移动通信仿真型开放实验室建设方案.doc

移动通信仿真型开放实验室建设方案 二零一二年九月方案简介移动通信仿真型开放实验室建设方案是针对中国高校移动通信专业课程而设置的开放性基础实验室解决方案，方案并没有单一的配置移动通信专业基础实验设备，而是在传统实验的基础上融合更具开放性的仿真型实验系统。本方案从仿真型开放实验室项目开发背景、功能特点、详细配置清单以及重点产品性能特点等几个方面，向您详细阐述了本方案建设的目的。方案还结合了目前教学及实验室建设现状，从移动通信基础教学实验的创新、开放、效果等多方面对传统实验室进行了变革，是对移动通信基础教学实验的一次重大突破！基础实验箱、仿真型开放实验室系统，两者既能单独实现教学功能，也能相互融合，优势互补！目 录1.移动通信仿真型开放实验室建设依据41.1通信工程类专业人才培养方向41.2工程应用型人才的培养现状41.3通信工程专业工程综合应用型人才的培养的思路51.4如何培养出合格及优秀的通信工程综合型应用人才51.5基础理论教学实验的现状61.6建设思路71.7虚拟仿真教学的优势72.产品整体配置清单（20个实验位）83.e-Labsim仿真型开放实验室系统93.1专案背景93.2产品主要功能及特点113.3产品的构成133.4应用案例133.5产品的市场竞争分析144.移动通信实验箱（型号：LTE-YD-02B）144.1性能特点144.2主要技术参数154.3实验系统构成164.4实验项目及模块配置164.5实验内容181.移动通信仿真型开放实验室建设依据1.1通信工程类专业人才培养方向从目前高校的人才培养情况来看，通信工程类专业的人才培养方向大概可以分为两类：其一为研究型人才培养方向，或者说是培养研发、技术类人才；其二是工程应用型人才培养方向。前者一般为重点高校或品牌专业所选择的一种方向和定位，后者则为大多数本科院校和所有高职高专类学校的选择。事实上，这也是一种比较合理的分布情况，因为从就业及人才需求情况来看，工程应用类岗位需求要比研发型岗位多得多。1.2工程应用型人才的培养现状如上图所示，工程应用型人才的培养又分为不同的模式。我们可以先来看看高职高专类院校相关专业的办学思路，实际的情况是这样的，这类院校对人才的培养也是定位在工程应用型方向，但受限于学生的层次、理论课时有限以及理论讲解不深等因素的约束，他们往往会轻理论而重实践，准确来讲是重实训。这类学校在实训室的建设方面往往会花费巨资来购置实际的通信设备，如传输、交换、接入、数据、3G等，通过这些设备来培养学生的实际操作能力。这种方式有一定的优点，可以让学生做到“所学及所用”，让他们在工作中能尽快上手，此外这样的实训室看起来很气派。但这样的实际通信设备主要是设计给运营商来用的，在工作原理方面基本上谈不上什么开放性，甚至因为设备价格昂贵，学校基本上不会让学生自己动手进行硬件的搭接，所以用这样的设备来实训慢慢地被很多高校称之为“设备操作工”的培养模式。从本科院校工程应用型人才目前的培养情况来看，现在很多学校对应用型的定位都很模糊，导致一些学校采用与职业类院校相同的培养方式：重实训、轻理论，且在实训前和实训中都没有相应的工作原理支撑，导致本科院校培养出来的人才“高不成，低不就”，在就业市场上的竞争力甚至还远不及高职类院校培养出来的“高级蓝领工人”。1.3通信工程专业工程综合应用型人才的培养的思路其实，通信工程专业所培养出的应用型人才不仅仅要会操作设备，更重要的是会应用设备。这类人才在现在有一个流行的名称，即现场应用工程师，英文缩写为FAE（Field Application Engineer）。通俗一点讲，我们以一个演播大厅的音响设备为例，我们的学生除了会使用这些设备之外，更侧重于音响及音控设备的应用，我们可以搭建起整个演播大厅的音控系统，并让整个系统能正常有效地运行。另外，当系统出现问题时，我们还应该能定位并排除相应的故障。