虛實一體無線通信綜合實驗系統

魏建軍，劉乃安，李曉輝，黑永強，唐 軍

虛實一體無線通信綜合實驗系統

魏建軍，劉乃安，李曉輝，黑永強，唐 軍

（西安電子科技大學 通信工程學院，陜西 西安 710071）

該實驗系統包括基帶部分、射頻前端、天線和控制計算機，每部分均采用模塊化設計，每個功能模塊可替換。采用積木式搭建方式，既可構成一個完整的無線通信系統，開展無線通信系統實驗，也可構成一個獨立的子系統，開展相應的實驗，支持多門實驗課程。該系統采用網絡化模式，支持遠程實驗教學，通過互聯網可隨時、隨地開展實驗，不受時間、地點和實驗內容的限制。功能模塊可通過網絡隨時加載二次開發算法，支持二次開發實驗。

無線通信；實驗系統；虛實一體；積木式搭建；遠程實驗

隨著通信技術的發展，通信技術的設計、開發發生了根本變化。但是，高等學校的通信技術實驗教學滯后，培養的學生不能滿足用人單位的期望[1-3]。目前國內外通信技術實驗多采用兩種方式，一是采用通信實驗箱，另一種是軟件無線電方法，但都存在自身無法克服的弊端[4-5]。通信實驗箱以驗證性實驗為主，實驗過程往往是動手多、動腦少，學生只知某個模塊的功能而不知是怎樣實現的；同時實驗項目固定，模塊參數很少可以設置，造成很多實驗現象觀察不到；受空間和時間的限制，所能提供的實驗學時不夠[6-8]；實驗方式單一，學生缺少興趣，缺乏創新性訓練，更不能提供綜合型實驗，不符合當前實驗教學的目標[9-10]。軟件無線電方式中基帶一般采用軟件方式實現，采用簡化的信道模型模擬現實情況，很難準確地描繪所有的現實條件，也難以獲悉采用某種模型的可行性，對通信理論的理解僅停留在模型表面，缺乏對模型具體電路的認識和設計，而且復雜的通信系統很難準確建模[11-12]。

總之，目前通信技術實驗教學設備不能滿足實驗教學的要求，必須按照當前通信技術的發展，研制能反映通信技術最新進展的實驗教學設備，培養通信領域有創新精神的人才，服務于通信行業的發展。

1 虛實一體無線通信系統綜合實驗系統架構

虛實一體無線通信系統綜合實驗系統（以下簡稱實驗系統）采用B/S架構，無任何終端的部署成本。服務器可部署在學校機房，實驗平臺可放置于實驗室。學生終端訪問采用瀏覽器，無環境地點要求。

實驗系統構成一個網絡化的實驗室，允許學生完成真正的硬件實驗。學生在宿舍、圖書館、自習室等任意聯網場合，無需安裝任何終端接口軟件，任意PC打開瀏覽器即可開始實驗。只需訪問指定的服務地址，登錄系統平臺，選擇相應的實驗項目即可遠程實驗，學習方便快捷。運用顯示于瀏覽器的實驗操作面板，通過網絡控制實驗，設置實驗室里的實驗器材。遠程的實驗結果可直接通過平臺配套的虛擬儀表觀測，操作方法完全參照真實的設備方法，無需額外的學習成本，且數據結果顯示清晰明了。其架構見圖1。

圖1 虛實一體無線通信系統綜合實驗系統網絡架構

學生通過瀏覽器訪問服務器，選擇相應的實驗內容，獲得與在現場相同操作的體驗。實驗系統提供創新性操作環境，學生可按照自己設計的算法開發通信系統或模塊，并進行實際硬件的測試和驗證。實驗系統提供信號源，示波器，頻譜儀，誤碼儀，噪聲源等虛擬儀器，獲得與真實環境相同的測試手段。

2 無線通信系統綜合實驗平臺

無線通信系統綜合實驗平臺是實驗系統的硬件基礎，實際的通信實驗都在平臺上進行，包括基帶、射頻和天線。

2.1 無線通信系統綜合實驗平臺結構

無線通信系統綜合實驗平臺（圖2）包括發射機和接收機，發射機包括發送基帶、發射機射頻前端和發射天線。接收機也包括接收基帶、接收機射頻前端和接收天線。發射機和接收機都在計算機的控制下進行通信、測試、加載等工作。

