基于SystemVue的無線通信原理仿真實驗教學研究

程文清

華北電力大學 河北保定 071003

近幾年來，無線通信技術飛速發(fā)展，社會對相應的專業(yè)人才需求也與日俱增，加強通信工程專業(yè)無線通信原理課程的建設迫在眉睫。無線通信原理課程具有專業(yè)性強、理論性強、涉及內容廣而新的特點，要求加強實驗教學環(huán)節(jié)的建設。

1 實踐環(huán)節(jié)建設的必要性

在無線通信原理課程教學的過程中，學生不僅需要熟練掌握信號與系統(tǒng)和通信原理的基礎知識，還要掌握電磁波傳播的理論。無線信道的時變特性要求我們從時域和頻域多方面分析其傳播特性。傳統(tǒng)的公式推導和理論分析的教學方法，不但枯燥無味，而且很難讓學生深刻理解其現(xiàn)實的物理意義。為此，實驗教學對提高無線通信原理課程的教學質量具有重要意義。原有的Matlab仿真環(huán)境由于需要考慮很多代碼方面的問題，所以需要較長時間的學習才能夠掌握和應用。學生普遍反映編寫通信仿真程序時由于對編程語言不熟練而感覺很吃力[1]，從而影響到對專業(yè)課程的學習興趣和對內容的理解，以及對所學專業(yè)知識整體運用的能力。因此，為提高課程及實驗的教學效果，我們將SystemVue軟件仿真平臺引入無線通信系統(tǒng)仿真實驗中。SystemVue采用圖形化的建模方式，簡單易懂，淡化了設計工具帶來的困惑。設計時僅需要了解各種模塊和參數(shù)的物理意義，以及它們之間的相互依從關系，就可以通過構建系統(tǒng)模型的方法，分析和驗證課程理論問題[1]。近兩年來，我們對仿真實驗內容及仿真實驗教學方法進行了實踐與探索，并取得了良好的教學效果。

2 實驗內容的設置

實驗設置方面以突出無線通信原理課程的基本概念，強調系統(tǒng)框架設計，注重實驗內容的時效性及實用性為原則，分別從調制解調技術及無線通信系統(tǒng)信道特性方面設置了仿真實踐環(huán)節(jié)。為學生深刻理解課程的內容，擴展知識水平結構，把握現(xiàn)代無線通信新技術的發(fā)展方向提供了全面的實驗環(huán)境。實驗內容分為兩個方面。

2.1 調制技術的仿真

未來移動通信技術朝著數(shù)字化方向發(fā)展，其中的關鍵是數(shù)字調制技術。無線通信系統(tǒng)對數(shù)字調制技術的要求是：已調信號的頻譜窄、帶外衰減快；容易采用相干解調或非相干解調；抗噪聲和抗干擾能力強；適宜在衰落信道中傳輸[2]。

在調制原理仿真實驗中設置了常見調制技術的內容，包括GMSK調制、π/4 QPSK調制、擴頻調制技術等內容。基礎性的原理仿真實驗可以讓學生深刻體會常見調制解調技術的基本原理及其抗干擾性能，同時可以讓學生熟悉SystemVue軟件實驗的環(huán)境，為以后的實踐環(huán)節(jié)奠定基礎。

2.2 系統(tǒng)信道仿真

無線通信信道是一個時變信道。無線電波的傳播環(huán)境是影響無線信道傳輸性能的最主要因素，各種復雜的現(xiàn)場環(huán)境會對信號產生路徑損耗、多徑效應、多普勒平移等各種衰落現(xiàn)象。因此，研究無線信道的傳播特性具有重要的學術價值和實際意義。SystemVue仿真平臺可以快速、靈活地模擬各種復雜的傳播環(huán)境。利用軟件提供的信號源圖符庫、算子圖符庫、函數(shù)圖符庫、信號接收器圖符庫中的各種仿真模塊，可以很方便地建立各類無線信道的仿真模型，結合仿真波形輸出窗口和接收計算器處理功能，對信道的傳播特性進行詳細的分析和研究[2-4]。

