銜接抽象理論知識的移動通信課程實驗內(nèi)容構(gòu)建＊

吳仕勛 吳 豪 周曠宇 徐 凱 許登元

（重慶交通大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074）

引言

我校通信工程專業(yè)于2019年獲批重慶市一流專業(yè)建設(shè)項目，并于2021年啟動通信工程專業(yè)的工程教育認證工作。移動通信作為通信工程專業(yè)的核心課程存在以下兩個需要解決的問題。一方面，在課程內(nèi)容上需要進行整合；另一方面，該課程的特點是理論性較強、知識點抽象且難度系數(shù)較大，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門專業(yè)理論課程的過程當(dāng)中往往覺得枯燥無味，提不起學(xué)習(xí)興趣。因此，有必要針對以上兩個問題開展移動通信課程的改革工作。

現(xiàn)有關(guān)于移動通信的教學(xué)改革成果大多從宏觀上闡述移動通信原理課程的改革思路和經(jīng)驗，未見從微觀上對移動通信課程的各個教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)性開發(fā)相應(yīng)的仿真實驗內(nèi)容[1]。不同于OFDM仿真實驗和語音通信系統(tǒng)仿真實驗[2-3]。本文的主要工作是針對移動通信原理的教材，提煉出該課程的重點理論知識點，構(gòu)建銜接重點理論知識的實驗教學(xué)內(nèi)容，有效促進學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，鍛煉學(xué)生的代碼設(shè)計與編寫能力，進而實現(xiàn)課程目標(biāo)達成度的完成[4]。

一、移動通信課程的實驗內(nèi)容構(gòu)建

移動通信課程理論教學(xué)的重難點內(nèi)容如圖1所示，主要包括調(diào)制技術(shù)和抗衰落技術(shù)。由于受實驗學(xué)時的限制，現(xiàn)有的實驗內(nèi)容僅包括調(diào)制技術(shù)（實驗箱驗證）和擴頻技術(shù)仿真，其他的抗衰落技術(shù)如信道編碼、信道均衡、分集等技術(shù)并未涉及。為了填補本課程的仿真實驗內(nèi)容空白，本文構(gòu)建了基于MATLAB的五個仿真實驗內(nèi)容，從而形成了完整的銜接抽象理論知識的移動通信課程實驗項目內(nèi)容，有利于學(xué)生更深入地掌握調(diào)制與抗衰落技術(shù)的基本原理[5]。

圖1 移動通信課程的理論課程

二、調(diào)制技術(shù)實驗項目

1．QPSK調(diào)制技術(shù)

QPSK調(diào)制技術(shù)的仿真實驗流程為隨機產(chǎn)生比特流，通過串并變換分為I路和Q路，分別與載波信號相乘，相加后得到QPSK信號。經(jīng)過AWGN信道后，分別進入I路和Q路與載波信號相乘，通過低通濾波器將2倍頻濾除（等價于積分器），抽樣判決后并串變換還原原始的比特流[6]。

通過設(shè)定比特數(shù)，比特周期，載波頻率、采樣頻率、信噪比等參數(shù)，得到信號波形的仿真對比，可以清楚知道接收端能夠還原原始的信號波形。通過該仿真實驗的學(xué)習(xí)，同學(xué)們能夠很好地掌握整個QPSK信號調(diào)制與解調(diào)過程[7]。

2．QAM調(diào)制技術(shù)

QAM調(diào)制技術(shù)的仿真實驗流程利用randi函數(shù)產(chǎn)生隨機的二進制比特流，依據(jù)調(diào)制的階數(shù)將二進制轉(zhuǎn)化為十進制，結(jié)合格雷映射的原理進行映射，再利用qammod函數(shù)實現(xiàn)星座映射產(chǎn)生復(fù)值的基帶信號。該信號通過AWGN信道加入了復(fù)值的高斯白噪聲，對接收信號利用qamdemod函數(shù)進行星座逆映射，同樣結(jié)合格雷映射的原理進行復(fù)原，最后將十進制轉(zhuǎn)化為二進制的比特流[8]。

通過設(shè)置調(diào)制階數(shù)為16，將接收端與發(fā)射端的比特流進行對比，統(tǒng)計出錯誤的符號數(shù)與比特數(shù)，與書本上的理論數(shù)值進行對比，可知理論值與仿真值大體一致。通過該仿真實驗的學(xué)習(xí)，同學(xué)們掌握了采用星座點圖的方式較簡單地實現(xiàn)了QAM的調(diào)制與解調(diào)，并能夠驗證理論值的正確性[9]。

三、抗衰落技術(shù)實驗項目

1．信道編碼技術(shù)

