软硬件相结合的移动通信原理实验系统设计

王志鹏，李 婧，侯晨霞

（1.南阳师范学院 物理与电子工程学院，河南 南阳 473061；2.南阳师范学院 数学与统计学院，河南 南阳 473061）

移动通信原理也是通信工程专业本科生的一门非常重要的专业必修课。移动通信原理课程的主要内容包括现代移动通信的基本原理、基本技术和当前广泛应用的典型移动通信系统［1］。该课程内容丰富，并且与实际应用结合十分紧密，是一门实践性非常强的专业课程。因此，在课堂理论讲授的同时也必须要安排一定学时的实验［2－4］。

目前各学校的移动通信实验大多是以移动通信实验箱配合计算机来实现的［5］。虽然移动通信实验箱可以实现绝大部分的移动通信实验内容，但是由于移动通信实验箱的硬件电路都是固化在内部的，实验内容比较固定，不利于开展综合性和设计性的实验，而且学生在实验时只是按照指导书上的实验步骤完成实验内容并观察实验结果，并不能激发学生的兴趣，实验效果不理想。为此，很多学校利用Simulink、LabVIEW和SystemView等实验软件采用软件仿真的方式来安排移动通信实验［6－8］。这种纯软件仿真的方式可以直接在机房中开设实验，实验成本低，能够完成的实验内容灵活多样，便于开展综合性和设计性的实验。但是这种纯软件仿真的实验方式对于移动通信系统组网和信令交换实验却难以实现。另外，纯粹的软件模拟也无助于使学生建立起移动通信系统的直观概念。

针对以上两种实验方式的特点，结合移动通信原理课程的内容，我们将硬件验证性实验和软件设计性实验结合起来。对于移动通信系统组网和信令交换等实验内容，利用实验箱进行演示和验证；而对于移动通信基本原理和关键技术等实验内容则采用System－View软件仿真的方式进行系统分析与设计。通过近两年的教学实践，这种软硬件结合的移动通信实验体系涵盖了移动通信原理的所有内容，与理论课内容相辅相成，多种实验方式和层次也能调动学生的积极性和主观能动性，达到了比较好的实验教学效果。

1 基于实验箱的实验设计

利用移动通信实验箱可以非常直观地演示移动通信系统组网结构和信令交换过程的特点，为此我们对与移动通信系统组网技术相关的实验内容采用实验箱验证的方式安排实验。该实验系统的总体结构如图1所示。

图1 基于实验箱的移动通信实验系统总体结构

该实验系统主要包括实验箱、学生平台、交换机和教师监控台。其中实验箱采用南京捷辉科技有限公司生产的移动通信实验箱（JH5005），主要用来模拟移动终端和基站的处理技术。学生平台包括PC机和相应的实验界面软件，是学生控制实验箱进行相应实验的平台。每次实验，学生进入学生平台的相应实验界面，学生平台程序会向实验箱下发相应的控制指令，配置相应的参数，从而使实验箱做好相应实验的准备。部分实验的结果也将通过串口由实验箱传送到学生平台上，学生平台通过界面可以更清楚地看到部分实验的结果。交换机主要用于完成2个移动台之间的语音通信，模拟实际移动通信系统中话音信号在有线部分的传输。教师监控台主要用于控制学生平台的工作。

利用该实验系统安排的移动通信实验内容包括：（1）移动台开机入网和关机实验；（2）移动性位置管理实验；（3）移动台主叫实验；（4）移动台被叫实验；（5）GSM协议帧结构实验；（6）信道复用实验；（7）信道均衡实验；（8）900MHz GSM手机实验。在实际的实验课开设时，可以根据实验课时情况和具体教学内容要求选取合适的其中若干个实验安排实验内容。

可以看到，以上几个实验内容基本上都是与移动通信系统组网和工作过程紧密相关的。通过这些实验，学生可以直观地了解移动通信系统的基本组成和工作原理，巩固在移动通信原理课堂上所学到的相关知识。

2 基于SystemView的仿真实验设计

基于实验箱的实验内容都是验证性实验，实验内容比较简单。为了达到更好的实验教学效果，还必须设置一定量的综合性和设计性的实验。因此，还需要安排一部分基于SystemView的仿真实验。

2.1 基于SystemView的仿真实验内容

SystemView是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台，可进行包括数字信号处理（DSP）系统、模拟与数字通信系统、信号处理系统和控制系统的仿真分析［9－13］。用户在利用该软件进行系统设计时不需要计算机编程，只需从SystemView配置的图标库中调出有关图标并进行参数设置，完成图标间的连线，然后运行仿真操作，最终以时域波形、眼图、星座图和功率谱等形式给出系统的仿真分析结果。