圖2 無線通信系統綜合實驗平臺

平臺的左邊是基帶部分，上面是發射機基帶，下面是接收機基帶。平臺的右上角是射頻部分，上面4個模塊是發射機前端，下面4個模塊是接收機前端。平臺的右下角是控制用計算機。平臺上有2個微帶天線，左邊發射信號，右邊接收信號。發射機基帶輸出與發射機前端連接，通過發射機天線發射信號，接收機前端通過接收機天線接收信號，并與接收機基帶連接，可構成一個完整的無線通信系統，開展無線通信系統的各種實驗。

2.2 實驗平臺基帶部分

實驗平臺采用模塊化設計，發射機基帶物理上分為信號源模塊、信源編碼與復用模塊、信道編碼模塊、頻帶調制模塊。接收機基帶與發射機基帶一一對應，分別為終端模塊、解復與信源譯碼、信道譯碼和頻帶解調。發射機基帶可與接收機基帶直接相連，開展基帶通信實驗。發射機基帶的信號源模塊也可直接與接收機基帶的終端模塊連接；信源編碼與復用模塊連接解復與信源譯碼模塊；信道編碼模塊與信道譯碼模塊直接連接；頻帶調制模塊與頻帶解調模塊直接連接。選取相應模塊，通過積木式搭建，單獨開展相應的實驗內容，如圖3所示。

信號源模塊可提供語音信號、視頻信號和數字信號，信號的種類和頻率由后臺控制，支持本地下載。信源編碼與復用模塊基于FPGA完成帶限、抽樣和量化等，可進行時分復用和碼分復用。線路編碼與信道編碼基于FPGA完成各種碼型變換、線路編碼和信道糾錯編碼等，可對碼型變換和線路編碼設置數據速率、信道編碼、差錯控制等。頻帶調制模塊基于FPGA完成載波產生、符號映射、成型濾波、數字上變頻和各種調制，可設置基帶數據和速率、載波頻率、調制方式，輸出I路和Q路調制信號等。頻帶解調模塊產生本地載波、采集解調信號、匹配濾波、數字下變頻、相干解調和抽樣判決等，可配置調制方式、環路濾波器參數和判決電平等。解復用和信源譯碼模塊完成位同步、幀同步、解復用、譯碼和恢復濾波等，可配置解復端幀頭等。終端模塊對語音數據經數模變換后從本地擴音器中恢復語音，或者將視頻信號中液晶顯示輸出。信號源模塊和終端模塊只支持本地下載，其余模塊既可支持本地下載也可支持網絡遠程加載，方便參與實驗者操作。

圖3 無線通信系統綜合實驗平臺基帶部分

2.3 實驗平臺射頻前端

實驗平臺的射頻部分見圖4。發射機射頻部分包括發射端PLL、上變頻器、VGA和PA；接收機射頻部分包括LNA、接收端PLL、下變頻器和VGA。通信天線采用的是微帶天線，本身具有一定的帶寬，可起到射頻濾波器的作用。

圖4 無線通信系統綜合實驗平臺射頻部分

射頻部分（圖5）的各功能模塊獨立，可插拔，在保證接口參數的情況下可替換、重新進行設計。發端PLL的頻率和增益、VGA和PA的增益可通過控制計算機進行調節；同理，接收端PLL的頻率和增益、LNA和VGA的增益也可調節。

圖5 射頻收發系統

3 無線通信系統綜合實驗平臺教學應用

實驗系統采用模塊化設計，可由基帶、射頻、天線構成一個完整的無線通信系統，進行系統實驗。平臺也可選取某些通信模塊，通過積木式搭建，構成一個子系統，進行模塊或子系統實驗，實驗內容可伸縮。

預習：實驗平臺配備交互式預習系統。通過實驗框圖、文字說明、虛擬實驗操作、仿真信號測試等內容，結合配套的實驗教材，完成對應實驗理論的預習。

實驗：實驗平臺支持學生做本地實驗和遠程實驗。做本地實驗時，學生在內嵌PC控制器上進行實驗內容選擇、各種參數設置、框圖中對應各點信號測試等實驗；學生可以遠程進行補充實驗、擴展實驗，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的測試。

