仿真技術應用于移動通信實驗教學的創新實踐

2014-03-27 01:49:34何偉剛吳其琦黃亞群

實驗技術與管理 2014年10期

何偉剛，吳其琦，黃亞群

(1. 廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州 545006；2. 云南大學信息學院，云南昆明 650091)

1 創新型人才培養的需求與問題

移動通信課程是大學本科電子信息類專業的一門重要專業課,既有豐富的基礎理論,又有一定的電子實踐知識,還包含利用這些知識解決實踐問題的方法。在過去的幾十年里，移動通信系統從第一代模擬通信系統發展到了第三代移動通信系統，并且正推進3GPP LTE(long term evolution，長期演進)項目。作為電子信息類專業的一門重要課程，移動通信的教學一直受到教育界的高度關注[1-2]。

移動通信技術的應用領域十分廣泛，隨著移動通信技術、產業和市場的蓬勃發展，移動通信課程教學內容更新周期越來越短，與工程實際結合也越來越緊密。與時俱進地實施移動通信教學內容的改革，將理論教學和實驗教學進行有機融合，是時代發展的要求[3]。21世紀的高等教育要從知識傳授型向能力培養型轉變,而能力培養的途徑之一是實驗教學[4]，實驗教學對培養工科學生的綜合分析能力和創新能力具有重要的作用。培養學生的創新思維，促進移動通信產業的發展，為社會培養出高水平、創新型的專業移動通信人才，是移動通信實驗教學的一個重要責任。

在傳統的移動通信技術教學中存在著諸多問題，主要是：

(1) 實驗教學從屬于理論教學，實驗教學得不到足夠的重視，實驗是為驗證理論知識，理論教學和實踐教學相脫節[5]；

(2) 實驗內容陳舊，無法趕上移動通信新型器件和裝置的發展，缺乏新的實驗教學手段和方法；設備的更新換代比較慢，實驗的開展受到硬件實驗設備的限制，跟不上技術革新的步伐[6]；

(3) 驗證性實驗多，綜合性實驗以及創新性實驗少，在實驗方法上基本是簡單的模仿，學生被動學習，缺少積極的思維和創新，也沒有探索的目標和方向，沒有良好的實驗教學改革措施[7]；

(4) 在移動通信原理課程中，關于調制解調等有關內容偏重理論,太過抽象,枯燥乏味。

受資金和儀器設備不足等實驗條件的限制以及學時較少的影響，很多移動通信原理實驗(例如正交頻分多路實驗)不能由學生實際動手完成，一些實驗內容僅僅能驗證理論課學習的內容[8-9]，顯然對學生創新能力的培養是非常不利的。積極探索移動通信原理實驗教學的改革，嘗試開展仿真創新實驗教學，對于學生更好地學習移動通信原理課程，培養創新能力起著重要的作用。

2 仿真教學的引入與創新能力的培養

傳統的移動通信原理課程理論教學，大多重在討論某種技術或算法的原理及其理論推導，以方便理解調制解調器原理和無線電波變換過程，從而加深信源編解碼和信道編解碼、無線電波發射與接收等知識的理解。在常規的實驗課上，對移動通信實驗原理的講解也要在黑板上書寫，既不夠形象、直觀，又比較呆板。由于有大量的波形分析內容，教師在黑板上畫圖也是一件比較困難的事情，而且學生不易理解[10]。

在傳統的設計性實驗中，學生常因受到固定的實驗設備的束縛而改變實驗設計思路，不可避免地存在錯誤和不足，致使電路調試費時費力，甚至引起元器件和儀器設備損壞，使實驗不能達到預期效果。

因此，在移動通信原理實驗教學中引入仿真實驗，是對理論課教學的必要補充[11]。學生可以充分利用仿真實驗軟件在數據采集、儲存、分析、處理、傳輸及控制等方面的強大功能，進行方案的論證、選定和電路的設計，可以方便地改變參數來調整電路，使之更好地接近設計要求，設計出較為理想的電路。學生還可以根據要求輸出電路的測試參量或波形，作為真實電路調試的依據和參考；可利用計算機進行不同的仿真操作，得到與使用實際實驗裝置進行真實實驗相同的結果。另外，一些較為復雜的移動通信創新性實驗和綜合性實驗，無法通過模擬實驗完成實驗課教學，但是通過引入仿真教學，便可以擴大實驗教學的維度、擴大了實驗教學的可操作性。

移動通信是通信原理、高頻電路和信號處理的交叉學科，學生只通過理論教學很難理解學科交叉性，對移動通信原理的理解也不夠全面。通過引入仿真教學，既能加強學生對移動通信原理的認識，又能加強學生對實際電路的認識，為后續課程學習打下堅實的基礎。仿真實驗教學的引入，很好地支持了移動通信原理的學習，可以進行新技術的研究，拓展學生的工程意識，提高設計調試電路的靈活性，最大限度地發揮學生的創新思維，開闊學生的視野。

