无线通信测试仿真系统的设计与实现

刘 威，陈海燕，李 莉，刘丽华，梁金宏

（北京电子科技职业学院通信技术系，北京 100016）

0 引 言

手机综合测试仪是通信测试领域普遍使用的一种测试仪表，但由于其价格昂贵，在高校的教学应用上很难展开实训教学。为了突破此瓶颈，从而产生对手机综合测试仪仿真软件的需求。综测仪仿真系统可以将实际的测试操作进行仿真处理，并通过快速仿真计算给出与真实测试相同的测试结果，达到类似真实环境的测试和实训效果。由于仿真软件具有成本低、教学方便等特点，可以在高校无线通信实训教学中广泛使用。

本综测仪仿真软件参考Agilent8960无线通信测试仪进行仿真，能够对GSM/GPRS/CDMA多种终端进行仿真测试[1]。综测仪仿真软件在设计过程中除模拟仿真了综测仪的无线测试功能，还结合高校实训教学的特点增加了教学管理功能，突出了仿真教学的特点。

1 系统结构与组成

综测仪仿真软件的系统结构主要分为仿真测试和教学管理两个层面。

测试仪仿真测试层面从综测仪仿真测试角度对仪表测试进行全程模拟，主要的功能为综测仪测试功能仿真、手机终端功能仿真、测试仪与手机连接通信仿真和测试结果展示仿真。仿真软件中综测仪可支持的测试终端包括GSM测试终端、GPRS测试终端、CDMA2000测试终端等3种不同制式的手机终端。该层面的软件功能逻辑图如图1所示。

教学管理层面主要提供与仿真测试相对应的教学管理功能，包括测试评估功能、案例设置功能和在线教学功能。可以通过教学管理层的功能设置不同的测试教学案例，强化学生的专项技能，以及及时对学生的仿真测试结果进行评估审核，检查测试结果的正确性。教学管理层面与仿真测试层面有通信接口，保证两层面间可以相互通信。

综测仪仿真软件的开发平台为Windows XP操作系统，软件采用C#作为程序设计语言。

图1 综合测试仪仿真软件功能逻辑图

2 技术原理

2.1 面向对象仿真方法框架

面对对象仿真（object-oriented simulation）将面向对象思想及其相关技术，与仿真活动相结合，运用面向对象的思想分析、设计仿真系统。这种方法的特点，是将问题域中的事物与仿真系统中的对象建立映射，以最大限度保持事物的本来属性活动，适合于人的思维方式。

DEVS（discrete event system specifications）是一种面向对象建模仿真方法，它把每个子系统都看作是一个具有独立内部结构和明确I/O接口的模块，若干个模块可以通过一定的连接关系组成组合模型，组合模型可以作为更大的组合模型的元素使用，从而形成对模型的层次模块化描述。在DEVS中模型的执行是通过抽象仿真器实现的。抽象仿真器与模型之间存在对应的关系，每个模块或组合模型都有一个与之对应的抽象仿真器，它负责收发消息、调用模块的函数并执行仿真计算。

