無線通信測試仿真系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

劉 威，陳海燕，李 莉，劉麗華，梁金宏

（北京電子科技職業(yè)學院通信技術(shù)系，北京 100016）

0 引 言

手機綜合測試儀是通信測試領(lǐng)域普遍使用的一種測試儀表，但由于其價格昂貴，在高校的教學應用上很難展開實訓教學。為了突破此瓶頸，從而產(chǎn)生對手機綜合測試儀仿真軟件的需求。綜測儀仿真系統(tǒng)可以將實際的測試操作進行仿真處理，并通過快速仿真計算給出與真實測試相同的測試結(jié)果，達到類似真實環(huán)境的測試和實訓效果。由于仿真軟件具有成本低、教學方便等特點，可以在高校無線通信實訓教學中廣泛使用。

本綜測儀仿真軟件參考Agilent8960無線通信測試儀進行仿真，能夠?qū)SM/GPRS/CDMA多種終端進行仿真測試[1]。綜測儀仿真軟件在設計過程中除模擬仿真了綜測儀的無線測試功能，還結(jié)合高校實訓教學的特點增加了教學管理功能，突出了仿真教學的特點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

綜測儀仿真軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為仿真測試和教學管理兩個層面。

測試儀仿真測試層面從綜測儀仿真測試角度對儀表測試進行全程模擬，主要的功能為綜測儀測試功能仿真、手機終端功能仿真、測試儀與手機連接通信仿真和測試結(jié)果展示仿真。仿真軟件中綜測儀可支持的測試終端包括GSM測試終端、GPRS測試終端、CDMA2000測試終端等3種不同制式的手機終端。該層面的軟件功能邏輯圖如圖1所示。

教學管理層面主要提供與仿真測試相對應的教學管理功能，包括測試評估功能、案例設置功能和在線教學功能。可以通過教學管理層的功能設置不同的測試教學案例，強化學生的專項技能，以及及時對學生的仿真測試結(jié)果進行評估審核，檢查測試結(jié)果的正確性。教學管理層面與仿真測試層面有通信接口，保證兩層面間可以相互通信。

綜測儀仿真軟件的開發(fā)平臺為Windows XP操作系統(tǒng)，軟件采用C#作為程序設計語言。

圖1 綜合測試儀仿真軟件功能邏輯圖

2 技術(shù)原理

2.1 面向?qū)ο蠓抡娣椒蚣?/h3>

面對對象仿真（object-oriented simulation）將面向?qū)ο笏枷爰捌湎嚓P(guān)技術(shù)，與仿真活動相結(jié)合，運用面向?qū)ο蟮乃枷敕治?、設計仿真系統(tǒng)。這種方法的特點，是將問題域中的事物與仿真系統(tǒng)中的對象建立映射，以最大限度保持事物的本來屬性活動，適合于人的思維方式。

DEVS（discrete event system specifications）是一種面向?qū)ο蠼７抡娣椒ǎ衙總€子系統(tǒng)都看作是一個具有獨立內(nèi)部結(jié)構(gòu)和明確I/O接口的模塊，若干個模塊可以通過一定的連接關(guān)系組成組合模型，組合模型可以作為更大的組合模型的元素使用，從而形成對模型的層次模塊化描述。在DEVS中模型的執(zhí)行是通過抽象仿真器實現(xiàn)的。抽象仿真器與模型之間存在對應的關(guān)系，每個模塊或組合模型都有一個與之對應的抽象仿真器，它負責收發(fā)消息、調(diào)用模塊的函數(shù)并執(zhí)行仿真計算。

本仿真系統(tǒng)中可以用DEVS方法對測試儀表與測試終端進行建模，用DEVS模型描述模塊間消息的傳遞和對命令的執(zhí)行。系統(tǒng)建模的過程可分為4個階段，如圖2所示。

圖2 面對對象仿真建模階段

（1）建模階段將綜測儀或手機的動態(tài)特性用傳遞函數(shù)狀態(tài)方程或隨機函數(shù)等方式描述出來。

（2）模型轉(zhuǎn)換階段通過仿真算法將數(shù)學模型轉(zhuǎn)化成能被計算機接受并展示的仿真模型，以達到快速仿真或相似仿真的目的，而且能滿足一定的精度要求。