3 仿真教學開展實例分析

3.1 理論教學與正交調制解調分析

正交調制解調系統的原理是把整個可用信道頻帶B劃分為N個帶寬為f的子信道，把N個串行碼元變換為N個并行的碼元，將高速信號變換為低速的并行子數據流，分別調制這N個子信道載波進行同步傳輸，并在終端分開正交信號。信號的調制和解調實際是采用數字信號處理的方法來實現的。先將信號串并變換成低速支路，各支路的調制可以采用數字調制方式，然后進行快速傅里葉逆變換(IFFT)、快速傅里葉變換(FFT)來實現[12]。正交調制解調系統實現如圖1所示。

圖1 正交調制解調系統

N個碼元分別調制N個子載波，子載波的頻率為fn,a(n)、b(n)表示輸入的同相分量和正交分量的實序列，它們在每個支路上調制一對正交載波，輸出的正交調制信號為D(t)，即

式中A(t)為信號的復包絡，即

然后對信號進行抽樣，形成離散時間信號。由于正交頻分復用信號的帶寬為B=N·Δf，信號必須以Δt= 1/B= 1/(N·Δf)的時間間隔進行采樣，采樣后的信號用sinc函數表示，i= 0, 1, …,N-1，則有

從該式可以看出，它是一個嚴格的離散傅里葉逆變換(IDFT)的表達式，IDFT可以采用快速傅里葉逆變換(IFFT)來實現。

3.2 正交頻分電路仿真實驗分析

通常在正交頻分電路分析中，往往會忽略講解和分析子載波調制快速傅里葉變換和反變換等內容。讓學生從理論公式推導中理解OFDM原理,并利用Matlab編程實現不同子載波數的調制信號,可以驗證對子載波數調制狀態的影響,進一步驗證理論公式并加深理解。可以用理論推導和實驗驗證兩種方法來理解調制。通過正交頻分各步驟的波形圖，形象地描繪信號調制解調的過程，逼真地顯現出真實信號傳輸變化的實時動態過程。

(1) 確定參數。假設參數為：子載波數為8，FFT長度為8，符號速率、比特率、保護間隔長度為2，信噪比12，插入導頻數。基本的仿真可以不插入導頻，導頻數可以為0。通過運行仿真及修改參數設置，教師可引導學生逐步實驗，觀察分析仿真結果并給出結論。通過示波器模塊可以直觀地觀察到二進制隨機信源。

(2) 產生數據。使用隨機數產生器產生二進制數據。可以將原序列化為16進制的碼元圖，通過改變數據率觀察仿真波形，如圖2所示。

圖2 將原序列化為十六進制的碼元圖

(3) 子載波調制。利用Matlab工具仿真實現BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等4種調制方式。按照星座圖，將每個子信道上的數據映射到星座圖點的復數表示，如圖3所示。通過改變支路不同的調制方式，觀察到仿真波形，每次課都會有各式各樣新的實驗波形，可以直觀地觀察到二進制隨機信源，以及將一路高速數據轉換成多路低速數據的波形。

圖3 原序列映射后的星座圖

(4) IFFT運算。對上一步得到的同相分量和正交分量進行IFFT運算。為便于理解，可采用仿真軟件直觀地表現子信道上的數據與OFDM符號之間傅里葉逆變換關系，如圖4所示。當子信道的脈沖為矩形脈沖時，具有sinc函數形式的頻譜。當改變系統(N)時，OFDM功率譜形狀也隨之改變，如圖5所示。

圖4 逆傅里葉變換后的序列圖

圖5 N=8的OFDM功率譜圖

(5) 加入保護間隔，加入噪聲。由IFFT運算后的每個符號的同相分量和正交分量分別轉換為串行數據，并將符號尾部G長度的數據加到頭部，構成循環前綴。

(6) 并串轉換。將每個符號分布在子信道上的數據還原為一路串行數據。

(7) FFT運算。對每個符號的同相分量和正交分量按照(Ich+Qch×i)進行FFT運算。傅里葉變換序列如圖6所示。

圖6 傅里葉變換序列后的星座圖

由于噪聲和信道的影響，接收端收到的每個子信道上的數據，映射到星座圖不再是嚴格的發送端的星座圖。將得到的星座圖上的點按照最近原則判決為原星座圖上的點，并按映射規則還原為一組數據。糾錯后的星座如圖7所示，星座糾錯后解碼如圖8所示。利用以上設計的信號,在Matlab中編程實現該信號的調制,畫出調制前后信號的時序圖,如圖9所示。此時,學生容易理解此種調制方式為何IFFT被稱調制。在此基礎上,學生通過理論分析以及Matlab實驗畫圖驗證,進一步加深了對正交頻分電路的理解。