魏建军，刘乃安，李晓辉，黑永强，唐 军

虚实一体无线通信综合实验系统

魏建军，刘乃安，李晓辉，黑永强，唐 军

（西安电子科技大学 通信工程学院，陕西 西安 710071）

该实验系统包括基带部分、射频前端、天线和控制计算机，每部分均采用模块化设计，每个功能模块可替换。采用积木式搭建方式，既可构成一个完整的无线通信系统，开展无线通信系统实验，也可构成一个独立的子系统，开展相应的实验，支持多门实验课程。该系统采用网络化模式，支持远程实验教学，通过互联网可随时、随地开展实验，不受时间、地点和实验内容的限制。功能模块可通过网络随时加载二次开发算法，支持二次开发实验。

无线通信；实验系统；虚实一体；积木式搭建；远程实验

随着通信技术的发展，通信技术的设计、开发发生了根本变化。但是，高等学校的通信技术实验教学滞后，培养的学生不能满足用人单位的期望[1-3]。目前国内外通信技术实验多采用两种方式，一是采用通信实验箱，另一种是软件无线电方法，但都存在自身无法克服的弊端[4-5]。通信实验箱以验证性实验为主，实验过程往往是动手多、动脑少，学生只知某个模块的功能而不知是怎样实现的；同时实验项目固定，模块参数很少可以设置，造成很多实验现象观察不到；受空间和时间的限制，所能提供的实验学时不够[6-8]；实验方式单一，学生缺少兴趣，缺乏创新性训练，更不能提供综合型实验，不符合当前实验教学的目标[9-10]。软件无线电方式中基带一般采用软件方式实现，采用简化的信道模型模拟现实情况，很难准确地描绘所有的现实条件，也难以获悉采用某种模型的可行性，对通信理论的理解仅停留在模型表面，缺乏对模型具体电路的认识和设计，而且复杂的通信系统很难准确建模[11-12]。

总之，目前通信技术实验教学设备不能满足实验教学的要求，必须按照当前通信技术的发展，研制能反映通信技术最新进展的实验教学设备，培养通信领域有创新精神的人才，服务于通信行业的发展。

1 虚实一体无线通信系统综合实验系统架构

虚实一体无线通信系统综合实验系统（以下简称实验系统）采用B/S架构，无任何终端的部署成本。服务器可部署在学校机房，实验平台可放置于实验室。学生终端访问采用浏览器，无环境地点要求。

实验系统构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、自习室等任意联网场合，无需安装任何终端接口软件，任意PC打开浏览器即可开始实验。只需访问指定的服务地址，登录系统平台，选择相应的实验项目即可远程实验，学习方便快捷。运用显示于浏览器的实验操作面板，通过网络控制实验，设置实验室里的实验器材。远程的实验结果可直接通过平台配套的虚拟仪表观测，操作方法完全参照真实的设备方法，无需额外的学习成本，且数据结果显示清晰明了。其架构见图1。

图1 虚实一体无线通信系统综合实验系统网络架构

学生通过浏览器访问服务器，选择相应的实验内容，获得与在现场相同操作的体验。实验系统提供创新性操作环境，学生可按照自己设计的算法开发通信系统或模块，并进行实际硬件的测试和验证。实验系统提供信号源，示波器，频谱仪，误码仪，噪声源等虚拟仪器，获得与真实环境相同的测试手段。

2 无线通信系统综合实验平台

无线通信系统综合实验平台是实验系统的硬件基础，实际的通信实验都在平台上进行，包括基带、射频和天线。

2.1 无线通信系统综合实验平台结构

无线通信系统综合实验平台（图2）包括发射机和接收机，发射机包括发送基带、发射机射频前端和发射天线。接收机也包括接收基带、接收机射频前端和接收天线。发射机和接收机都在计算机的控制下进行通信、测试、加载等工作。

图2 无线通信系统综合实验平台

平台的左边是基带部分，上面是发射机基带，下面是接收机基带。平台的右上角是射频部分，上面4个模块是发射机前端，下面4个模块是接收机前端。平台的右下角是控制用计算机。平台上有2个微带天线，左边发射信号，右边接收信号。发射机基带输出与发射机前端连接，通过发射机天线发射信号，接收机前端通过接收机天线接收信号，并与接收机基带连接，可构成一个完整的无线通信系统，开展无线通信系统的各种实验。

