“无线通信原理”课程实验环节设计

卢 敏

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

0 引言

2006年我院为通信工程专业的学生开设了“无线通信原理”课程，涉及无线电传播、无线通信技术、组网的基本概念和原理。采用双语教学模式，使用国外经典原版教材《无线通信原理与应用》，以提升学生对前沿科技文献的阅读和学习能力。

五年教学实践的积累，使该课程形成了独特的教学风格，取得了较好的教学成果。但“无线通信原理”课程具有专业性强、理论性强和物理性强的特点［1］，如在教学中仅依靠幻灯片和教师的语言描述，学生仍对问题缺乏深刻的认识和理解，因此迫切需要建设实验环节。而实验箱开发周期较长，投入资金大，且后期进一步引入新技术比较困难［2］。

运用仿真软件设计实验，可以克服实验室硬件设备不足的缺点，具有灵活性和多样性。Matlab是一套高性能的数值计算和可视化的科学工程计算软件［3］，学生也有先修课程的基础，所以成为实验环节设计开发的主要工具。

1 实验内容的选取

实验内容与课堂教学需要相辅相成，互为补充［4］。“无线通信原理”课程主要涉及五个方面的内容:①无线通信的发展和技术标准;②蜂窝的概念(系统设计基础);③无线电传播的大尺度路径损耗模型;④无线电传播的小尺度衰落模型;⑤无线通信多址接入技术。

这五个部分相对独立，又相互关联。本课程以“干扰”和“衰落”为关键词，贯穿整个教学内容。

无线信道本身具有随机性，所以传播模型的建立需要考虑的问题较复杂，且对数学和信号系统等基础知识要求高。课程中大量公式令学生产生困惑，教学效果不理想。我们首选的实验环节内容是“无线电传播模型”。这个实验可以实现如何变抽象为形象，变枯燥为生动的设计目标。

2 实验的设计

1)实验项目的选择

课程组的教师为了帮助学生理解信道的特性与分类，认为尽管信道建模理论已经相当成熟，比如经典的Jakes模型和Clark模型，直接用于实验教学却显得理论性太强，并不合适。

2)实验设计工具选择

我们考虑到授课对象是通信工程专业的大三学生，对Matlab软件的使用已有一定的基础。我们在实验的设计过程中结合Matlab软件的特点，充分考虑如何让学生参与，自己动手编写部分程序和调整参数，发现问题并解决问题。利用Matlab面向数组设计的运算特点和信号处理函数库，用简洁高效的语句编写层次明晰的程序框架，同时兼顾程序的可延续性和可扩展性。

3)实验内容的设计

(1)路径损耗——建立地面反射(双线)模型，生成发射信号，观察信号的幅度的绝对值(代表信号强度)随着时间和距离的增加而变化的规律，掌握大尺度路径损耗模型。

(2)多径效应——设计发射信号波形，设定多径信道参数;了解信号失真与多径平均时延扩展之间的关系，观察信号和多径信道的频谱特性。

(3)多普勒效应——改变移动台移动速度，观察时域信号波形的变化，理解多普勒效应产生的机理;由于受到多径效应的影响，多普勒效应会引起随机频率调制;认识两种效应联合作用下的信号失真。

(4)信道的分类——通过变换参数，理解信号发生衰落的原因以及信道的分类。

3 实验内容案例

［例1］ 多径效应对确知信号的影响

我们指导学生编写Matlab语句生成一个宽度为10μs的脉冲信号作为发送信号，如图1(a)所示。设定两组不同的多径信道参数，包括不同的路径数、每径的幅度和延迟时间。对比发送信号，可以发现多径平均时延扩展较小时，接收信号与原始发送信号保持相似的波形如图1(b);平均时延扩展较大时，接收信号波形失真严重，如图1(c)所示。

实验过程中，学生可以自行设计发射信号波形，设定路径的个数、幅度和时延等参数，比较不同的结果，体会无线信道多径效应与信号失真间的关联。

图1 不同的多径参数条件下发收信号波形

［例2］ 信道的频域特性

为了了解信号的特性，需要从时域和频域两个方面去分析。同样，为了更好诠释无线信道的传输特性，需要观察信道冲击响应对应的频域特性。我们遵循由浅入深的原则，考虑发送信号为单一频率信号:

经过L条多径的传输，则接收信号为

其中，ai是第i条路径的幅度，τi是第i条路径的延迟时间，可以得对应无线信道在某一特定频率ω处的舆函数为

利用Matlab面向数组运算的特点和功能，可计算某一频域范围内的信道传输函数。当频率范围设定为900MHz－910MHz，路径数L=10，不同的多径参数条件下信道传输函数的特性如图2所示。

通过对比观察，可以发现:在多径效应的作用下，平均时延扩展较小时，信道的幅频特性较平坦，相频特性呈线性如图2(a)所示;平均时延扩展较大时，信道的幅频特性快速振荡，相频特性呈非线性如图2(b)所示。与此同时，我们进一步启发学生使用Matlab快速傅立叶变换函数获得发送信号和接收信号的幅频特性及相频特性，从频域的角度理解信号衰落的原因。

图2 不同的多径参数条件下信道传输函数的特性

4 结语

将Matlab仿真实验引入“无线通信原理”课程的教学，给学生认识问题带来了全新的视角，有力地促进了教学质量的提升，取得了良好的教学效果。同时，也让学生掌握了科学的实验方法。

通过回访可知，98%的学生认为新增的实验环节有利于知识的掌握，实验数据便于分析，编写程序、修改参数的过程对于学习和理解通信知识有较好的作用，并希望今后能够增加更多的实验内容。2%的学生认为效果一般，并提出了加强创新型实验案例的建议和想法。

课程组今后将结合学生的反馈意见，进一步研究和完善“无线通信原理”课程的实验环节，设计多层次、多方位和立体化的实验教学体系，培养出适应无线通信技术发展要求的综合型人才。

［1］ 卢敏，孟庆民.《无线通信原理》课程教学方法的研究与实践［J］.南宁:高教论坛，2011(2):59-61.

［2］ 夏平，覃琴，万均力.“通信原理”实验教学体系构建与实践［J］.南京:电气电子教学学报，2008(4):114-116.

［3］ 陈朝.MATLAB实验仿真在通信原理课程教学中的应用［J］.北京:实验技术与管理，2007(5):92-95.

［4］ 宋铁成.“通信原理”课程双语教学的探索与实践［J］.北京:北京大学学报(哲学社会科学版)，2007(5):95-96.

［5］ Theodore S.Rappaport.Wireless Communications Principles and Practice［M］.北京:电子工业出版社，2006.