原理，分析擴(kuò)頻端和解擴(kuò)端擴(kuò)頻碼不一致和擴(kuò)頻碼不同步對(duì)于擴(kuò)頻系統(tǒng)的影響，研究擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能。

（4）交織編碼的仿真實(shí)現(xiàn)。利用SystemView仿真軟件設(shè)計(jì)并建立交織編碼糾錯(cuò)的系統(tǒng)圖，理解交織編碼的基本原理，分析突發(fā)干擾對(duì)于解碼輸出的影響。

2.2 SystemView實(shí)驗(yàn)舉例

下面以“直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)”為例，進(jìn)一步說明基于SystemView的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。

首先，學(xué)生應(yīng)根據(jù)直序擴(kuò)頻和解擴(kuò)的基本原理完成系統(tǒng)仿真模型的搭建。直序擴(kuò)頻和解擴(kuò)系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。其中左邊為擴(kuò)頻端，右邊為解擴(kuò)端，中間部分用一個(gè)延時(shí)單元來表示移動(dòng)信道。在實(shí)驗(yàn)中，可以讓學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)輸入?yún)?shù)自行設(shè)計(jì)解擴(kuò)端使用的低通濾波器的截止頻率等參數(shù)。

創(chuàng)建完仿真系統(tǒng)后，就可以觀察輸入信號(hào)波形、擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻后輸出波形、解擴(kuò)后輸出波形，并比較它們的頻譜。各信號(hào)頻譜如圖3所示。

圖2 直序擴(kuò)頻和解擴(kuò)系統(tǒng)的仿真模型

圖3 直序擴(kuò)頻和解擴(kuò)系統(tǒng)各信號(hào)的頻譜

通過觀察信號(hào)波形和頻譜圖可以更好地理解直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的基本原理以及擴(kuò)頻系統(tǒng)具有高抗干擾性能的原因?？梢酝ㄟ^調(diào)整仿真模型中延時(shí)單元的時(shí)延值，通過觀察仿真波形來分析擴(kuò)頻碼不同步對(duì)于擴(kuò)頻系統(tǒng)的影響。還可以通過改變2個(gè)擴(kuò)頻碼發(fā)生器的參數(shù)來觀察并分析擴(kuò)頻端和解擴(kuò)端擴(kuò)頻碼不一致對(duì)于直序擴(kuò)頻系統(tǒng)的影響。

在該實(shí)驗(yàn)中還可以在信道中添加一個(gè)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(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能。

3 結(jié)束語

根據(jù)實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們將移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)和信令交換的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和對(duì)移動(dòng)通信基本原理和關(guān)鍵技術(shù)的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來安排移動(dòng)通信原理實(shí)驗(yàn)課程。硬件驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和軟件設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的結(jié)合組成一個(gè)多層次、全方位的移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)體系，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

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