移动通信直序扩频虚拟仿真实验教学

何伟刚， 李政林， 章 帆

(广西科技大学 电气与信息学院， 广西 柳州 545006)



移动通信直序扩频虚拟仿真实验教学

何伟刚， 李政林， 章 帆

(广西科技大学 电气与信息学院， 广西 柳州 545006)

为克服移动通信传统教学方法内容枯燥，难于理解，实验设备有限等弊端，我们在该课程的教学实验中突出技术实用性和现代性等特点，采用移动通信调制解调联合建模方法，基于Verilog语言在QuartusⅡ开发平台上进行仿真，结果用二维图显示出来，可以清晰地看到每个信号的波形，为学生直观展示伪随机的宽带信号，扩频调制与解调变化以及 码元判决等相关教学内容，有助于学生更好地理解扩频调制与解调及信号分析。学生易于掌握综合性相关知识点，增强理论与实际相结合的能力。

教学方法； 仿真； 知识点； 应用效果； 直接序列扩频系统

0 引 言

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,同时又包含利用这些知识解决实践问题的方法[1-2]。由于资金短缺,仪器设备不足。设备的更新换代比较慢，实验开展受到硬件实验设备的限制，硬件实验资源紧张，易于损坏[3-4]。该学科存在数学推导多，理论性强，抽象理论偏重公式推导，计算工作量大，计算复杂，难以理解的特点和难点[5-6]。缺乏创新引导，不便于学生具体实践"难以引起学生学习兴趣[7]。

本文以电子信息工程专业的移动通信课程为例，根据本课程教学过程中出现的问题，在阐述移动通信课程内容特点基础上，在课程的教学过程中将基础理论教学与 仿真模拟实践环节联系到一起，将理论教学与实践教学深度结合在一起，采用了移动通信调制解调联合仿真建模方法，通过开展仿真实验教学改革活动，以移动通信系统的直接序列扩频通信仿真建模技术为基础，利用扩频通信原理和FPGA的相关知识，以及，各个模块的Verilog语言在QuartusⅡ开发平台上进行仿真，得出各模块的仿真波形图。优化移动通信课程教学内容和教学手段，让学生直面实验目标，并引导本科生进入到实验项目中，激发学生的学习兴趣提高学生的应用能力与科技创新能力。

1 实验原理

直扩系统是将要发送的信息用伪随机(PN)序列扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发送端扩展用的相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息。干扰信号由于与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪比，达到抗干扰的目的[8-10]。一种典型的扩展频谱系统如图1所示。

图1 扩频通信原理图

信息理论中香农的信道容量公式是扩频通信的基本理论，根据香农公式，得出信道中的信噪比和传输信息的信道带宽以及无差错传输信道传输信息的能力与之间的关系。当噪声信号功率比N/S在任意给定情况下，只要对传输信息的带宽B进行增加，无差错地传输信息的速率C在信道中也就同样得以增加[11]。当传输系统的信号噪声功率比S/N在信道中下降时，要维持信道容量C的不变可以对系统传输带宽B进行增加。换言之信号的噪声功率比S/N下降且传输速率任意给定时，要获得比较低的信息差错率就应该增大系统的传输带宽[12]。这意味着随着信道带宽B的增加，信道即便是在比较低的信噪比情形下还是能够在相同容量下传输信息。即使在噪声把信号淹没的情况下，只要增加相应的信号带宽就可以保持通信的可靠性[13]。所以根据上述理论，扩频系统把待传输信息信号通过高速率扩频码带宽扩展的手段，从而使系统抗干扰性能得以实现，通常的通信系统的带宽和扩频的带宽相比要小好几百倍到几万倍，因而在信号功率以及信息传输速率都一样的情况下，在扩频通信系统抗干扰能力得以更强的表现出来[14]。

鉴于本门课程在基础理论部分涉及大量公式推导及计算，计算工作量大，计算复杂，用其强大的仿真计算功能完成移动通信复杂公式计算及图形绘制。这样，可以使学生对所学内容有直观认识，在丰富教学内容的同时，可以增强理解，激发学生学习兴趣。

2 仿真设计

2.1 直序扩频系统的PN码发生器

直序扩频系统的PN码发生器采用M序列发生器，本设计则采用5级移位寄存器来实现M序列发生器。本设计借用Matlab软件仿真参数的M序列，并将系数存入FPGA的ROM里面，通过调用ROM实现M序列输出。图2是通过调用ROM里面的系数的M序列的仿真图。

图2 5级M序列发生器波形仿真图

从图2中可以清楚的看出，m_end表示5级M序列码发生器一个周期结束的信号，在一个周期中可以看出产生了31 bit数字码，完成了该模块的设计要求。观察输入信号和输出信号的波形相位及频率变化M序列可以产生最大长度的码序列是2n-1位伪随机码载波是一种不可预测的,或称之为伪随机的宽带信号。