在信道仿真實踐環(huán)節(jié)中設置了無線通信信道特性分析和系統(tǒng)信道分析的內容。無線信道傳播特性分析包括Jake移動信道、Rice多徑衰落信道、自定義多徑信道等幾種典型的無線信道的仿真。通過仿真分析，學生可以了解路徑數(shù)量、最大延遲、衰落系數(shù)等參數(shù)對不同信道模型的影響。無線通信系統(tǒng)信道仿真包括上行鏈路的接入信道和下行鏈路業(yè)務信道的仿真，在信道仿真方面根據(jù)系統(tǒng)原理結構框圖來搭建信道仿真平臺并配置各個功能模塊的參數(shù)，分析參數(shù)變化對系統(tǒng)信道傳輸性能的影響，從而深刻了解無線通信系統(tǒng)的組成及原理。

3 實驗教學方法及實例

3.1 利用SystemVue實現(xiàn)仿真的實驗方法

(1)研究無線通信系統(tǒng)的基本原理及數(shù)學模型，根據(jù)工作原理設計系統(tǒng)功能結構框圖。

(2)建立仿真模型。從仿真平臺提供的各類圖符庫中選擇相應的功能模塊，建立系統(tǒng)仿真模型。

(3)設置仿真參數(shù)。分析系統(tǒng)原理，設置系統(tǒng)運行參數(shù)和各功能模塊的配置參數(shù)。

(4)運行仿真并分析結果。根據(jù)設計目標，調整各功能模塊的配置參數(shù)，運行并分析仿真結果。

3.2 以對無線通信系統(tǒng)中常用的MSK調制解調的仿真過程為例，說明實驗的具體方法

(1)根據(jù)系統(tǒng)原理構建系統(tǒng)結構框圖。

最小移頻鍵控(MSK)信號的表達式為

其中，kTb≤t≤(k+1Tb)

式中，an和bn分別為輸入數(shù)據(jù)序列的奇、偶序列，Tb為數(shù)據(jù)比特持續(xù)時間。

根據(jù)MSK調制原理建立其調制和解調系統(tǒng)框圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 MSK調制原理框圖

圖2 MSK解調原理框圖

(2)根據(jù)系統(tǒng)框圖，利用SystemVue仿真平臺提供的圖符庫，建立仿真模型(如圖3和圖4所示)。

圖3 MSK正交調制電路

圖4 MSK相干解調電路

圖5 MSK調制信號局部放大結果

圖3中，圖標23，24，77執(zhí)行差分編碼功能；圖標27，28，29，30，31，32，33執(zhí)行串/并變換功能；圖標34，35，39執(zhí)行fr的載波調制的功能；圖標36，37，40執(zhí)行fc的載波調制的功能；圖標38執(zhí)行將I、Q兩路正交信號混合的功能；圖標42則輸出被MSK調制后的信號。圖5為輸出的MSK調制信號局部放大結果。

圖4中，圖標24，25，28執(zhí)行對頻率為fr的載波進行相干解調的功能；圖標26，27，29執(zhí)行對頻率為fc的載波進行相干解調的功能；圖標30，31，32執(zhí)行對相干解調后的信號進行清洗積分的功能；圖標33，34，35，36，37執(zhí)行變并行序列為串行符號的功能；圖標38執(zhí)行多路信號進行合成的功能；圖標39，40，41，41，7，45執(zhí)行將信號解差分編碼的功能。圖標49輸出相干解調后的恢復信號波形，如圖7所示。

(3)仿真結果分析

通過觀察仿真系統(tǒng)中輸入信息序列的波形及相干解調后輸出信息序列的波形，可以驗證仿真系統(tǒng)的正確性。通過觀察調制系統(tǒng)中MSK調制信號的波形，可以直觀理解MSK信號連續(xù)相位調制的特點。

比較圖6和圖7的波形，可以發(fā)現(xiàn)相干解調后的信號相對于信號源有一定的時間延遲，這是SystemVue軟件本身所導致。說明用正交兩路調制方法和相干解調進行設計的MSK調制器是正確的。

圖6 輸入信息序列波形

圖7 解調后輸出信息序列波形

4 結束語

從實驗內容的實施來看，學生普遍反映實驗教學能從直觀的角度，使他們進一步理解和鞏固了課堂所學的理論知識，激發(fā)了學習興趣，通過實踐訓練，加強了學生對無線通信系統(tǒng)原理的時域、頻域以及信道、信號的物理特性等多方面分析和理解，對提高教學質量及學生實踐能力具有重要意義。

[1]張素香,王雅寧.基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的通信系統(tǒng)仿真[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2011(17):72-74.

[2]拉帕波特.無線通信原理與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[3]李巖,張智勇.SystemView在無線移動信道仿真中的應用[J].信息科技,2010(15):210-211.

[4]孫屹.SystemView通信仿真開發(fā)手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004.