本仿真系统中可以用DEVS方法对测试仪表与测试终端进行建模，用DEVS模型描述模块间消息的传递和对命令的执行。系统建模的过程可分为4个阶段，如图2所示。

图2 面对对象仿真建模阶段

（1）建模阶段将综测仪或手机的动态特性用传递函数状态方程或随机函数等方式描述出来。

（2）模型转换阶段通过仿真算法将数学模型转化成能被计算机接受并展示的仿真模型，以达到快速仿真或相似仿真的目的，而且能满足一定的精度要求。

（3）流程组态阶段按照实际对象的运行情况构建自身的状态仿真流程图，以便在实时仿真时直观显示实际对象的状态和各种参数变化。

（4）实时仿真阶段通过快速仿真算法将仿真测试结果在计算机软件上显示出来[2-4]。

2.2 GDI+

为了模拟安捷伦设备的测量过程，并仿真出实时测量曲线，该软件使用Windows GDI+图形编程接口的功能模拟安捷伦设备的展示界面，力求仿真结果界面与仪器结果界面效果一致。为达到需要的仿真效果，主要使用GDI+的二位矢量图形处理和文字显示的功能。在展示实时数据时，软件以参数展示窗体为画布，通过获取窗体的Graphics对象，可以在窗体有效范围内的任意位置绘制图形和文字。数据展示窗体的坐标格网由Graphics对象的DrawLine函数完成，对坐标及数值的解释信息可以同Graphics对象的DrawText函数实现。对需要生成的柱状图形，可以应用Graphics对象的DrawRectangle实现。GDI+提供的Pen、Brush等画图画刷对象能够方便地改变颜色，使其展示的图形界面与安捷伦设备的展示效果完全一致。图3为软件模拟的RF谱图的结果展示效果[5-6]。

2.3 蒙特卡罗算法

在仿真测量设备相位误差过程中，设备的相位误差值由调制方式、信道频率、频率偏差、传输干扰等多种因素决定，存在着一定的随机性。理想状态下，设备的相位误差图形为一条直线，但是在实际应用过程中相位误差图形为一条取值在一定范围内的随机曲线。为真实模拟出该图形，程序采用蒙特卡罗算法计算（相位偏移曲线）。

图3 GDI+绘制的实时参数图形界面

蒙特卡罗法是以概率和统计的理论、方法为基础的一种计算方法，将所求解的问题同一定的概率模型相联系，用电子计算机实现统计模拟或抽样，以获得问题的近似解，故又称统计模拟法或统计试验法。蒙特卡罗方法是一种与一般数值计算方法有本质区别的计算方法，属于试验数学的一个分支[7-9]。实施蒙特卡罗法有3个主要步骤：

（1）构造或描述概率过程。

（2）实现从已知概率分布抽样。

（3）建立各种估计量。

在仿真过程中，首先根据实际情况给出相位误差值的概率空间，然后在该概率空间中确定一个随机变量，其数学期望正好等于理想状态下的相位误差值，以计算机生成的伪随机函数作为相位误差值的分布函数；最后，以所确定的随机变量的100个子样的算术平均值作为相位误差值的近似估计。将计算的相位误差值以曲线方式绘制得出的相位误差图形有着非常接近真值测量结果的效果，如图4所示。

图4 模拟相位误差图

3 功能模块

综测仪仿真教学软件主要通过5个模块实现对仪表仿真测试和教学的功能。这5个模块分别为仪表配置、终端测试、测试评估、在线教学和案例设置模块。

3.1 仪表配置

综测仪可以对多种手机终端进行测试，并且手机终端可以被随意放置在仿真软件的任一位置。仪表配置功能使用指定的测试线缆完成综测仪与手机终端之间的连接，并且对测试线缆两端的端口进行匹配检查。仪表配置功能能够完成测试仪、手机终端、测试线缆、连接端口与测试功能之间的一致性配置检查，能够对配置错误告警提示[10]。

3.2 终端测试

综测仪仿真软件目前支持对3种手机终端的仿真测试，分别为GSM手机终端、GPRS手机终端和CDMA2000手机终端。终端测试包含测试环境设置、测试数据处理和测试结果输出3部分功能。仿真测试结果支持数值型展示和图形化展示两种展示方式，如transmit power的测量结果使用数值型结果展示，phase&frequency error的测量结果使用数值型和图形化进行展示。

综测仪对每种手机终端都可以进行多种性能测试，以GSM终端为例，可以进行transmit power、power vs time、phase&frequency error、fast bit error、bit error、analog audio、decoded audio、output RF spectrum等测试。

3.3 测试评估

仿真软件支持自动记录测试过程log功能，可以将学生在课堂上的测试过程完整记录下来，生成测试记录文件。简单编辑该测试记录文件即可形成测试结果报告，通过仿真软件的C/S在线模式学生可以方便地提交测试报告，老师则可以随时对测试结果进行评估。

结果评估模块支持测试结果统计功能，该模块对仿真教学过程中的测试报告提交、测试结果统计、学生实训效果统计具有很好地支持作用。

3.4 在线教学

教学管理模块主要为实际教学中的教学管理进行设计，完成在仿真教学过程中学生分组管理、权限控制、测试任务分发、在线指导、测试结果提交等功能。该模块极大地方便了仿真教学中对学生的管理效率。

