虛實一體化的DQPSK調制與解調系統(tǒng)

魏建軍, 陳付龍, 劉乃安, 李曉輝

(1. 西安電子科技大學 通信工程學院, 陜西 西安 710071； 2. 安徽師范大學 數(shù)學計算機科學學院, 安徽 蕪湖 241003)

四相相對相移鍵控(differential quadrature reference phase shift keying,DQPSK)利用前后碼元之間的相對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通信調制標準,也是通信理論與技術的基本內容[1]。DQPSK信號由2個正交分量合成,并且包括串并變化,實現(xiàn)過程比較復雜,因而很多通信工程專業(yè)對這個知識點的實驗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,學生對這部分內容不易理解透徹[2]。為此,筆者探索新的實驗方式,幫助學生更好地掌握這部分內容。

虛實一體化的DQPSK調制與解調系統(tǒng)是基于半實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,實現(xiàn)相關原理仿真。實驗的內容等同標準實驗,實驗控制操作與標準系統(tǒng)相同。學生可改變頻率、相位、振幅及時間等實驗參數(shù),使實驗結果與相關理論及數(shù)學計算關聯(lián)起來。進行實驗時,學生實際上是操作真實的儀器設備，觀看真實的電信號和信道的特性,但是減少了傳送信號和取樣頻率,使學生更容易觀看和理解DQPSK信號[3-5]。該系統(tǒng)提供了二次開發(fā)功能,支持學生進一步深入學習[6-8]。

1 虛實一體化的DQPSK調制與解調系統(tǒng)

1.1 虛實一體化系統(tǒng)架構

虛實一體化實驗采用基于半實物虛擬仿真的方法,構建成一個網(wǎng)絡化的實驗室,允許學生完成真正的硬件實驗。學生在宿舍、圖書館、自習室等任意聯(lián)網(wǎng)的場合,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,選擇實驗項目和進行遠程實驗。學生可以通過實驗操作面板設置實驗室里的實驗器材,通過平臺配套的虛擬儀表進行觀測,且數(shù)據(jù)結果顯示清晰明了。虛實一體化的系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 實驗平臺

整個系統(tǒng)由虛擬實驗室、虛擬服務器和多個終端構成。虛擬實驗室中有多個實驗平臺與交換機連接。交換機通過網(wǎng)絡連接到虛擬服務器,終端通過網(wǎng)絡訪問服務器。無線通信實驗平臺采用BS架構,服務器端可部署在學校機房；實驗平臺可放置于實驗室；學生終端訪問采用瀏覽器,無地點環(huán)境要求。

1.2 系統(tǒng)特點與功能

實驗平臺采用虛實一體化設計思想,學生既能在現(xiàn)場進行實驗,也能通過網(wǎng)絡在遠端PC實時進行測試和開發(fā)實驗。該平臺符合當前實驗教學工程化、實驗設備網(wǎng)絡化和課堂教學智能化的趨勢。

實驗平臺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,其結構如圖1所示。

實驗平臺有效地解決了實驗場地與學生實驗時間的問題。在實驗平臺管理軟件和虛擬實體操作軟件的支持下,實驗模式不再單一、實驗內容不再固定。學生能夠根據(jù)自己的學習進度安排實驗時間和選擇擴展實驗內容,在遠端隨時、隨地完成課程實驗或進行設計創(chuàng)新,滿足個性化學習的要求。遠端PC機DQPSK調制與解調系統(tǒng)實驗原理如圖2所示。

圖2 DQPSK調制與解調系統(tǒng)實驗原理

學生可以通過虛擬實驗界面連接實驗電路,根據(jù)需要調整數(shù)控器件、配置電路參數(shù)、選擇測試點；也可以操作虛擬信號源、示波器、頻譜儀等測量儀表；可以加入噪聲,模擬真實信道進行實時信號測試[9-10]。

2 實驗方法

DQPSK調制與解調虛擬仿真實驗內容包括差分碼編碼和譯碼原理、DQPSK調制原理和DQPSK相干解調原理。首先設置基帶數(shù)據(jù),然后將基帶數(shù)據(jù)串并轉換,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)恢復載波,并對DQPSK信號進行解調,觀測DQPSK解調端的星座圖。