2.2 实验平台基带部分

实验平台采用模块化设计，发射机基带物理上分为信号源模块、信源编码与复用模块、信道编码模块、频带调制模块。接收机基带与发射机基带一一对应，分别为终端模块、解复与信源译码、信道译码和频带解调。发射机基带可与接收机基带直接相连，开展基带通信实验。发射机基带的信号源模块也可直接与接收机基带的终端模块连接；信源编码与复用模块连接解复与信源译码模块；信道编码模块与信道译码模块直接连接；频带调制模块与频带解调模块直接连接。选取相应模块，通过积木式搭建，单独开展相应的实验内容，如图3所示。

信号源模块可提供语音信号、视频信号和数字信号，信号的种类和频率由后台控制，支持本地下载。信源编码与复用模块基于FPGA完成带限、抽样和量化等，可进行时分复用和码分复用。线路编码与信道编码基于FPGA完成各种码型变换、线路编码和信道纠错编码等，可对码型变换和线路编码设置数据速率、信道编码、差错控制等。频带调制模块基于FPGA完成载波产生、符号映射、成型滤波、数字上变频和各种调制，可设置基带数据和速率、载波频率、调制方式，输出I路和Q路调制信号等。频带解调模块产生本地载波、采集解调信号、匹配滤波、数字下变频、相干解调和抽样判决等，可配置调制方式、环路滤波器参数和判决电平等。解复用和信源译码模块完成位同步、帧同步、解复用、译码和恢复滤波等，可配置解复端帧头等。终端模块对语音数据经数模变换后从本地扩音器中恢复语音，或者将视频信号中液晶显示输出。信号源模块和终端模块只支持本地下载，其余模块既可支持本地下载也可支持网络远程加载，方便参与实验者操作。

图3 无线通信系统综合实验平台基带部分

2.3 实验平台射频前端

实验平台的射频部分见图4。发射机射频部分包括发射端PLL、上变频器、VGA和PA；接收机射频部分包括LNA、接收端PLL、下变频器和VGA。通信天线采用的是微带天线，本身具有一定的带宽，可起到射频滤波器的作用。

图4 无线通信系统综合实验平台射频部分

射频部分（图5）的各功能模块独立，可插拔，在保证接口参数的情况下可替换、重新进行设计。发端PLL的频率和增益、VGA和PA的增益可通过控制计算机进行调节；同理，接收端PLL的频率和增益、LNA和VGA的增益也可调节。

图5 射频收发系统

3 无线通信系统综合实验平台教学应用

实验系统采用模块化设计，可由基带、射频、天线构成一个完整的无线通信系统，进行系统实验。平台也可选取某些通信模块，通过积木式搭建，构成一个子系统，进行模块或子系统实验，实验内容可伸缩。

预习：实验平台配备交互式预习系统。通过实验框图、文字说明、虚拟实验操作、仿真信号测试等内容，结合配套的实验教材，完成对应实验理论的预习。

实验：实验平台支持学生做本地实验和远程实验。做本地实验时，学生在内嵌PC控制器上进行实验内容选择、各种参数设置、框图中对应各点信号测试等实验；学生可以远程进行补充实验、扩展实验，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的测试。

测评：虚实一体无线通信系统综合实验平台通过配套的教师端软件，对学生的实验系统进行故障设置，考核学生对所学知识的掌握程度。

开发：实验模块全部采用可编程器件，所有实验均能二次开发，每个模块均带网络加载功能，学生可通地网络随时加载，二次开发算法，不断电、不插线。

4 结语

实验平台有效解决了实验场地与学生实验时间冲突的矛盾，实验平台在管理软件和虚拟实体操作软件的支持下，学生能在远端随时、随地完成课程实验，或进行设计创新。克服了原先实验模式单一、实验内容固定的问题，学生可以根据自己的学习进度安排实验时间、选择扩展实验内容，满足学生个性化的教学要求。

采用模块式、积木式方式，系统支持无线通信系统、通信系统测量、信号系统、数字信号处理、语音处理、通信原理、数字通信、软件无线电、无线通信系统、射频电路、射频通信虚拟仪器技术等课程实验。

该平台减轻了教师的维护和管理工作量，实现了实验室真正完全开放。

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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

国家自然科学基金面上项目（61876143）；西安电子科技大学新实验开发与新实验设备研制重点攻关项目“虚拟一体无线通信系统综合实验平台研制”

魏建军（1978—），男，陕西宝鸡，博士，副教授，主要研究方向为现代通信系统测量及其教学。E-mail: jjwei@xidian.edu.cn