基于SystemVue的无线通信原理仿真实验教学研究

2012-07-09程文清

中国现代教育装备 2012年13期

程文清

华北电力大学河北保定 071003

近几年来，无线通信技术飞速发展，社会对相应的专业人才需求也与日俱增，加强通信工程专业无线通信原理课程的建设迫在眉睫。无线通信原理课程具有专业性强、理论性强、涉及内容广而新的特点，要求加强实验教学环节的建设。

1 实践环节建设的必要性

在无线通信原理课程教学的过程中，学生不仅需要熟练掌握信号与系统和通信原理的基础知识，还要掌握电磁波传播的理论。无线信道的时变特性要求我们从时域和频域多方面分析其传播特性。传统的公式推导和理论分析的教学方法，不但枯燥无味，而且很难让学生深刻理解其现实的物理意义。为此，实验教学对提高无线通信原理课程的教学质量具有重要意义。原有的Matlab仿真环境由于需要考虑很多代码方面的问题，所以需要较长时间的学习才能够掌握和应用。学生普遍反映编写通信仿真程序时由于对编程语言不熟练而感觉很吃力[1]，从而影响到对专业课程的学习兴趣和对内容的理解，以及对所学专业知识整体运用的能力。因此，为提高课程及实验的教学效果，我们将SystemVue软件仿真平台引入无线通信系统仿真实验中。SystemVue采用图形化的建模方式，简单易懂，淡化了设计工具带来的困惑。设计时仅需要了解各种模块和参数的物理意义，以及它们之间的相互依从关系，就可以通过构建系统模型的方法，分析和验证课程理论问题[1]。近两年来，我们对仿真实验内容及仿真实验教学方法进行了实践与探索，并取得了良好的教学效果。

2 实验内容的设置

实验设置方面以突出无线通信原理课程的基本概念，强调系统框架设计，注重实验内容的时效性及实用性为原则，分别从调制解调技术及无线通信系统信道特性方面设置了仿真实践环节。为学生深刻理解课程的内容，扩展知识水平结构，把握现代无线通信新技术的发展方向提供了全面的实验环境。实验内容分为两个方面。

2.1 调制技术的仿真

未来移动通信技术朝着数字化方向发展，其中的关键是数字调制技术。无线通信系统对数字调制技术的要求是：已调信号的频谱窄、带外衰减快；容易采用相干解调或非相干解调；抗噪声和抗干扰能力强；适宜在衰落信道中传输[2]。

在调制原理仿真实验中设置了常见调制技术的内容，包括GMSK调制、π/4 QPSK调制、扩频调制技术等内容。基础性的原理仿真实验可以让学生深刻体会常见调制解调技术的基本原理及其抗干扰性能，同时可以让学生熟悉SystemVue软件实验的环境，为以后的实践环节奠定基础。

2.2 系统信道仿真

无线通信信道是一个时变信道。无线电波的传播环境是影响无线信道传输性能的最主要因素，各种复杂的现场环境会对信号产生路径损耗、多径效应、多普勒平移等各种衰落现象。因此，研究无线信道的传播特性具有重要的学术价值和实际意义。SystemVue仿真平台可以快速、灵活地模拟各种复杂的传播环境。利用软件提供的信号源图符库、算子图符库、函数图符库、信号接收器图符库中的各种仿真模块，可以很方便地建立各类无线信道的仿真模型，结合仿真波形输出窗口和接收计算器处理功能，对信道的传播特性进行详细的分析和研究[2-4]。

在信道仿真实践环节中设置了无线通信信道特性分析和系统信道分析的内容。无线信道传播特性分析包括Jake移动信道、Rice多径衰落信道、自定义多径信道等几种典型的无线信道的仿真。通过仿真分析，学生可以了解路径数量、最大延迟、衰落系数等参数对不同信道模型的影响。无线通信系统信道仿真包括上行链路的接入信道和下行链路业务信道的仿真，在信道仿真方面根据系统原理结构框图来搭建信道仿真平台并配置各个功能模块的参数，分析参数变化对系统信道传输性能的影响，从而深刻了解无线通信系统的组成及原理。

3 实验教学方法及实例

3.1 利用SystemVue实现仿真的实验方法

(1)研究无线通信系统的基本原理及数学模型，根据工作原理设计系统功能结构框图。

(2)建立仿真模型。从仿真平台提供的各类图符库中选择相应的功能模块，建立系统仿真模型。

(3)设置仿真参数。分析系统原理，设置系统运行参数和各功能模块的配置参数。

(4)运行仿真并分析结果。根据设计目标，调整各功能模块的配置参数，运行并分析仿真结果。

3.2 以对无线通信系统中常用的MSK调制解调的仿真过程为例，说明实验的具体方法

(1)根据系统原理构建系统结构框图。

最小移频键控(MSK)信号的表达式为

其中，kTb≤t≤(k+1Tb)

式中，an和bn分别为输入数据序列的奇、偶序列，Tb为数据比特持续时间。

根据MSK调制原理建立其调制和解调系统框图分别如图1和图2所示。

图1 MSK调制原理框图

图2 MSK解调原理框图

(2)根据系统框图，利用SystemVue仿真平台提供的图符库，建立仿真模型(如图3和图4所示)。

图3 MSK正交调制电路

图4 MSK相干解调电路

图5 MSK调制信号局部放大结果

图3中，图标23，24，77执行差分编码功能；图标27，28，29，30，31，32，33执行串/并变换功能；图标34，35，39执行fr的载波调制的功能；图标36，37，40执行fc的载波调制的功能；图标38执行将I、Q两路正交信号混合的功能；图标42则输出被MSK调制后的信号。图5为输出的MSK调制信号局部放大结果。

图4中，图标24，25，28执行对频率为fr的载波进行相干解调的功能；图标26，27，29执行对频率为fc的载波进行相干解调的功能；图标30，31，32执行对相干解调后的信号进行清洗积分的功能；图标33，34，35，36，37执行变并行序列为串行符号的功能；图标38执行多路信号进行合成的功能；图标39，40，41，41，7，45执行将信号解差分编码的功能。图标49输出相干解调后的恢复信号波形，如图7所示。

(3)仿真结果分析

通过观察仿真系统中输入信息序列的波形及相干解调后输出信息序列的波形，可以验证仿真系统的正确性。通过观察调制系统中MSK调制信号的波形，可以直观理解MSK信号连续相位调制的特点。

比较图6和图7的波形，可以发现相干解调后的信号相对于信号源有一定的时间延迟，这是SystemVue软件本身所导致。说明用正交两路调制方法和相干解调进行设计的MSK调制器是正确的。