魏建軍，劉乃安，李曉輝，黑永強(qiáng)，唐 軍

虛實(shí)一體無(wú)線通信綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

魏建軍，劉乃安，李曉輝，黑永強(qiáng)，唐 軍

（西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071）

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括基帶部分、射頻前端、天線和控制計(jì)算機(jī)，每部分均采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)功能模塊可替換。采用積木式搭建方式，既可構(gòu)成一個(gè)完整的無(wú)線通信系統(tǒng)，開(kāi)展無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，也可構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，支持多門實(shí)驗(yàn)課程。該系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)化模式，支持遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)可隨時(shí)、隨地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，不受時(shí)間、地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的限制。功能模塊可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)加載二次開(kāi)發(fā)算法，支持二次開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)。

無(wú)線通信；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；虛實(shí)一體；積木式搭建；遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信技術(shù)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)發(fā)生了根本變化。但是，高等學(xué)校的通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)滯后，培養(yǎng)的學(xué)生不能滿足用人單位的期望[1-3]。目前國(guó)內(nèi)外通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)多采用兩種方式，一是采用通信實(shí)驗(yàn)箱，另一種是軟件無(wú)線電方法，但都存在自身無(wú)法克服的弊端[4-5]。通信實(shí)驗(yàn)箱以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)過(guò)程往往是動(dòng)手多、動(dòng)腦少，學(xué)生只知某個(gè)模塊的功能而不知是怎樣實(shí)現(xiàn)的；同時(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目固定，模塊參數(shù)很少可以設(shè)置，造成很多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察不到；受空間和時(shí)間的限制，所能提供的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不夠[6-8]；實(shí)驗(yàn)方式單一，學(xué)生缺少興趣，缺乏創(chuàng)新性訓(xùn)練，更不能提供綜合型實(shí)驗(yàn)，不符合當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)[9-10]。軟件無(wú)線電方式中基帶一般采用軟件方式實(shí)現(xiàn)，采用簡(jiǎn)化的信道模型模擬現(xiàn)實(shí)情況，很難準(zhǔn)確地描繪所有的現(xiàn)實(shí)條件，也難以獲悉采用某種模型的可行性，對(duì)通信理論的理解僅停留在模型表面，缺乏對(duì)模型具體電路的認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)，而且復(fù)雜的通信系統(tǒng)很難準(zhǔn)確建模[11-12]。

總之，目前通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備不能滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，必須按照當(dāng)前通信技術(shù)的發(fā)展，研制能反映通信技術(shù)最新進(jìn)展的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，培養(yǎng)通信領(lǐng)域有創(chuàng)新精神的人才，服務(wù)于通信行業(yè)的發(fā)展。

1 虛實(shí)一體無(wú)線通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架構(gòu)

虛實(shí)一體無(wú)線通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)）采用B/S架構(gòu)，無(wú)任何終端的部署成本。服務(wù)器可部署在學(xué)校機(jī)房，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可放置于實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生終端訪問(wèn)采用瀏覽器，無(wú)環(huán)境地點(diǎn)要求。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)驗(yàn)室，允許學(xué)生完成真正的硬件實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在宿舍、圖書(shū)館、自習(xí)室等任意聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)合，無(wú)需安裝任何終端接口軟件，任意PC打開(kāi)瀏覽器即可開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。只需訪問(wèn)指定的服務(wù)地址，登錄系統(tǒng)平臺(tái)，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目即可遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)方便快捷。運(yùn)用顯示于瀏覽器的實(shí)驗(yàn)操作面板，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)室里的實(shí)驗(yàn)器材。遠(yuǎn)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可直接通過(guò)平臺(tái)配套的虛擬儀表觀測(cè)，操作方法完全參照真實(shí)的設(shè)備方法，無(wú)需額外的學(xué)習(xí)成本，且數(shù)據(jù)結(jié)果顯示清晰明了。其架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 虛實(shí)一體無(wú)線通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

學(xué)生通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，獲得與在現(xiàn)場(chǎng)相同操作的體驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供創(chuàng)新性操作環(huán)境，學(xué)生可按照自己設(shè)計(jì)的算法開(kāi)發(fā)通信系統(tǒng)或模塊，并進(jìn)行實(shí)際硬件的測(cè)試和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供信號(hào)源，示波器，頻譜儀，誤碼儀，噪聲源等虛擬儀器，獲得與真實(shí)環(huán)境相同的測(cè)試手段。

