仿真技术应用于移动通信实验教学的创新实践

2014-03-27 01:49何伟刚吴其琦黄亚群

实验技术与管理 2014年10期

何伟刚，吴其琦，黄亚群

(1. 广西科技大学电气与信息工程学院，广西柳州 545006；2. 云南大学信息学院，云南昆明 650091)

1 创新型人才培养的需求与问题

移动通信课程是大学本科电子信息类专业的一门重要专业课,既有丰富的基础理论,又有一定的电子实践知识,还包含利用这些知识解决实践问题的方法。在过去的几十年里，移动通信系统从第一代模拟通信系统发展到了第三代移动通信系统，并且正推进3GPP LTE(long term evolution，长期演进)项目。作为电子信息类专业的一门重要课程，移动通信的教学一直受到教育界的高度关注[1-2]。

移动通信技术的应用领域十分广泛，随着移动通信技术、产业和市场的蓬勃发展，移动通信课程教学内容更新周期越来越短，与工程实际结合也越来越紧密。与时俱进地实施移动通信教学内容的改革，将理论教学和实验教学进行有机融合，是时代发展的要求[3]。21世纪的高等教育要从知识传授型向能力培养型转变,而能力培养的途径之一是实验教学[4]，实验教学对培养工科学生的综合分析能力和创新能力具有重要的作用。培养学生的创新思维，促进移动通信产业的发展，为社会培养出高水平、创新型的专业移动通信人才，是移动通信实验教学的一个重要责任。

在传统的移动通信技术教学中存在着诸多问题，主要是：

(1) 实验教学从属于理论教学，实验教学得不到足够的重视，实验是为验证理论知识，理论教学和实践教学相脱节[5]；

(2) 实验内容陈旧，无法赶上移动通信新型器件和装置的发展，缺乏新的实验教学手段和方法；设备的更新换代比较慢，实验的开展受到硬件实验设备的限制，跟不上技术革新的步伐[6]；

(3) 验证性实验多，综合性实验以及创新性实验少，在实验方法上基本是简单的模仿，学生被动学习，缺少积极的思维和创新，也没有探索的目标和方向，没有良好的实验教学改革措施[7]；

(4) 在移动通信原理课程中，关于调制解调等有关内容偏重理论,太过抽象,枯燥乏味。

受资金和仪器设备不足等实验条件的限制以及学时较少的影响，很多移动通信原理实验(例如正交频分多路实验)不能由学生实际动手完成，一些实验内容仅仅能验证理论课学习的内容[8-9]，显然对学生创新能力的培养是非常不利的。积极探索移动通信原理实验教学的改革，尝试开展仿真创新实验教学，对于学生更好地学习移动通信原理课程，培养创新能力起着重要的作用。

2 仿真教学的引入与创新能力的培养

传统的移动通信原理课程理论教学，大多重在讨论某种技术或算法的原理及其理论推导，以方便理解调制解调器原理和无线电波变换过程，从而加深信源编解码和信道编解码、无线电波发射与接收等知识的理解。在常规的实验课上，对移动通信实验原理的讲解也要在黑板上书写，既不够形象、直观，又比较呆板。由于有大量的波形分析内容，教师在黑板上画图也是一件比较困难的事情，而且学生不易理解[10]。

在传统的设计性实验中，学生常因受到固定的实验设备的束缚而改变实验设计思路，不可避免地存在错误和不足，致使电路调试费时费力，甚至引起元器件和仪器设备损坏，使实验不能达到预期效果。

因此，在移动通信原理实验教学中引入仿真实验，是对理论课教学的必要补充[11]。学生可以充分利用仿真实验软件在数据采集、储存、分析、处理、传输及控制等方面的强大功能，进行方案的论证、选定和电路的设计，可以方便地改变参数来调整电路，使之更好地接近设计要求，设计出较为理想的电路。学生还可以根据要求输出电路的测试参量或波形，作为真实电路调试的依据和参考；可利用计算机进行不同的仿真操作，得到与使用实际实验装置进行真实实验相同的结果。另外，一些较为复杂的移动通信创新性实验和综合性实验，无法通过模拟实验完成实验课教学，但是通过引入仿真教学，便可以扩大实验教学的维度、扩大了实验教学的可操作性。

移动通信是通信原理、高频电路和信号处理的交叉学科，学生只通过理论教学很难理解学科交叉性，对移动通信原理的理解也不够全面。通过引入仿真教学，既能加强学生对移动通信原理的认识，又能加强学生对实际电路的认识，为后续课程学习打下坚实的基础。仿真实验教学的引入，很好地支持了移动通信原理的学习，可以进行新技术的研究，拓展学生的工程意识，提高设计调试电路的灵活性，最大限度地发挥学生的创新思维，开阔学生的视野。