信道編碼技術(shù)的仿真實驗流程通過主函數(shù)demo來實現(xiàn)。發(fā)射端首先使用input函數(shù)進行信號的輸入，調(diào)用scramble函數(shù)對輸入信號進行加擾，然后調(diào)用coder函數(shù)對加擾后的信號進行卷積編碼。該信號經(jīng)過高斯白噪聲信道，在接收端調(diào)用decoder函數(shù)進行信道譯碼，再調(diào)用scramble函數(shù)對信號進行解擾。為了更直觀地比較仿真實驗的效果，調(diào)用drawSig函數(shù)實現(xiàn)繪圖[10]。

第一，加擾與解擾。在scramble函數(shù)中，通過一個子函數(shù)來產(chǎn)生一個偽隨機m序列，然后將該序列與輸入信號進行異或操作實現(xiàn)對輸入信號的加擾。同理，解擾也是通過調(diào)用scramble函數(shù)實現(xiàn)對原信號的還原。

第二，卷積編碼與譯碼。子程序coder通過簡單的模2加運算實現(xiàn)了（3，1，3）卷積編碼器，一個輸入，三個輸出，寄存器為3。信道譯碼采用Viterbit譯碼，設(shè)計了一個dist子函數(shù)用于累加漢明距離的計算，而decoder函數(shù)通過不斷地調(diào)用dist函數(shù)實現(xiàn)對總漢明距離的統(tǒng)計，計算出最少漢明距離，從而實現(xiàn)了接收信號的信道譯碼[11]。

第三，繪圖。為了直觀顯示脈沖信號，drawSig函數(shù)將每個信號值重復(fù)多次，從而更為準(zhǔn)確地繪圖圖形[12]。

通過仿真實驗的學(xué)習(xí)，學(xué)生進一步掌握了卷積編譯碼原理及其在通信系統(tǒng)中的作用。

2．信道均衡技術(shù)

信道均衡技術(shù)的仿真實驗流程也是通過主函數(shù)demo來實現(xiàn)。主函數(shù)的random_binary子函數(shù)產(chǎn)生多個雙極性碼，信道channel子函數(shù)加入了高斯白噪聲并包含碼間干擾。接收端接收到信號后，設(shè)計一個lms_equalizer子函數(shù)對信號進行均衡，通過判決譯碼來判別信號是0還是1。

第一，信號。使用rand函數(shù)實現(xiàn)在[0，1]之間產(chǎn)生一串隨機序列，與門限值0.5比較后，產(chǎn)生0、1的隨機序列信號。

第二，信道。給出碼間串?dāng)_的信道參數(shù)，將輸入信號與該信道進行卷積運算，再疊加高斯白噪聲，使得接收信號包含碼間干擾和噪聲。

第三，均衡器。設(shè)置一個初始抽頭系數(shù)，更新抽頭系數(shù)（原抽頭系數(shù)+步長*誤差*接收的碼元符號），計算均衡器的輸出[13]。

使用自適應(yīng)均衡器能夠顯著減小碼間干擾的影響，降低誤碼率。不同的步長對自適應(yīng)均衡器的性能影響較大，需要綜合考慮。通過仿真實驗的學(xué)習(xí)，學(xué)生進一步掌握了自適應(yīng)均衡器的原理及其作用。

3．分集技術(shù)

分集技術(shù)的仿真實驗流程通過主函數(shù)demo來實現(xiàn)。使用randsrc函數(shù)得到一串雙極性比特流，擴頻使用walsh 碼[14]。設(shè)計一個三徑的輸入信號，給出每一路徑的功率衰減因子和延時，并且疊加了高斯白噪聲信道得到接收信號。接收端采用walsh碼對接收到的多徑信號進行分離，然后采用不同的合并技術(shù)（最大比值合并、等增益合并、選擇合并）進行信號合并且統(tǒng)計出誤比特率。

從仿真結(jié)果可以知道在同一信噪比的情況下，最大比值合并效果是最好的，其次是等增益合并，最差的是選擇式合并。通過仿真實驗的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅鞏固了擴頻通信和分集技術(shù)的知識點，而且驗證了不同分集技術(shù)的性能 好壞[15]。

結(jié)語

本文針對移動通信原理的重難點知識，打造了QPSK、QAM、信道編碼、自適應(yīng)均衡、分集等5個仿真實驗，結(jié)合原有的擴頻通信仿真實驗項目，形成了有效銜接理論知識的仿真實驗體系。該仿真實驗體系的部分實驗內(nèi)容在2017級通信工程專業(yè)施行，通過學(xué)校的學(xué)生獲得感和課程滿意度問卷調(diào)查反饋，移動通信原理課程名列全校前十，學(xué)院第一。鑒于初步改革獲得的認可，下一步將推廣所有的仿真實驗內(nèi)容。