（3）流程組態(tài)階段按照實際對象的運行情況構(gòu)建自身的狀態(tài)仿真流程圖，以便在實時仿真時直觀顯示實際對象的狀態(tài)和各種參數(shù)變化。

（4）實時仿真階段通過快速仿真算法將仿真測試結(jié)果在計算機軟件上顯示出來[2-4]。

2.2 GDI+

為了模擬安捷倫設備的測量過程，并仿真出實時測量曲線，該軟件使用Windows GDI+圖形編程接口的功能模擬安捷倫設備的展示界面，力求仿真結(jié)果界面與儀器結(jié)果界面效果一致。為達到需要的仿真效果，主要使用GDI+的二位矢量圖形處理和文字顯示的功能。在展示實時數(shù)據(jù)時，軟件以參數(shù)展示窗體為畫布，通過獲取窗體的Graphics對象，可以在窗體有效范圍內(nèi)的任意位置繪制圖形和文字。數(shù)據(jù)展示窗體的坐標格網(wǎng)由Graphics對象的DrawLine函數(shù)完成，對坐標及數(shù)值的解釋信息可以同Graphics對象的DrawText函數(shù)實現(xiàn)。對需要生成的柱狀圖形，可以應用Graphics對象的DrawRectangle實現(xiàn)。GDI+提供的Pen、Brush等畫圖畫刷對象能夠方便地改變顏色，使其展示的圖形界面與安捷倫設備的展示效果完全一致。圖3為軟件模擬的RF譜圖的結(jié)果展示效果[5-6]。

2.3 蒙特卡羅算法

在仿真測量設備相位誤差過程中，設備的相位誤差值由調(diào)制方式、信道頻率、頻率偏差、傳輸干擾等多種因素決定，存在著一定的隨機性。理想狀態(tài)下，設備的相位誤差圖形為一條直線，但是在實際應用過程中相位誤差圖形為一條取值在一定范圍內(nèi)的隨機曲線。為真實模擬出該圖形，程序采用蒙特卡羅算法計算（相位偏移曲線）。

圖3 GDI+繪制的實時參數(shù)圖形界面

蒙特卡羅法是以概率和統(tǒng)計的理論、方法為基礎的一種計算方法，將所求解的問題同一定的概率模型相聯(lián)系，用電子計算機實現(xiàn)統(tǒng)計模擬或抽樣，以獲得問題的近似解，故又稱統(tǒng)計模擬法或統(tǒng)計試驗法。蒙特卡羅方法是一種與一般數(shù)值計算方法有本質(zhì)區(qū)別的計算方法，屬于試驗數(shù)學的一個分支[7-9]。實施蒙特卡羅法有3個主要步驟：

（1）構(gòu)造或描述概率過程。

（2）實現(xiàn)從已知概率分布抽樣。

（3）建立各種估計量。

在仿真過程中，首先根據(jù)實際情況給出相位誤差值的概率空間，然后在該概率空間中確定一個隨機變量，其數(shù)學期望正好等于理想狀態(tài)下的相位誤差值，以計算機生成的偽隨機函數(shù)作為相位誤差值的分布函數(shù)；最后，以所確定的隨機變量的100個子樣的算術(shù)平均值作為相位誤差值的近似估計。將計算的相位誤差值以曲線方式繪制得出的相位誤差圖形有著非常接近真值測量結(jié)果的效果，如圖4所示。

圖4 模擬相位誤差圖

3 功能模塊

綜測儀仿真教學軟件主要通過5個模塊實現(xiàn)對儀表仿真測試和教學的功能。這5個模塊分別為儀表配置、終端測試、測試評估、在線教學和案例設置模塊。

3.1 儀表配置

綜測儀可以對多種手機終端進行測試，并且手機終端可以被隨意放置在仿真軟件的任一位置。儀表配置功能使用指定的測試線纜完成綜測儀與手機終端之間的連接，并且對測試線纜兩端的端口進行匹配檢查。儀表配置功能能夠完成測試儀、手機終端、測試線纜、連接端口與測試功能之間的一致性配置檢查，能夠?qū)ε渲缅e誤告警提示[10]。

