虛實(shí)一體化的DQPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)

魏建軍, 陳付龍, 劉乃安, 李曉輝

(1. 西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院, 陜西 西安 710071； 2. 安徽師范大學(xué) 數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院, 安徽 蕪湖 241003)

四相相對(duì)相移鍵控(differential quadrature reference phase shift keying,DQPSK)利用前后碼元之間的相對(duì)相位變化來表示信息,消除了相位模糊,并且具有優(yōu)越的抗噪聲性能和頻帶利用率,是北美和日本所使用的第二代移動(dòng)通信調(diào)制標(biāo)準(zhǔn),也是通信理論與技術(shù)的基本內(nèi)容[1]。DQPSK信號(hào)由2個(gè)正交分量合成,并且包括串并變化,實(shí)現(xiàn)過程比較復(fù)雜,因而很多通信工程專業(yè)對(duì)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)采用軟件仿真的方法。采用軟件仿真的方法很難仿真信道和載波同步問題,學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容不易理解透徹[2]。為此,筆者探索新的實(shí)驗(yàn)方式,幫助學(xué)生更好地掌握這部分內(nèi)容。

虛實(shí)一體化的DQPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)是基于半實(shí)物虛擬仿真理念建立的,系統(tǒng)保留原方框圖法,利用真正的硬件模塊,實(shí)現(xiàn)相關(guān)原理仿真。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容等同標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)控制操作與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)相同。學(xué)生可改變頻率、相位、振幅及時(shí)間等實(shí)驗(yàn)參數(shù),使實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)理論及數(shù)學(xué)計(jì)算關(guān)聯(lián)起來。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),學(xué)生實(shí)際上是操作真實(shí)的儀器設(shè)備，觀看真實(shí)的電信號(hào)和信道的特性,但是減少了傳送信號(hào)和取樣頻率,使學(xué)生更容易觀看和理解DQPSK信號(hào)[3-5]。該系統(tǒng)提供了二次開發(fā)功能,支持學(xué)生進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)[6-8]。

1 虛實(shí)一體化的DQPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)

1.1 虛實(shí)一體化系統(tǒng)架構(gòu)

虛實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)采用基于半實(shí)物虛擬仿真的方法,構(gòu)建成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)室,允許學(xué)生完成真正的硬件實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在宿舍、圖書館、自習(xí)室等任意聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)合,無需安裝任何終端接口軟件,即可通過瀏覽器登錄系統(tǒng)平臺(tái),選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)操作面板設(shè)置實(shí)驗(yàn)室里的實(shí)驗(yàn)器材,通過平臺(tái)配套的虛擬儀表進(jìn)行觀測(cè),且數(shù)據(jù)結(jié)果顯示清晰明了。虛實(shí)一體化的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

整個(gè)系統(tǒng)由虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬服務(wù)器和多個(gè)終端構(gòu)成。虛擬實(shí)驗(yàn)室中有多個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與交換機(jī)連接。交換機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接到虛擬服務(wù)器,終端通過網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器。無線通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用BS架構(gòu),服務(wù)器端可部署在學(xué)校機(jī)房；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可放置于實(shí)驗(yàn)室；學(xué)生終端訪問采用瀏覽器,無地點(diǎn)環(huán)境要求。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)與功能

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用虛實(shí)一體化設(shè)計(jì)思想,學(xué)生既能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),也能通過網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)端PC實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)試和開發(fā)實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)符合當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)工程化、實(shí)驗(yàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化和課堂教學(xué)智能化的趨勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由基帶處理單元、射頻單元和嵌入式PC控制器等3部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效地解決了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地與學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間的問題。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)管理軟件和虛擬實(shí)體操作軟件的支持下,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲辉賳我?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容不再固定。學(xué)生能夠根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間和選擇擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,在遠(yuǎn)端隨時(shí)、隨地完成課程實(shí)驗(yàn)或進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新,滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)的要求。遠(yuǎn)端PC機(jī)DQPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 DQPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理

學(xué)生可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)界面連接實(shí)驗(yàn)電路,根據(jù)需要調(diào)整數(shù)控器件、配置電路參數(shù)、選擇測(cè)試點(diǎn)；也可以操作虛擬信號(hào)源、示波器、頻譜儀等測(cè)量?jī)x表；可以加入噪聲,模擬真實(shí)信道進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)測(cè)試[9-10]。