DQPSK調制與解調虛擬仿真實驗基于半實物虛擬仿真的理念,實驗內容包括實驗預習、真實測量實驗操作、填寫實驗報告等環(huán)節(jié)。系統(tǒng)支持學生本地實驗和遠程實驗。

進行本地實驗時,在內嵌PC控制器上選擇實驗內容、設置參數(shù)、測試框圖對應各點信號。

進行遠程實驗時,通過網(wǎng)絡登錄服務器獲取實驗的相關資料、選擇實驗內容和進行實驗預習,然后按照實驗要求遠程操作實驗設備進行實驗,真實測量和記錄各個測試點波形。虛擬示波器、虛擬頻譜儀、虛擬邏輯分析儀能滿足信號時頻域測試。最后,學生完成實驗思考題,并通過網(wǎng)絡提交實驗報告。整個實驗過程都通過網(wǎng)絡進行。教師通過網(wǎng)絡察看學生的實驗狀態(tài),結合實驗過程給出實驗成績。

學生在基本完成DQPSK調制與解調實驗的基礎上,可以改變實驗參數(shù)(例如基帶信號的產(chǎn)生方式、基帶數(shù)據(jù)速率、載波頻率等),觀察波形的變化,判斷是否與預想一致,并進一步分析其原因。

3 虛實一體化的DQPSK調制與解調二次開發(fā)

除了基本的DQPSK理論驗證性實驗外,系統(tǒng)平臺支持二次開發(fā),方便學生對于實驗內容的拓展學習。學生完成DQPSK基本實驗后,可在現(xiàn)有平臺基礎上進行DQPSK調制與解調實驗的二次開發(fā),包括信號源、信源編碼、信道編碼、數(shù)字調制、數(shù)字解調、信道譯碼、信源譯碼和信宿。二次開發(fā)流程如圖3所示,學生將自己設計的*.rbf文件下載到對應的模塊中進行驗證即可。

圖3 二次開發(fā)流程

4 實施效果

與傳統(tǒng)的硬件實驗相比,虛實一體化的DQPSK調制與解調系統(tǒng)實驗靈活且多樣化,能提供豐富的儀器設備,彌補了硬件實驗無法進行設備選擇、參數(shù)設置和頻譜分析的不足,能更好地培養(yǎng)學生的設計能力、分析能力和創(chuàng)新能力。虛擬實驗受硬件設備的限制少,實驗設備損壞的問題從根本上得到解決,實驗項目能及時根據(jù)教學需要進行更新,使實驗教學與理論教學結合得更緊密。由于虛實一體化的DQPSK調制與解調系統(tǒng)實驗采集的都是真實的電信號,符合“能實不虛,虛實結合”的實驗教學理念,也符合高校實驗室建設與發(fā)展的方向[11]。

虛實一體化的DQPSK調制與解調系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)分析速度快,測量結果響應及時,學生可以隨機選擇服務器和獨立開展實驗,師生反映比較好。這種實驗模式給學生以最大的靈活性,充分發(fā)揮學生能動性,調動了學生做實驗的興趣和積極性,使學生對知識的掌握更加牢固、動手能力更強、自主學習熱情更高[12]。

經(jīng)過對虛實一體化的DQPSK調制與解調系統(tǒng)實驗的多次完善,該實驗項目于2017年被陜西省教育廳評選為省級示范性虛擬仿真實驗教學項目,現(xiàn)已面向高校和社會開放。

5 結語

虛實一體化實驗作為一種新的實驗方式,將軟硬件系統(tǒng)與網(wǎng)絡緊密結合,操作者既能獲得真實的電信號,又可靈活選擇實驗內容,不受實驗時間和空間的限制,是對傳統(tǒng)實驗模式的改革。實驗者可根據(jù)自己的理解設計新的DQPSK調制與解調架構,開發(fā)新的算法,并將其下載到硬件中進行實際驗證。由于其網(wǎng)絡開發(fā)性特點,任何注冊用戶都可以進行DQPSK調制與解調系統(tǒng)實驗,有助于向社會普及通信基本知識,提高通信技術實驗教學水平。