3.5 案例设置

实际教学中通常会对特定类型知识技能进行重点讲述，案例设置模块针对教学中的实际情况提供了灵活的自定义案例设置功能。可以将特定的测试场景和测试要求设置成案例，有重点地强化特定的专项技能。该案例设置模块支持案例类型分类、难度分类、训练时间分类等功能。

4 系统实现

综测仪仿真软件实现了对综测仪测试连接、无线测量项目设置、无线指标测试、测量结果呈现以及测量管理等多方面测试仿真功能，综测仪仿真测试效果与真实仪表的测试效果基本一致，达到了预期的设计目标。

仿真系统支持综测仪与任一测试终端进行连接。不同类型的测试终端与不同的测试仪器端口连接对应不同的测试项目，只有正确连接终端和端口后才能进行项目测量。仿真软件测试终端与综测仪端口连接选择的界面如图5所示。

图5 仪表连接测试图

参照真实的综测仪，仿真系统的测量结果展示跟真实综测仪的测量结果展示完全一致，可以分为数值型结果和图形结果。对GPRS移动台测量“输出RF谱图”的数值型结果展示如图6所示。

除使用数值型结果展示外，仿真软件还支持图形结果展示。当系统测量的结果不能用数值进行直观表达时则采用图形化结果展示。如测量“GSM的相位与频率误差”，其图形化测量展示结果如图7所示。

在测试管理方面，综测仪仿真软件也提供了丰富的功能，如设置测试案例、制定测试计划、分配测试任务、测试结果提交与评估等功能。

5 结束语

本仿真教学系统在对Agilent 8960综测仪进行总结分析的基础上，依托面向对象仿真方法，对综测仪的主要操作流程进行仿真实现，并且结合仿真教学中的实际情况，对综测仪的教学管理进行了有针对性设计，使综测仪仿真测试与仿真教学形成一个完整的体系。该综测仪仿真软件既能够模拟仿真实际的测试效果，又结合了高校的实训教学需求，具有较强的实用价值。

目前本系统只支持3种制式的测试终端，后续可以通过扩展功能的方式增加对其他终端的测试，并且可以增加对终端的仿真测试项目。另外在仿真教学管理方面也可以通过一些高校的使用反馈，增加教学互动方面的功能，使其更好地适应于实际仿真教学。

图6 AMPS调制准确度测量结果

图7 GSM相位与频率误差测量结果

[1]宋崇汶，孙向前，买望.基于Agilent 8960的IOT测试系统[J].电子测量与仪器学报，2009（s1）：5-10.

[2]李柯，商书元，冯振声.面向对象仿真方法框架研究[J].军械工程学院学报，2000（12）：39-41.

[3]盛赛斌，王彬如.面向对象系统仿真方法及其应用[J].系统仿真学报，2005（2）：290-292.

[4]陈茂迁，周步祥.基于GDI+技术的电力系统图形软件的设计与应用[J].重庆工学院学报：自然科学，2008（11）：162-165.

[5]文绘.GDI+技术在继电保护整定计算中的应用[J].电气开关，2010（5）：56-57.

[6]张玲，陈元春，孙勇.基于GDI+的通用图形平台设计[J].计算机工程，2005（6）：218-212.

[7]Allan R N，Billinton R，Sjarief I，et al.A reliability test system for educational purposes-basic distribution system data and results[J].Power Systems，IEEE Transactions on，1991，6（2）：813-820.

[8]丁明，张静，李生虎.基于序贯蒙特卡罗仿真的配电网可靠性评估模型[J].电网技术，2004（3）：38-39.

[9]宋兵，李世平，文超斌，等.基于灰色关联分析的动态测量不确定度评定[J].中国测试，2010，36（6）：33-36.

[10]张晓宁，王庆.安捷伦 4396B阻抗分析仪在测试吸波材料复相对介电常数上的应用[J].安全与电磁兼容，2006（5）：71-72.