2 實(shí)驗(yàn)方法

DQPSK調(diào)制與解調(diào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括差分碼編碼和譯碼原理、DQPSK調(diào)制原理和DQPSK相干解調(diào)原理。首先設(shè)置基帶數(shù)據(jù),然后將基帶數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換,并從I路和Q路輸出,I路和Q路輸出的數(shù)據(jù)分別與載波相乘得到DQPSK。使用Costas環(huán)恢復(fù)載波,并對(duì)DQPSK信號(hào)進(jìn)行解調(diào),觀測(cè)DQPSK解調(diào)端的星座圖。

DQPSK調(diào)制與解調(diào)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基于半實(shí)物虛擬仿真的理念,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、真實(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)操作、填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告等環(huán)節(jié)。系統(tǒng)支持學(xué)生本地實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

進(jìn)行本地實(shí)驗(yàn)時(shí),在內(nèi)嵌PC控制器上選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、設(shè)置參數(shù)、測(cè)試框圖對(duì)應(yīng)各點(diǎn)信號(hào)。

進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)時(shí),通過網(wǎng)絡(luò)登錄服務(wù)器獲取實(shí)驗(yàn)的相關(guān)資料、選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí),然后按照實(shí)驗(yàn)要求遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn),真實(shí)測(cè)量和記錄各個(gè)測(cè)試點(diǎn)波形。虛擬示波器、虛擬頻譜儀、虛擬邏輯分析儀能滿足信號(hào)時(shí)頻域測(cè)試。最后,學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)思考題,并通過網(wǎng)絡(luò)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程都通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。教師通過網(wǎng)絡(luò)察看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)狀態(tài),結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

學(xué)生在基本完成DQPSK調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,可以改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)(例如基帶信號(hào)的產(chǎn)生方式、基帶數(shù)據(jù)速率、載波頻率等),觀察波形的變化,判斷是否與預(yù)想一致,并進(jìn)一步分析其原因。

3 虛實(shí)一體化的DQPSK調(diào)制與解調(diào)二次開發(fā)

除了基本的DQPSK理論驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外,系統(tǒng)平臺(tái)支持二次開發(fā),方便學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的拓展學(xué)習(xí)。學(xué)生完成DQPSK基本實(shí)驗(yàn)后,可在現(xiàn)有平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行DQPSK調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)的二次開發(fā),包括信號(hào)源、信源編碼、信道編碼、數(shù)字調(diào)制、數(shù)字解調(diào)、信道譯碼、信源譯碼和信宿。二次開發(fā)流程如圖3所示,學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的*.rbf文件下載到對(duì)應(yīng)的模塊中進(jìn)行驗(yàn)證即可。

圖3 二次開發(fā)流程

4 實(shí)施效果

與傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)相比,虛實(shí)一體化的DQPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)靈活且多樣化,能提供豐富的儀器設(shè)備,彌補(bǔ)了硬件實(shí)驗(yàn)無法進(jìn)行設(shè)備選擇、參數(shù)設(shè)置和頻譜分析的不足,能更好地培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、分析能力和創(chuàng)新能力。虛擬實(shí)驗(yàn)受硬件設(shè)備的限制少,實(shí)驗(yàn)設(shè)備損壞的問題從根本上得到解決,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能及時(shí)根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行更新,使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)結(jié)合得更緊密。由于虛實(shí)一體化的DQPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采集的都是真實(shí)的電信號(hào),符合“能實(shí)不虛,虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念,也符合高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與發(fā)展的方向[11]。

虛實(shí)一體化的DQPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析速度快,測(cè)量結(jié)果響應(yīng)及時(shí),學(xué)生可以隨機(jī)選擇服務(wù)器和獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn),師生反映比較好。這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ浇o學(xué)生以最大的靈活性,充分發(fā)揮學(xué)生能動(dòng)性,調(diào)動(dòng)了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣和積極性,使學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握更加牢固、動(dòng)手能力更強(qiáng)、自主學(xué)習(xí)熱情更高[12]。

經(jīng)過對(duì)虛實(shí)一體化的DQPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的多次完善,該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目于2017年被陜西省教育廳評(píng)選為省級(jí)示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目,現(xiàn)已面向高校和社會(huì)開放。

5 結(jié)語(yǔ)

虛實(shí)一體化實(shí)驗(yàn)作為一種新的實(shí)驗(yàn)方式,將軟硬件系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合,操作者既能獲得真實(shí)的電信號(hào),又可靈活選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的限制,是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降母母?。?shí)驗(yàn)者可根據(jù)自己的理解設(shè)計(jì)新的DQPSK調(diào)制與解調(diào)架構(gòu),開發(fā)新的算法,并將其下載到硬件中進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。由于其網(wǎng)絡(luò)開發(fā)性特點(diǎn),任何注冊(cè)用戶都可以進(jìn)行DQPSK調(diào)制與解調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),有助于向社會(huì)普及通信基本知識(shí),提高通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。