摘要：正交調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的原理是把整個(gè)可用信道頻帶B劃分為N個(gè)帶寬為f的子信道，把N個(gè)串行碼元變換為N個(gè)并行的碼元，將高速信號變換為低速的并行子數(shù)據(jù)流，分別調(diào)制這N個(gè)子信道載波進(jìn)行同步傳輸，并在終端分開正交信號。信號的調(diào)制和解調(diào)實(shí)際是采用數(shù)字信號處理的方法來實(shí)現(xiàn)的。先將信號串并變換成低速支路，各支路的調(diào)制可以采用數(shù)字調(diào)制方式，然后進(jìn)行快速傅里葉逆變換(IFFT)、快速傅里葉變換(FFT)來實(shí)現(xiàn)。

　　通常在正交頻分電路分析中，往往會(huì)忽略講解和分析子載波調(diào)制快速傅里葉變換和反變換等內(nèi)容。讓學(xué)生從理論公式推導(dǎo)中理解OFDM原理，并利用Matlab編程實(shí)現(xiàn)不同子載波數(shù)的調(diào)制信號，可以驗(yàn)證對子載波數(shù)調(diào)制狀態(tài)的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證理論公式并加深理解。可以用理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩種方法來理解調(diào)制。通過正交頻分各步驟的波形圖，形象地描繪信號調(diào)制解調(diào)的過程，逼真地顯現(xiàn)出真實(shí)信號傳輸變化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)過程。

　　確定參數(shù)。假設(shè)參數(shù)為：子載波數(shù)為8，F(xiàn)FT長度為8，符號速率、比特率、保護(hù)間隔長度為2，信噪比12，插入導(dǎo)頻數(shù)。基本的仿真可以不插入導(dǎo)頻，導(dǎo)頻數(shù)可以為0。通過運(yùn)行仿真及修改參數(shù)設(shè)置，教師可引導(dǎo)學(xué)生逐步實(shí)驗(yàn)，觀察分析仿真結(jié)果并給出結(jié)論。通過示波器模塊可以直觀地觀察到二進(jìn)制隨機(jī)信源。

　　產(chǎn)生數(shù)據(jù)。使用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生二進(jìn)制數(shù)據(jù)?？梢詫⒃蛄谢癁?6進(jìn)制的碼元圖，通過改變數(shù)據(jù)率觀察仿真波形。

　　子載波調(diào)制。利用Matlab工具仿真實(shí)現(xiàn)BPSK、QPSK、16QAM、64QAM等4種調(diào)制方式。按照星座圖，將每個(gè)子信道上的數(shù)據(jù)映射到星座圖點(diǎn)的復(fù)數(shù)表示。通過改變支路不同的調(diào)制方式，觀察到仿真波形，每次課都會(huì)有各式各樣新的實(shí)驗(yàn)波形，可以直觀地觀察到二進(jìn)制隨機(jī)信源，以及將一路高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多路低速數(shù)據(jù)的波形。

　　IFFT運(yùn)算。對上一步得到的同相分量和正交分量進(jìn)行IFFT運(yùn)算。為便于理解，可采用仿真軟件直觀地表現(xiàn)子信道上的數(shù)據(jù)與OFDM符號之間傅里葉逆變換關(guān)系。當(dāng)子信道的脈沖為矩形脈沖時(shí)，具有sinc函數(shù)形式的頻譜。當(dāng)改變系統(tǒng)(N)時(shí)，OFDM功率譜形狀也隨之改變。

　　加入保護(hù)間隔，加入噪聲。由IFFT運(yùn)算后的每個(gè)符號的同相分量和正交分量分別轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并將符號尾部G長度的數(shù)據(jù)加到頭部，構(gòu)成循環(huán)前綴。