3.2 終端測試

綜測儀仿真軟件目前支持對3種手機終端的仿真測試，分別為GSM手機終端、GPRS手機終端和CDMA2000手機終端。終端測試包含測試環(huán)境設置、測試數(shù)據(jù)處理和測試結(jié)果輸出3部分功能。仿真測試結(jié)果支持數(shù)值型展示和圖形化展示兩種展示方式，如transmit power的測量結(jié)果使用數(shù)值型結(jié)果展示，phase&frequency error的測量結(jié)果使用數(shù)值型和圖形化進行展示。

綜測儀對每種手機終端都可以進行多種性能測試，以GSM終端為例，可以進行transmit power、power vs time、phase&frequency error、fast bit error、bit error、analog audio、decoded audio、output RF spectrum等測試。

3.3 測試評估

仿真軟件支持自動記錄測試過程log功能，可以將學生在課堂上的測試過程完整記錄下來，生成測試記錄文件。簡單編輯該測試記錄文件即可形成測試結(jié)果報告，通過仿真軟件的C/S在線模式學生可以方便地提交測試報告，老師則可以隨時對測試結(jié)果進行評估。

結(jié)果評估模塊支持測試結(jié)果統(tǒng)計功能，該模塊對仿真教學過程中的測試報告提交、測試結(jié)果統(tǒng)計、學生實訓效果統(tǒng)計具有很好地支持作用。

3.4 在線教學

教學管理模塊主要為實際教學中的教學管理進行設計，完成在仿真教學過程中學生分組管理、權(quán)限控制、測試任務分發(fā)、在線指導、測試結(jié)果提交等功能。該模塊極大地方便了仿真教學中對學生的管理效率。

3.5 案例設置

實際教學中通常會對特定類型知識技能進行重點講述，案例設置模塊針對教學中的實際情況提供了靈活的自定義案例設置功能。可以將特定的測試場景和測試要求設置成案例，有重點地強化特定的專項技能。該案例設置模塊支持案例類型分類、難度分類、訓練時間分類等功能。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

綜測儀仿真軟件實現(xiàn)了對綜測儀測試連接、無線測量項目設置、無線指標測試、測量結(jié)果呈現(xiàn)以及測量管理等多方面測試仿真功能，綜測儀仿真測試效果與真實儀表的測試效果基本一致，達到了預期的設計目標。

仿真系統(tǒng)支持綜測儀與任一測試終端進行連接。不同類型的測試終端與不同的測試儀器端口連接對應不同的測試項目，只有正確連接終端和端口后才能進行項目測量。仿真軟件測試終端與綜測儀端口連接選擇的界面如圖5所示。

圖5 儀表連接測試圖

參照真實的綜測儀，仿真系統(tǒng)的測量結(jié)果展示跟真實綜測儀的測量結(jié)果展示完全一致，可以分為數(shù)值型結(jié)果和圖形結(jié)果。對GPRS移動臺測量“輸出RF譜圖”的數(shù)值型結(jié)果展示如圖6所示。

除使用數(shù)值型結(jié)果展示外，仿真軟件還支持圖形結(jié)果展示。當系統(tǒng)測量的結(jié)果不能用數(shù)值進行直觀表達時則采用圖形化結(jié)果展示。如測量“GSM的相位與頻率誤差”，其圖形化測量展示結(jié)果如圖7所示。

在測試管理方面，綜測儀仿真軟件也提供了豐富的功能，如設置測試案例、制定測試計劃、分配測試任務、測試結(jié)果提交與評估等功能。

5 結(jié)束語

本仿真教學系統(tǒng)在對Agilent 8960綜測儀進行總結(jié)分析的基礎上，依托面向?qū)ο蠓抡娣椒ǎ瑢C測儀的主要操作流程進行仿真實現(xiàn)，并且結(jié)合仿真教學中的實際情況，對綜測儀的教學管理進行了有針對性設計，使綜測儀仿真測試與仿真教學形成一個完整的體系。該綜測儀仿真軟件既能夠模擬仿真實際的測試效果，又結(jié)合了高校的實訓教學需求，具有較強的實用價值。

目前本系統(tǒng)只支持3種制式的測試終端，后續(xù)可以通過擴展功能的方式增加對其他終端的測試，并且可以增加對終端的仿真測試項目。另外在仿真教學管理方面也可以通過一些高校的使用反饋，增加教學互動方面的功能，使其更好地適應于實際仿真教學。

圖6 AMPS調(diào)制準確度測量結(jié)果

圖7 GSM相位與頻率誤差測量結(jié)果

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