虚实一体化的DQPSK调制与解调系统

魏建军, 陈付龙, 刘乃安, 李晓辉

(1. 西安电子科技大学 通信工程学院, 陕西 西安 710071； 2. 安徽师范大学 数学计算机科学学院, 安徽 芜湖 241003)

四相相对相移键控(differential quadrature reference phase shift keying,DQPSK)利用前后码元之间的相对相位变化来表示信息,消除了相位模糊,并且具有优越的抗噪声性能和频带利用率,是北美和日本所使用的第二代移动通信调制标准,也是通信理论与技术的基本内容[1]。DQPSK信号由2个正交分量合成,并且包括串并变化,实现过程比较复杂,因而很多通信工程专业对这个知识点的实验采用软件仿真的方法。采用软件仿真的方法很难仿真信道和载波同步问题,学生对这部分内容不易理解透彻[2]。为此,笔者探索新的实验方式,帮助学生更好地掌握这部分内容。

虚实一体化的DQPSK调制与解调系统是基于半实物虚拟仿真理念建立的,系统保留原方框图法,利用真正的硬件模块,实现相关原理仿真。实验的内容等同标准实验,实验控制操作与标准系统相同。学生可改变频率、相位、振幅及时间等实验参数,使实验结果与相关理论及数学计算关联起来。进行实验时,学生实际上是操作真实的仪器设备，观看真实的电信号和信道的特性,但是减少了传送信号和取样频率,使学生更容易观看和理解DQPSK信号[3-5]。该系统提供了二次开发功能,支持学生进一步深入学习[6-8]。

1 虚实一体化的DQPSK调制与解调系统

1.1 虚实一体化系统架构

虚实一体化实验采用基于半实物虚拟仿真的方法,构建成一个网络化的实验室,允许学生完成真正的硬件实验。学生在宿舍、图书馆、自习室等任意联网的场合,无需安装任何终端接口软件,即可通过浏览器登录系统平台,选择实验项目和进行远程实验。学生可以通过实验操作面板设置实验室里的实验器材,通过平台配套的虚拟仪表进行观测,且数据结果显示清晰明了。虚实一体化的系统架构如图1所示。

图1 实验平台

整个系统由虚拟实验室、虚拟服务器和多个终端构成。虚拟实验室中有多个实验平台与交换机连接。交换机通过网络连接到虚拟服务器,终端通过网络访问服务器。无线通信实验平台采用BS架构,服务器端可部署在学校机房；实验平台可放置于实验室；学生终端访问采用浏览器,无地点环境要求。

1.2 系统特点与功能

实验平台采用虚实一体化设计思想,学生既能在现场进行实验,也能通过网络在远端PC实时进行测试和开发实验。该平台符合当前实验教学工程化、实验设备网络化和课堂教学智能化的趋势。

实验平台主要由基带处理单元、射频单元和嵌入式PC控制器等3部分组成,其结构如图1所示。

实验平台有效地解决了实验场地与学生实验时间的问题。在实验平台管理软件和虚拟实体操作软件的支持下,实验模式不再单一、实验内容不再固定。学生能够根据自己的学习进度安排实验时间和选择扩展实验内容,在远端随时、随地完成课程实验或进行设计创新,满足个性化学习的要求。远端PC机DQPSK调制与解调系统实验原理如图2所示。

图2 DQPSK调制与解调系统实验原理

学生可以通过虚拟实验界面连接实验电路,根据需要调整数控器件、配置电路参数、选择测试点；也可以操作虚拟信号源、示波器、频谱仪等测量仪表；可以加入噪声,模拟真实信道进行实时信号测试[9-10]。

2 实验方法

DQPSK调制与解调虚拟仿真实验内容包括差分码编码和译码原理、DQPSK调制原理和DQPSK相干解调原理。首先设置基带数据,然后将基带数据串并转换,并从I路和Q路输出,I路和Q路输出的数据分别与载波相乘得到DQPSK。使用Costas环恢复载波,并对DQPSK信号进行解调,观测DQPSK解调端的星座图。

DQPSK调制与解调虚拟仿真实验基于半实物虚拟仿真的理念,实验内容包括实验预习、真实测量实验操作、填写实验报告等环节。系统支持学生本地实验和远程实验。

进行本地实验时,在内嵌PC控制器上选择实验内容、设置参数、测试框图对应各点信号。

进行远程实验时,通过网络登录服务器获取实验的相关资料、选择实验内容和进行实验预习,然后按照实验要求远程操作实验设备进行实验,真实测量和记录各个测试点波形。虚拟示波器、虚拟频谱仪、虚拟逻辑分析仪能满足信号时频域测试。最后,学生完成实验思考题,并通过网络提交实验报告。整个实验过程都通过网络进行。教师通过网络察看学生的实验状态,结合实验过程给出实验成绩。

学生在基本完成DQPSK调制与解调实验的基础上,可以改变实验参数(例如基带信号的产生方式、基带数据速率、载波频率等),观察波形的变化,判断是否与预想一致,并进一步分析其原因。

3 虚实一体化的DQPSK调制与解调二次开发

除了基本的DQPSK理论验证性实验外,系统平台支持二次开发,方便学生对于实验内容的拓展学习。学生完成DQPSK基本实验后,可在现有平台基础上进行DQPSK调制与解调实验的二次开发,包括信号源、信源编码、信道编码、数字调制、数字解调、信道译码、信源译码和信宿。二次开发流程如图3所示,学生将自己设计的*.rbf文件下载到对应的模块中进行验证即可。

图3 二次开发流程

4 实施效果

与传统的硬件实验相比,虚实一体化的DQPSK调制与解调系统实验灵活且多样化,能提供丰富的仪器设备,弥补了硬件实验无法进行设备选择、参数设置和频谱分析的不足,能更好地培养学生的设计能力、分析能力和创新能力。虚拟实验受硬件设备的限制少,实验设备损坏的问题从根本上得到解决,实验项目能及时根据教学需要进行更新,使实验教学与理论教学结合得更紧密。由于虚实一体化的DQPSK调制与解调系统实验采集的都是真实的电信号,符合“能实不虚,虚实结合”的实验教学理念,也符合高校实验室建设与发展的方向[11]。

虚实一体化的DQPSK调制与解调系统实验数据分析速度快,测量结果响应及时,学生可以随机选择服务器和独立开展实验,师生反映比较好。这种实验模式给学生以最大的灵活性,充分发挥学生能动性,调动了学生做实验的兴趣和积极性,使学生对知识的掌握更加牢固、动手能力更强、自主学习热情更高[12]。

经过对虚实一体化的DQPSK调制与解调系统实验的多次完善,该实验项目于2017年被陕西省教育厅评选为省级示范性虚拟仿真实验教学项目,现已面向高校和社会开放。

5 结语

虚实一体化实验作为一种新的实验方式,将软硬件系统与网络紧密结合,操作者既能获得真实的电信号,又可灵活选择实验内容,不受实验时间和空间的限制,是对传统实验模式的改革。实验者可根据自己的理解设计新的DQPSK调制与解调架构,开发新的算法,并将其下载到硬件中进行实际验证。由于其网络开发性特点,任何注册用户都可以进行DQPSK调制与解调系统实验,有助于向社会普及通信基本知识,提高通信技术实验教学水平。