測評：虛實一體無線通信系統綜合實驗平臺通過配套的教師端軟件，對學生的實驗系統進行故障設置，考核學生對所學知識的掌握程度。

開發：實驗模塊全部采用可編程器件，所有實驗均能二次開發，每個模塊均帶網絡加載功能，學生可通地網絡隨時加載，二次開發算法，不斷電、不插線。

4 結語

實驗平臺有效解決了實驗場地與學生實驗時間沖突的矛盾，實驗平臺在管理軟件和虛擬實體操作軟件的支持下，學生能在遠端隨時、隨地完成課程實驗，或進行設計創新?？朔嗽葘嶒災Ｊ絾我?、實驗內容固定的問題，學生可以根據自己的學習進度安排實驗時間、選擇擴展實驗內容，滿足學生個性化的教學要求。

采用模塊式、積木式方式，系統支持無線通信系統、通信系統測量、信號系統、數字信號處理、語音處理、通信原理、數字通信、軟件無線電、無線通信系統、射頻電路、射頻通信虛擬儀器技術等課程實驗。

該平臺減輕了教師的維護和管理工作量，實現了實驗室真正完全開放。

[1] 劉麗，趙曉明，范翔宇，等. 現代教育技術指導大學生開放實驗項目[J]. 實驗技術與管理，2018, 35(12): 168–172.

[2] 韋娟，劉乃安，李曉輝. 面向專業認證的實踐教學體系構建與評價[J]. 電氣電子教學學報，2016, 38(5): 110–112.

[3] 樊昌信，曹麗娜. 通信原理[M]. 7版. 北京：國防工業出版社，2015.

[4] 楊南粵，李爭名. 基于“VR+”的新工科創新實踐虛擬演練實驗室構建[J]. 實驗技術與管理，2019, 36(1): 130–134.

[5] 劉乃安，李曉輝，韋娟，等. 基于SDN技術的網絡及其測量創新實驗建設方案[J]. 計算機教育，2018(3): 36–40.

[6] 魏建軍，劉乃安，陳付龍，等. 通信理論與技術實驗模式改革研究與探索[J]. 實驗技術與管理，2018, 35(1): 184–187.

[7] 屈召貴，周永強. 應用型本科電子信息工程專業實踐教學體系探索[J]. 實驗室研究與探索，2018, 37(12): 240–244.

[8] 周鵬，齊玉娟，鄭杰，等. 常用工具軟件支持下的信號與系統綜合實驗設計[J]. 實驗室研究與探索，2018, 37(12): 211– 214.

[9] 李毅，楊棟，李曉輝. 基于LavVIEW-USRP的直接序列擴頻通信系統仿真實驗[J]. 實驗技術與管理，2018, 35(12): 139–146.

[10] 付衛紅，韋娟，劉乃安，等. 基于Matlab的OFDM調制解調系統仿真實驗[J].電氣電子教學學報，2018，40(2)：139–143.

[11] 鄭慶慶，吳謹，朱磊，等. 美國布里奇波特大學電子信息工程專業的實驗教學研究[J]. 實驗技術與管理，2018, 35(12): 277–280.

[12] 屈泳，阮小軍，王三華. 計算機硬件虛擬仿真實驗平臺的建設與設計[J].實驗室研究與探索，2018, 37(12): 116–119.

Comprehensive experimental system for virtual-real integrated wireless communication

WEI Jianjun, LIU Naian, LI Xiaohui, HEI Yongqiang, TANG Jun

(School of Telecommunications Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

The experimental system consists of baseband, RF front-end, antenna and control computer. Each part is modularized and each function module can be replaced. By building blocks, not only a complete wireless communication system can be constructed to carry out experiments on wireless communication systems, but also an independent subsystem can be established to conduct corresponding experiments and support multiple experimental courses. This system adopts the network mode to support remote experiment teaching. The experiment can be carried out anytime and anywhere through the Internet, without the limitation of time, place and experiment content. Function modules can load secondary development algorithms through the network at any time to support secondary development experiments.

wireless communication; experimental system; virtual-real integration; building block construction; remote experiment

TN914；G642.0

A

1002-4956(2019)11-0068-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.017

2019-03-26

國家自然科學基金面上項目（61876143）；西安電子科技大學新實驗開發與新實驗設備研制重點攻關項目“虛擬一體無線通信系統綜合實驗平臺研制”

魏建軍（1978—），男，陜西寶雞，博士，副教授，主要研究方向為現代通信系統測量及其教學。E-mail: jjwei@xidian.edu.cn