　　并串轉(zhuǎn)換。將每個(gè)符號分布在子信道上的數(shù)據(jù)還原為一路串行數(shù)據(jù)。

　　FFT運(yùn)算。對每個(gè)符號的同相分量和正交分量按照(Ich+Qch×i)進(jìn)行FFT運(yùn)算。由于噪聲和信道的影響，接收端收到的每個(gè)子信道上的數(shù)據(jù)，映射到星座圖不再是嚴(yán)格的發(fā)送端的星座圖。將得到的星座圖上的點(diǎn)按照最近原則判決為原星座圖上的點(diǎn)，并按映射規(guī)則還原為一組數(shù)據(jù)。利用以上設(shè)計(jì)的信號，在Matlab中編程實(shí)現(xiàn)該信號的調(diào)制，畫出調(diào)制前后信號的時(shí)序圖。此時(shí)，學(xué)生容易理解此種調(diào)制方式為何IFFT被稱調(diào)制。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生通過理論分析以及Matlab實(shí)驗(yàn)畫圖驗(yàn)證，進(jìn)一步加深了對正交頻分電路的理解。

　　在移動(dòng)通信原理課程中，關(guān)于調(diào)制解調(diào)等有關(guān)內(nèi)容偏重理論，太過抽象，枯燥乏味。受資金和儀器設(shè)備不足等實(shí)驗(yàn)條件的限制以及學(xué)時(shí)較少的影響，很多移動(dòng)通信原理實(shí)驗(yàn)(例如正交頻分多路實(shí)驗(yàn))不能由學(xué)生實(shí)際動(dòng)手完成，一些實(shí)驗(yàn)內(nèi)容僅僅能驗(yàn)證理論課學(xué)習(xí)的內(nèi)容，顯然對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是非常不利的。積極探索移動(dòng)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，嘗試開展仿真創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對于學(xué)生更好地學(xué)習(xí)移動(dòng)通信原理課程，培養(yǎng)創(chuàng)新能力起著重要的作用。

　　傳統(tǒng)的移動(dòng)通信原理課程理論教學(xué)，大多重在討論某種技術(shù)或算法的原理及其理論推導(dǎo)，以方便理解調(diào)制解調(diào)器原理和無線電波變換過程，從而加深信源編解碼和信道編解碼、無線電波發(fā)射與接收等知識的理解。在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)課上，對移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)原理的講解也要在黑板上書寫，既不夠形象、直觀，又比較呆板。由于有大量的波形分析內(nèi)容，教師在黑板上畫圖也是一件比較困難的事情，而且學(xué)生不易理解。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生常因受到固定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的束縛而改變實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，不可避免地存在錯(cuò)誤和不足，致使電路調(diào)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，甚至引起元器件和儀器設(shè)備損壞，使實(shí)驗(yàn)不能達(dá)到預(yù)期效果。因此，在移動(dòng)通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入仿真實(shí)驗(yàn)，是對理論課教學(xué)的必要補(bǔ)充。學(xué)生可以充分利用仿真實(shí)驗(yàn)軟件在數(shù)據(jù)采集、儲存、分析、處理、傳輸及控制等方面的強(qiáng)大功能，進(jìn)行方案的論證、選定和電路的設(shè)計(jì)，可以方便地改變參數(shù)來調(diào)整電路，使之更好地接近設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出較為理想的電路。學(xué)生還可以根據(jù)要求輸出電路的測試參量或波形，作為真實(shí)電路調(diào)試的依據(jù)和參考;可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行不同的仿真操作，得到與使用實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的結(jié)果。另外，一些較為復(fù)雜的移動(dòng)通信創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，無法通過模擬實(shí)驗(yàn)完成實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，但是通過引入仿真教學(xué)，便可以擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)教學(xué)的維度、擴(kuò)大了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可操作性。移動(dòng)通信是通信原理、高頻電路和信號處理的交叉學(xué)科，學(xué)生只通過理論教學(xué)很難理解學(xué)科交叉性，對移動(dòng)通信原理的理解也不夠全面。通過引入仿真教學(xué)，既能加強(qiáng)學(xué)生對移動(dòng)通信原理的認(rèn)識，又能加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)際電路的認(rèn)識，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的引入，很好地支持了移動(dòng)通信原理的學(xué)習(xí)，可以進(jìn)行新技術(shù)的研究，拓展學(xué)生的工程意識，提高設(shè)計(jì)調(diào)試電路的靈活性，最大限度地發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新思維，開闊學(xué)生的視野。