衔接抽象理论知识的移动通信课程实验内容构建＊

吴仕勋 吴 豪 周旷宇 徐 凯 许登元

（重庆交通大学 信息科学与工程学院，重庆 400074）

引言

我校通信工程专业于2019年获批重庆市一流专业建设项目，并于2021年启动通信工程专业的工程教育认证工作。移动通信作为通信工程专业的核心课程存在以下两个需要解决的问题。一方面，在课程内容上需要进行整合；另一方面，该课程的特点是理论性较强、知识点抽象且难度系数较大，学生在学习这门专业理论课程的过程当中往往觉得枯燥无味，提不起学习兴趣。因此，有必要针对以上两个问题开展移动通信课程的改革工作。

现有关于移动通信的教学改革成果大多从宏观上阐述移动通信原理课程的改革思路和经验，未见从微观上对移动通信课程的各个教学内容系统性开发相应的仿真实验内容[1]。不同于OFDM仿真实验和语音通信系统仿真实验[2-3]。本文的主要工作是针对移动通信原理的教材，提炼出该课程的重点理论知识点，构建衔接重点理论知识的实验教学内容，有效促进学生的学习欲望，锻炼学生的代码设计与编写能力，进而实现课程目标达成度的完成[4]。

一、移动通信课程的实验内容构建

移动通信课程理论教学的重难点内容如图1所示，主要包括调制技术和抗衰落技术。由于受实验学时的限制，现有的实验内容仅包括调制技术（实验箱验证）和扩频技术仿真，其他的抗衰落技术如信道编码、信道均衡、分集等技术并未涉及。为了填补本课程的仿真实验内容空白，本文构建了基于MATLAB的五个仿真实验内容，从而形成了完整的衔接抽象理论知识的移动通信课程实验项目内容，有利于学生更深入地掌握调制与抗衰落技术的基本原理[5]。

图1 移动通信课程的理论课程

二、调制技术实验项目

1．QPSK调制技术

QPSK调制技术的仿真实验流程为随机产生比特流，通过串并变换分为I路和Q路，分别与载波信号相乘，相加后得到QPSK信号。经过AWGN信道后，分别进入I路和Q路与载波信号相乘，通过低通滤波器将2倍频滤除（等价于积分器），抽样判决后并串变换还原原始的比特流[6]。

通过设定比特数，比特周期，载波频率、采样频率、信噪比等参数，得到信号波形的仿真对比，可以清楚知道接收端能够还原原始的信号波形。通过该仿真实验的学习，同学们能够很好地掌握整个QPSK信号调制与解调过程[7]。

2．QAM调制技术

QAM调制技术的仿真实验流程利用randi函数产生随机的二进制比特流，依据调制的阶数将二进制转化为十进制，结合格雷映射的原理进行映射，再利用qammod函数实现星座映射产生复值的基带信号。该信号通过AWGN信道加入了复值的高斯白噪声，对接收信号利用qamdemod函数进行星座逆映射，同样结合格雷映射的原理进行复原，最后将十进制转化为二进制的比特流[8]。

通过设置调制阶数为16，将接收端与发射端的比特流进行对比，统计出错误的符号数与比特数，与书本上的理论数值进行对比，可知理论值与仿真值大体一致。通过该仿真实验的学习，同学们掌握了采用星座点图的方式较简单地实现了QAM的调制与解调，并能够验证理论值的正确性[9]。

三、抗衰落技术实验项目

1．信道编码技术

信道编码技术的仿真实验流程通过主函数demo来实现。发射端首先使用input函数进行信号的输入，调用scramble函数对输入信号进行加扰，然后调用coder函数对加扰后的信号进行卷积编码。该信号经过高斯白噪声信道，在接收端调用decoder函数进行信道译码，再调用scramble函数对信号进行解扰。为了更直观地比较仿真实验的效果，调用drawSig函数实现绘图[10]。

第一，加扰与解扰。在scramble函数中，通过一个子函数来产生一个伪随机m序列，然后将该序列与输入信号进行异或操作实现对输入信号的加扰。同理，解扰也是通过调用scramble函数实现对原信号的还原。

第二，卷积编码与译码。子程序coder通过简单的模2加运算实现了（3，1，3）卷积编码器，一个输入，三个输出，寄存器为3。信道译码采用Viterbit译码，设计了一个dist子函数用于累加汉明距离的计算，而decoder函数通过不断地调用dist函数实现对总汉明距离的统计，计算出最少汉明距离，从而实现了接收信号的信道译码[11]。

第三，绘图。为了直观显示脉冲信号，drawSig函数将每个信号值重复多次，从而更为准确地绘图图形[12]。

通过仿真实验的学习，学生进一步掌握了卷积编译码原理及其在通信系统中的作用。

2．信道均衡技术

信道均衡技术的仿真实验流程也是通过主函数demo来实现。主函数的random_binary子函数产生多个双极性码，信道channel子函数加入了高斯白噪声并包含码间干扰。接收端接收到信号后，设计一个lms_equalizer子函数对信号进行均衡，通过判决译码来判别信号是0还是1。

第一，信号。使用rand函数实现在[0，1]之间产生一串随机序列，与门限值0.5比较后，产生0、1的随机序列信号。

第二，信道。给出码间串扰的信道参数，将输入信号与该信道进行卷积运算，再叠加高斯白噪声，使得接收信号包含码间干扰和噪声。

第三，均衡器。设置一个初始抽头系数，更新抽头系数（原抽头系数+步长*误差*接收的码元符号），计算均衡器的输出[13]。

使用自适应均衡器能够显著减小码间干扰的影响，降低误码率。不同的步长对自适应均衡器的性能影响较大，需要综合考虑。通过仿真实验的学习，学生进一步掌握了自适应均衡器的原理及其作用。

3．分集技术

分集技术的仿真实验流程通过主函数demo来实现。使用randsrc函数得到一串双极性比特流，扩频使用walsh 码[14]。设计一个三径的输入信号，给出每一路径的功率衰减因子和延时，并且叠加了高斯白噪声信道得到接收信号。接收端采用walsh码对接收到的多径信号进行分离，然后采用不同的合并技术（最大比值合并、等增益合并、选择合并）进行信号合并且统计出误比特率。

从仿真结果可以知道在同一信噪比的情况下，最大比值合并效果是最好的，其次是等增益合并，最差的是选择式合并。通过仿真实验的学习，学生不仅巩固了扩频通信和分集技术的知识点，而且验证了不同分集技术的性能 好坏[15]。

结语

本文针对移动通信原理的重难点知识，打造了QPSK、QAM、信道编码、自适应均衡、分集等5个仿真实验，结合原有的扩频通信仿真实验项目，形成了有效衔接理论知识的仿真实验体系。该仿真实验体系的部分实验内容在2017级通信工程专业施行，通过学校的学生获得感和课程满意度问卷调查反馈，移动通信原理课程名列全校前十，学院第一。鉴于初步改革获得的认可，下一步将推广所有的仿真实验内容。