2.2 扩频调制模块设计和仿真验证

扩频调制模块是完成用户信息扩频的功能，扩频系统用高速率的扩频码把待传输信息信号带宽展宽的手段，达到了优化抗干扰能力的效果[15]。本设计采用如下方法实现扩频：首先用Matlab生成M序列系数、反向M序列系数分别存入FPGA的ROM_m、ROM_n_m两个ROM里面，通过改变两个ROM的地址实现扩频信号的输出。当用户数据为41时，ROM_m的输入地址累加，并且该ROM数据输出有效，从而输出该M序列；当用户数据为0时，ROM_n_m的输入地址累加，并且该ROM数据输出有效，从而输出该反向M序列，从而实现了扩频调制的功能。

由图3 RTL电路图可以看出信源发生器的模块，source_data是信源发生器输出的端口，m_xulie是5级M序列码输出的端口，mod_data是经扩频后信息输出，m_end代表M序列一周期结束的时间。

图3 发送端的RTL电路图

在图4扩频调制的仿真波形中，clk_rb是码片速率即M序列的时钟，clk_rb的周期是31ns，clk是信源速率即用户信息时钟，clk的周期是1ns，就得出调制信号mod_data。载波的带宽比调制数据的带宽要宽得多。通过课程实验，可以绕开繁琐的计算!让学生学习变得更直观。

图4 扩频调制的波形仿真图

2.3 扩频解调模块设计和仿真验证

首先要对采集到的信号进行匹配滤波，经过匹配滤波得到所需要的脉冲，根据脉冲就可以判定是上支路码元匹配还是下支路码元匹配，从而达到解调判定的效果[16]。数据会经过两个匹配滤波器，这两个匹配滤波器分别有M序列和反相M序列的系数，当信号与其中一个滤波器匹配的时候，会输出一个脉冲峰值。根据输出的峰值，可以进行抽样判决，进行码元恢复。

图5 接收端模块的RTL电路图

在图5的接收端模块的RTL电路图中，sync_cnt是时间控制模块模块，它的作用找出峰值对应的时间点；sync_sp是码元判决模块，该模块内部有一个峰值寄存器和时间估算寄存器，峰值寄存器存储每个码元周期内出现的最大的峰值，时间估算寄存器存储每个码元周期内出现最大峰值相对应的时间点，时间点由时间控制模块计算得出，在每个码元周期结束时峰值查找模块内部的峰值寄存器和时间估算寄存器同时清零重新计数。这样每次得出的大峰值相对应的时间点作为下一次采样的时间点，以这样的形式给采样模块提供采样的定时信息，完成码元采样同步。

图6 接收端的仿真波形图

从图6接收端的仿真波形可清楚地看出，输入信号source_data由M序列以展宽信号的频谱，展宽后的信号再经过扩频调制后发送出去，经过两次匹配滤波器后，对应匹配会出现峰峰值，把峰峰值经过码元判决模块级可以得到解扩获得数据 de_spread，de_spread可以看出和输入信号是一样的，除去延时的影响，得到了和原信号一样的输出信号，接收过程是通过将本地产生的宽带载波信号的复制信号与接收到的宽带信号相关来实现的。所以，接收端成功完成了还原原始信号的功能。

3 结 语

基于移动通信理论课程形成的知识架构，针对该学科数学推导多，理论性强，抽象难以理解的特点和难点。利用仿真技术开发具有典型意义的移动通信仿真实验，为解决上述问题提供了真实验的应用活跃了教学气氛，激发了学生的学习兴趣，提高了教学效果，使学生在较短的时间内对移动通信系统和扩频技术的相关理论有了较深的理解和掌握，并提高了学生的仿真实践能力。培养学生熟悉移动通信系统调制解调的设计理论，设计方法，掌握各类信息获取、处理、传输等技术。能够熟练地使用仿真分析工具，掌握常用的移动通信系统开发工具同时具备较强的工程设计和开发应用能力。

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Virtual Experiment Teaching for Direct Spread Spectrum of Mobile Communications

HEWei-Gang，LIZheng-Lin，ZHANGFan

(School of Electrical and Information Engineering,Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006, China)

To overcome the shortcomings of traditional teaching method of mobile communications such as content boring, difficult to understanding, experiment equipment limited, malpractice,etc., we highlight practical and modern features of the course in experimental teaching. By mobile communications modulation demodulation joint method, based on Verilog language in Quartus II the authors develop a platform for simulation, and the simulating results are displied with 2-dimension figures such that waveform of every signal can be seen clearly. Students can intuitively understand pseudo random of broadband signals, spread frequency modulations and demodulation changes. It can help students better understand the spread spectrum modulation and demodulation, and the theory of signal analysis, make students easy to acquire comprehensive knowledge, and enhance the ability to combine theory with practice. Students are familiar with electronic systems design theory and design method, are mobilized their enthusiasm and scientific interest. Good results have been achieved in the teaching practice, and the simulation platform lays a solid foundation for subsequent related content learning.

teaching and learning methods; simulation; knowledge node; effects of application; direct sequency spread spectrum system

2015-01-18

国家自然科学基金项目(61464001)；广西高等教育教学改革工程项目(2013JGA195)

何伟刚(1962-)，男，壮族，广西柳州人，硕士，副教授，主要从事信号处理，通信系统，认知无线电技术应用等研究。

Tel.:0772-2687203; E-mail:hewgang@126.com

TP 46

A

1006-7167(2015)10-0104-04