2 無(wú)線通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

無(wú)線通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，實(shí)際的通信實(shí)驗(yàn)都在平臺(tái)上進(jìn)行，包括基帶、射頻和天線。

2.1 無(wú)線通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

無(wú)線通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖2）包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，發(fā)射機(jī)包括發(fā)送基帶、發(fā)射機(jī)射頻前端和發(fā)射天線。接收機(jī)也包括接收基帶、接收機(jī)射頻前端和接收天線。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都在計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行通信、測(cè)試、加載等工作。

圖2 無(wú)線通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

平臺(tái)的左邊是基帶部分，上面是發(fā)射機(jī)基帶，下面是接收機(jī)基帶。平臺(tái)的右上角是射頻部分，上面4個(gè)模塊是發(fā)射機(jī)前端，下面4個(gè)模塊是接收機(jī)前端。平臺(tái)的右下角是控制用計(jì)算機(jī)。平臺(tái)上有2個(gè)微帶天線，左邊發(fā)射信號(hào)，右邊接收信號(hào)。發(fā)射機(jī)基帶輸出與發(fā)射機(jī)前端連接，通過(guò)發(fā)射機(jī)天線發(fā)射信號(hào)，接收機(jī)前端通過(guò)接收機(jī)天線接收信號(hào)，并與接收機(jī)基帶連接，可構(gòu)成一個(gè)完整的無(wú)線通信系統(tǒng)，開(kāi)展無(wú)線通信系統(tǒng)的各種實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基帶部分

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，發(fā)射機(jī)基帶物理上分為信號(hào)源模塊、信源編碼與復(fù)用模塊、信道編碼模塊、頻帶調(diào)制模塊。接收機(jī)基帶與發(fā)射機(jī)基帶一一對(duì)應(yīng)，分別為終端模塊、解復(fù)與信源譯碼、信道譯碼和頻帶解調(diào)。發(fā)射機(jī)基帶可與接收機(jī)基帶直接相連，開(kāi)展基帶通信實(shí)驗(yàn)。發(fā)射機(jī)基帶的信號(hào)源模塊也可直接與接收機(jī)基帶的終端模塊連接；信源編碼與復(fù)用模塊連接解復(fù)與信源譯碼模塊；信道編碼模塊與信道譯碼模塊直接連接；頻帶調(diào)制模塊與頻帶解調(diào)模塊直接連接。選取相應(yīng)模塊，通過(guò)積木式搭建，單獨(dú)開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如圖3所示。

信號(hào)源模塊可提供語(yǔ)音信號(hào)、視頻信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，信號(hào)的種類和頻率由后臺(tái)控制，支持本地下載。信源編碼與復(fù)用模塊基于FPGA完成帶限、抽樣和量化等，可進(jìn)行時(shí)分復(fù)用和碼分復(fù)用。線路編碼與信道編碼基于FPGA完成各種碼型變換、線路編碼和信道糾錯(cuò)編碼等，可對(duì)碼型變換和線路編碼設(shè)置數(shù)據(jù)速率、信道編碼、差錯(cuò)控制等。頻帶調(diào)制模塊基于FPGA完成載波產(chǎn)生、符號(hào)映射、成型濾波、數(shù)字上變頻和各種調(diào)制，可設(shè)置基帶數(shù)據(jù)和速率、載波頻率、調(diào)制方式，輸出I路和Q路調(diào)制信號(hào)等。頻帶解調(diào)模塊產(chǎn)生本地載波、采集解調(diào)信號(hào)、匹配濾波、數(shù)字下變頻、相干解調(diào)和抽樣判決等，可配置調(diào)制方式、環(huán)路濾波器參數(shù)和判決電平等。解復(fù)用和信源譯碼模塊完成位同步、幀同步、解復(fù)用、譯碼和恢復(fù)濾波等，可配置解復(fù)端幀頭等。終端模塊對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)模變換后從本地?cái)U(kuò)音器中恢復(fù)語(yǔ)音，或者將視頻信號(hào)中液晶顯示輸出。信號(hào)源模塊和終端模塊只支持本地下載，其余模塊既可支持本地下載也可支持網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程加載，方便參與實(shí)驗(yàn)者操作。

圖3 無(wú)線通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基帶部分

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)射頻前端

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的射頻部分見(jiàn)圖4。發(fā)射機(jī)射頻部分包括發(fā)射端PLL、上變頻器、VGA和PA；接收機(jī)射頻部分包括LNA、接收端PLL、下變頻器和VGA。通信天線采用的是微帶天線，本身具有一定的帶寬，可起到射頻濾波器的作用。