SystemView软件操作简单，非常适合于综合性和设计性的实验。根据移动通信原理课程安排，基于SystemView的实验内容包括：

（1）二进制相移键控（BPSK）的基本原理。通过简单的BPSK的调制与解调系统的仿真，理解BPSK的基本原理，观察功率谱和系统眼图，分析噪声功率变化对眼图的影响。

（2）四相相移键控（QPSK）系统原理仿真。通过对QPSK调制与解调系统的仿真，理解QPSK的基本原理，分析输入和输出波形之间的关系，观察相位转移图和星座图。

（3）直序扩频系统的仿真实现。通过对直序扩频和解扩系统的仿真，观察扩频前后信号频谱之间的关系，理解扩频通信的基本原理，分析扩频端和解扩端扩频码不一致和扩频码不同步对于扩频系统的影响，研究扩频系统的抗干扰性能。

（4）交织编码的仿真实现。利用SystemView仿真软件设计并建立交织编码纠错的系统图，理解交织编码的基本原理，分析突发干扰对于解码输出的影响。

2.2 SystemView实验举例

下面以“直序扩频系统的仿真实现”为例，进一步说明基于SystemView的移动通信实验的设计方法。

首先，学生应根据直序扩频和解扩的基本原理完成系统仿真模型的搭建。直序扩频和解扩系统仿真模型如图2所示。其中左边为扩频端，右边为解扩端，中间部分用一个延时单元来表示移动信道。在实验中，可以让学生根据系统输入参数自行设计解扩端使用的低通滤波器的截止频率等参数。

创建完仿真系统后，就可以观察输入信号波形、扩频码扩频后输出波形、解扩后输出波形，并比较它们的频谱。各信号频谱如图3所示。

图2 直序扩频和解扩系统的仿真模型

图3 直序扩频和解扩系统各信号的频谱

通过观察信号波形和频谱图可以更好地理解直序扩频系统的基本原理以及扩频系统具有高抗干扰性能的原因。可以通过调整仿真模型中延时单元的时延值，通过观察仿真波形来分析扩频码不同步对于扩频系统的影响。还可以通过改变2个扩频码发生器的参数来观察并分析扩频端和解扩端扩频码不一致对于直序扩频系统的影响。

在该实验中还可以在信道中添加一个干扰源模块来模拟通信信道中的各种干扰的影响。通过观察仿真波形，可以非常直观地理解直序扩频系统的抗干扰性能。

3 结束语

根据实际的教学实践经验，我们将移动通信系统组网和信令交换的验证性实验和对移动通信基本原理和关键技术的综合性、设计性实验结合起来安排移动通信原理实验课程。硬件验证性实验和软件设计性实验的结合组成一个多层次、全方位的移动通信实验体系，达到了较好的教学效果。

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［1］李建东，郭梯云，邬国扬.移动通信［M］.4版.西安：西安电子科技大学出版社，2006：1－26.

［2］许丽艳，王英，于海生.移动通信链式实验教学体系［J］.实验室研究与探索，2009，28（1）：131－132，144.

［3］蒲秀娟，韩庆文.移动通信实验课程探索［J］.实验室研究与探索，2005，24（5）：77－79.

［4］姜宏，莫秀玲，孙晓颖，等.“移动通信原理”课程的实验教学建设［J］.实验室研究与探索，2010，29（7）：120－122.

［5］徐川，徐铭泽，唐红.基于虚拟现实的移动通信实验系统设计［J］.实验技术与管理，2012，29（3）：94－97.

［6］许丽艳，于海生，王英，等.Simulink在移动通信实验仿真中的应用［J］.实验技术与管理，2009，26（3）：82－84.

［7］刘严.基于LabVIEW的移动通信实验教学研究［J］.国外电子测量技术，2013，32（1）：60－61，65.

［8］卫萌菡，徐开俊.Systemview在移动通信实验教学中的应用［J］.软件导刊，2010，9（10）：180－181.

［9］陈丽娜.基于SystemView的通信原理系统软件实验设计［J］.实验室研究与探索，2009，28（9）：62－64.

［10］庞娇，王虹，赵璞.SystemView在通信原理实验教学中的应用［J］.实验技术与管理，2011，28（8）：267－268，271.

［11］谢慧，张志刚，聂峰.基于SystemView的通信原理实验教学体系［J］.实验技术与管理，2012，29（2）：134－137.

［12］孙爱晶，刘毓.基于软件仿真的通信原理实验教学［J］.实验室研究与探索，2010，29（1）：135－137.

［13］徐彦凯，双凯，姜珊.通信原理实验教学的探索［J］.实验室研究与探索，2011，30（6）：316－318，335.