3 仿真教学开展实例分析

3.1 理论教学与正交调制解调分析

正交调制解调系统的原理是把整个可用信道频带B划分为N个带宽为f的子信道，把N个串行码元变换为N个并行的码元，将高速信号变换为低速的并行子数据流，分别调制这N个子信道载波进行同步传输，并在终端分开正交信号。信号的调制和解调实际是采用数字信号处理的方法来实现的。先将信号串并变换成低速支路，各支路的调制可以采用数字调制方式，然后进行快速傅里叶逆变换(IFFT)、快速傅里叶变换(FFT)来实现[12]。正交调制解调系统实现如图1所示。

图1 正交调制解调系统

N个码元分别调制N个子载波，子载波的频率为fn,a(n)、b(n)表示输入的同相分量和正交分量的实序列，它们在每个支路上调制一对正交载波，输出的正交调制信号为D(t)，即

式中A(t)为信号的复包络，即

然后对信号进行抽样，形成离散时间信号。由于正交频分复用信号的带宽为B=N·Δf，信号必须以Δt= 1/B= 1/(N·Δf)的时间间隔进行采样，采样后的信号用sinc函数表示，i= 0, 1, …,N-1，则有

从该式可以看出，它是一个严格的离散傅里叶逆变换(IDFT)的表达式，IDFT可以采用快速傅里叶逆变换(IFFT)来实现。

3.2 正交频分电路仿真实验分析

通常在正交频分电路分析中，往往会忽略讲解和分析子载波调制快速傅里叶变换和反变换等内容。让学生从理论公式推导中理解OFDM原理,并利用Matlab编程实现不同子载波数的调制信号,可以验证对子载波数调制状态的影响,进一步验证理论公式并加深理解。可以用理论推导和实验验证两种方法来理解调制。通过正交频分各步骤的波形图，形象地描绘信号调制解调的过程，逼真地显现出真实信号传输变化的实时动态过程。

(1) 确定参数。假设参数为：子载波数为8，FFT长度为8，符号速率、比特率、保护间隔长度为2，信噪比12，插入导频数。基本的仿真可以不插入导频，导频数可以为0。通过运行仿真及修改参数设置，教师可引导学生逐步实验，观察分析仿真结果并给出结论。通过示波器模块可以直观地观察到二进制随机信源。

(2) 产生数据。使用随机数产生器产生二进制数据。可以将原序列化为16进制的码元图，通过改变数据率观察仿真波形，如图2所示。

图2 将原序列化为十六进制的码元图

(3) 子载波调制。利用Matlab工具仿真实现BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等4种调制方式。按照星座图，将每个子信道上的数据映射到星座图点的复数表示，如图3所示。通过改变支路不同的调制方式，观察到仿真波形，每次课都会有各式各样新的实验波形，可以直观地观察到二进制随机信源，以及将一路高速数据转换成多路低速数据的波形。

图3 原序列映射后的星座图

(4) IFFT运算。对上一步得到的同相分量和正交分量进行IFFT运算。为便于理解，可采用仿真软件直观地表现子信道上的数据与OFDM符号之间傅里叶逆变换关系，如图4所示。当子信道的脉冲为矩形脉冲时，具有sinc函数形式的频谱。当改变系统(N)时，OFDM功率谱形状也随之改变，如图5所示。

图4 逆傅里叶变换后的序列图

图5 N=8的OFDM功率谱图

(5) 加入保护间隔，加入噪声。由IFFT运算后的每个符号的同相分量和正交分量分别转换为串行数据，并将符号尾部G长度的数据加到头部，构成循环前缀。

(6) 并串转换。将每个符号分布在子信道上的数据还原为一路串行数据。

(7) FFT运算。对每个符号的同相分量和正交分量按照(Ich+Qch×i)进行FFT运算。傅里叶变换序列如图6所示。

图6 傅里叶变换序列后的星座图

由于噪声和信道的影响，接收端收到的每个子信道上的数据，映射到星座图不再是严格的发送端的星座图。将得到的星座图上的点按照最近原则判决为原星座图上的点，并按映射规则还原为一组数据。纠错后的星座如图7所示，星座纠错后解码如图8所示。利用以上设计的信号,在Matlab中编程实现该信号的调制,画出调制前后信号的时序图,如图9所示。此时,学生容易理解此种调制方式为何IFFT被称调制。在此基础上,学生通过理论分析以及Matlab实验画图验证,进一步加深了对正交频分电路的理解。