圖4 無(wú)線通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)射頻部分

射頻部分（圖5）的各功能模塊獨(dú)立，可插拔，在保證接口參數(shù)的情況下可替換、重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。發(fā)端PLL的頻率和增益、VGA和PA的增益可通過(guò)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)；同理，接收端PLL的頻率和增益、LNA和VGA的增益也可調(diào)節(jié)。

圖5 射頻收發(fā)系統(tǒng)

3 無(wú)線通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可由基帶、射頻、天線構(gòu)成一個(gè)完整的無(wú)線通信系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。平臺(tái)也可選取某些通信模塊，通過(guò)積木式搭建，構(gòu)成一個(gè)子系統(tǒng)，進(jìn)行模塊或子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可伸縮。

預(yù)習(xí)：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配備交互式預(yù)習(xí)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)框圖、文字說(shuō)明、虛擬實(shí)驗(yàn)操作、仿真信號(hào)測(cè)試等內(nèi)容，結(jié)合配套的實(shí)驗(yàn)教材，完成對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)理論的預(yù)習(xí)。

實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)平臺(tái)支持學(xué)生做本地實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。做本地實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生在內(nèi)嵌PC控制器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇、各種參數(shù)設(shè)置、框圖中對(duì)應(yīng)各點(diǎn)信號(hào)測(cè)試等實(shí)驗(yàn)；學(xué)生可以遠(yuǎn)程進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)、擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，虛擬示波器、虛擬頻譜儀、虛擬邏輯分析儀能滿足信號(hào)時(shí)頻域的測(cè)試。

測(cè)評(píng)：虛實(shí)一體無(wú)線通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)配套的教師端軟件，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行故障設(shè)置，考核學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度。

開(kāi)發(fā)：實(shí)驗(yàn)?zāi)K全部采用可編程器件，所有實(shí)驗(yàn)均能二次開(kāi)發(fā)，每個(gè)模塊均帶網(wǎng)絡(luò)加載功能，學(xué)生可通地網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)加載，二次開(kāi)發(fā)算法，不斷電、不插線。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效解決了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地與學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)間沖突的矛盾，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在管理軟件和虛擬實(shí)體操作軟件的支持下，學(xué)生能在遠(yuǎn)端隨時(shí)、隨地完成課程實(shí)驗(yàn)，或進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新。克服了原先實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絾我?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容固定的問(wèn)題，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間、選擇擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，滿足學(xué)生個(gè)性化的教學(xué)要求。

采用模塊式、積木式方式，系統(tǒng)支持無(wú)線通信系統(tǒng)、通信系統(tǒng)測(cè)量、信號(hào)系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、語(yǔ)音處理、通信原理、數(shù)字通信、軟件無(wú)線電、無(wú)線通信系統(tǒng)、射頻電路、射頻通信虛擬儀器技術(shù)等課程實(shí)驗(yàn)。

該平臺(tái)減輕了教師的維護(hù)和管理工作量，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室真正完全開(kāi)放。

[1] 劉麗，趙曉明，范翔宇，等. 現(xiàn)代教育技術(shù)指導(dǎo)大學(xué)生開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018, 35(12): 168–172.

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Comprehensive experimental system for virtual-real integrated wireless communication

WEI Jianjun, LIU Naian, LI Xiaohui, HEI Yongqiang, TANG Jun

(School of Telecommunications Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China)

The experimental system consists of baseband, RF front-end, antenna and control computer. Each part is modularized and each function module can be replaced. By building blocks, not only a complete wireless communication system can be constructed to carry out experiments on wireless communication systems, but also an independent subsystem can be established to conduct corresponding experiments and support multiple experimental courses. This system adopts the network mode to support remote experiment teaching. The experiment can be carried out anytime and anywhere through the Internet, without the limitation of time, place and experiment content. Function modules can load secondary development algorithms through the network at any time to support secondary development experiments.

wireless communication; experimental system; virtual-real integration; building block construction; remote experiment

TN914；G642.0

A

1002-4956(2019)11-0068-03

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.017

2019-03-26

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（61876143）；西安電子科技大學(xué)新實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)與新實(shí)驗(yàn)設(shè)備研制重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“虛擬一體無(wú)線通信系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制”

魏建軍（1978—），男，陜西寶雞，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代通信系統(tǒng)測(cè)量及其教學(xué)。E-mail: jjwei@xidian.edu.cn