“無線通信原理”課程實驗環節設計

盧 敏

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

0 引言

2006年我院為通信工程專業的學生開設了“無線通信原理”課程，涉及無線電傳播、無線通信技術、組網的基本概念和原理。采用雙語教學模式，使用國外經典原版教材《無線通信原理與應用》，以提升學生對前沿科技文獻的閱讀和學習能力。

五年教學實踐的積累，使該課程形成了獨特的教學風格，取得了較好的教學成果。但“無線通信原理”課程具有專業性強、理論性強和物理性強的特點［1］，如在教學中僅依靠幻燈片和教師的語言描述，學生仍對問題缺乏深刻的認識和理解，因此迫切需要建設實驗環節。而實驗箱開發周期較長，投入資金大，且后期進一步引入新技術比較困難［2］。

運用仿真軟件設計實驗，可以克服實驗室硬件設備不足的缺點，具有靈活性和多樣性。Matlab是一套高性能的數值計算和可視化的科學工程計算軟件［3］，學生也有先修課程的基礎，所以成為實驗環節設計開發的主要工具。

1 實驗內容的選取

實驗內容與課堂教學需要相輔相成，互為補充［4］。“無線通信原理”課程主要涉及五個方面的內容:①無線通信的發展和技術標準;②蜂窩的概念(系統設計基礎);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。

這五個部分相對獨立，又相互關聯。本課程以“干擾”和“衰落”為關鍵詞，貫穿整個教學內容。

無線信道本身具有隨機性，所以傳播模型的建立需要考慮的問題較復雜，且對數學和信號系統等基礎知識要求高。課程中大量公式令學生產生困惑，教學效果不理想。我們首選的實驗環節內容是“無線電傳播模型”。這個實驗可以實現如何變抽象為形象，變枯燥為生動的設計目標。

2 實驗的設計

1)實驗項目的選擇

課程組的教師為了幫助學生理解信道的特性與分類，認為盡管信道建模理論已經相當成熟，比如經典的Jakes模型和Clark模型，直接用于實驗教學卻顯得理論性太強，并不合適。

2)實驗設計工具選擇

我們考慮到授課對象是通信工程專業的大三學生，對Matlab軟件的使用已有一定的基礎。我們在實驗的設計過程中結合Matlab軟件的特點，充分考慮如何讓學生參與，自己動手編寫部分程序和調整參數，發現問題并解決問題。利用Matlab面向數組設計的運算特點和信號處理函數庫，用簡潔高效的語句編寫層次明晰的程序框架，同時兼顧程序的可延續性和可擴展性。

3)實驗內容的設計

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

(2)多徑效應——設計發射信號波形，設定多徑信道參數;了解信號失真與多徑平均時延擴展之間的關系，觀察信號和多徑信道的頻譜特性。

(3)多普勒效應——改變移動臺移動速度，觀察時域信號波形的變化，理解多普勒效應產生的機理;由于受到多徑效應的影響，多普勒效應會引起隨機頻率調制;認識兩種效應聯合作用下的信號失真。

(4)信道的分類——通過變換參數，理解信號發生衰落的原因以及信道的分類。

3 實驗內容案例

［例1］ 多徑效應對確知信號的影響

我們指導學生編寫Matlab語句生成一個寬度為10μs的脈沖信號作為發送信號，如圖1(a)所示。設定兩組不同的多徑信道參數，包括不同的路徑數、每徑的幅度和延遲時間。對比發送信號，可以發現多徑平均時延擴展較小時，接收信號與原始發送信號保持相似的波形如圖1(b);平均時延擴展較大時，接收信號波形失真嚴重，如圖1(c)所示。

實驗過程中，學生可以自行設計發射信號波形，設定路徑的個數、幅度和時延等參數，比較不同的結果，體會無線信道多徑效應與信號失真間的關聯。

圖1 不同的多徑參數條件下發收信號波形

［例2］ 信道的頻域特性

為了了解信號的特性，需要從時域和頻域兩個方面去分析。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對應的頻域特性。我們遵循由淺入深的原則，考慮發送信號為單一頻率信號:

經過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條路徑的延遲時間，可以得對應無線信道在某一特定頻率ω處的輿函數為

利用Matlab面向數組運算的特點和功能，可計算某一頻域范圍內的信道傳輸函數。當頻率范圍設定為900MHz－910MHz，路徑數L=10，不同的多徑參數條件下信道傳輸函數的特性如圖2所示。

通過對比觀察，可以發現:在多徑效應的作用下，平均時延擴展較小時，信道的幅頻特性較平坦，相頻特性呈線性如圖2(a)所示;平均時延擴展較大時，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，我們進一步啟發學生使用Matlab快速傅立葉變換函數獲得發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 不同的多徑參數條件下信道傳輸函數的特性

4 結語

將Matlab仿真實驗引入“無線通信原理”課程的教學，給學生認識問題帶來了全新的視角，有力地促進了教學質量的提升，取得了良好的教學效果。同時，也讓學生掌握了科學的實驗方法。

通過回訪可知，98%的學生認為新增的實驗環節有利于知識的掌握，實驗數據便于分析，編寫程序、修改參數的過程對于學習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驗內容。2%的學生認為效果一般，并提出了加強創新型實驗案例的建議和想法。

課程組今后將結合學生的反饋意見，進一步研究和完善“無線通信原理”課程的實驗環節，設計多層次、多方位和立體化的實驗教學體系，培養出適應無線通信技術發展要求的綜合型人才。

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

［2］ 夏平，覃琴，萬均力.“通信原理”實驗教學體系構建與實踐［J］.南京:電氣電子教學學報，2008(4):114-116.

［3］ 陳朝.MATLAB實驗仿真在通信原理課程教學中的應用［J］.北京:實驗技術與管理，2007(5):92-95.

［4］ 宋鐵成.“通信原理”課程雙語教學的探索與實踐［J］.北京:北京大學學報(哲學社會科學版)，2007(5):95-96.

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