1.4如何培养出合格及优秀的通信工程综合型应用人才首先，一个合格的通信工程综合应用型人才在应用设备时，他肯定是懂得设备的工作原理的，否则他就无法做到对设备的灵活应用，更别谈在设备出现异常状况时，作出有效的应对和解决。也就是说，一个合格的通信工程专业工程综合应用型人才必须具备一定的理论功底，他可以不去管一个设备电路是如何设计的，软件是如何实现的，但他必须非常了解设备的工作原理，或者说，他必须清楚与设备正常工作相关的原理框架以及一些关键参数的物理含义和测试方法。谈到这里，我们可以很清楚地了解到，为了让我们所培养的工程应用型人才有别于普通职业类院校出来的“设备操作工”，我们必须在专业教学方面加入一定量的理论学习和实践内容。让学生在实践中做到不仅知其然，更要知其所以然。1.5基础理论教学实验的现状从前面的阐述我们可以看出，学生必须要具备一定程度的理论功底，能了解设备的工作原理。但实际的状况却是，我们现在很多院校专业的学习情况不是很理想，学生对专业知识的掌握程度往往不足以支撑他们对一些通信设备的工作原理进行透彻地理解。我们这里大概列举几个方面的情况：1） 在专业知识和理论学习方面专业知识和课程的讲解过于理论化，没法和实际结合起来，显得单调、枯燥，学生因无法理解而影响学习兴趣。最终导致理论学习不扎实、不深入、不透彻。2）在实践学习方面，主要有以下一些有待改善的地方a) 有限的实验课时，无法让学生充分地进行实验；b) 实验教学资源以及实验室难以做到真正开放；c) 现有实验设备的可靠性、实验现象的稳定性等方面严重影响了实验教学；d) 配套测试设备不完善、不稳定，常常影响实验的正常进行；e) 花巨资购买的实训设备不具备开放行，不能让学生了解工作原理并自行动手搭建系统；f) 昂贵的实训设备因为台套数有限，影响了学生的全面参与；g) 评价和考核学生实践效果的手段很单一，基本上只有实验报告。那么，通过什么样的手段来加强学生专业知识和理论的学习效果及其实践动手能力呢？加强专业知识学习及实践对本科类院校的应用型人才来讲是相当重要的，那么我们应该从哪几个方面来加强呢？这个题目谈起来比较大，我们这里简单地列举几个方面：a) 将实践学习引入理论课堂，做到理论实践一体化教学；b) 将实验室开放给学生，让学生可以随时随地进行学习、实践、系统搭建、开发及创新；c) 让学生建立专业体系概念，了解每一门课程之间的有机联系及其在通信系统中的地位。1.6建设思路基于教学现状的探索，我们考虑搭建的综合实训室应该具备以下功能：a) 能让学生了解各专业课程的框架，加深对专业知识的理解；b) 能让学生系统掌握课程之间的联系及其在通信系统中的地位；c) 能让学生掌握通信设备和通信系统的架构和工作原理；d) 可以利用基本知识如编码、调制等模块来搭建出简单的通信系统；e) 理解基本实验现象、波形，并能熟练地使用测试仪器进行测试；f) 保证实验的开放性。让学生在有需要有兴趣的时候可以实时展开实验；g) 能让理论课程和实际有效的结合，让学生在课堂既可深度掌握理论知识。有鉴于此，并兼顾建设成本以及实验室的利用效率等因素，我们采用了现在实验室建设中的一些主流思路，即硬设备加虚拟仿真的思路，硬件主要采用开放性比较好的实验箱或实验台的结构，但如果单纯用实验箱或实验台，则实验室的开放、实验教学效果、实验设备的利用效率等方面都会产生一些问题，虚拟仿真则正好可以应对这些问题。1.7虚拟仿真教学的优势a) 通过多媒体配合仿真教学，在课堂及时演示课程中的实验，能真正做到理论跟实践有效结合，让学生及时明确的了解课程中的底层原理；b) 将虚拟仿真实验放到网上，让学生随时随地通过登录网络实验课堂，搭建自己实验，也就是让每个学生都拥有自己独立的实验室，从而达到实验室开放目的；c) 让学生在课外利用仿真系统进行学习，及时预习和巩固，提升实验的效率，并规避硬件实验过程中的低级错误，从而降低硬件损耗；d) 能通过学生跟学生的互动实验，创新实验模块的开发功能，激发学生自主学习和做实验的兴趣；e) 通过仿真系统的老师管理端，可以实时掌握学生实验的结果和学科实验的进度。2.产品整体配置清单（20个实验位）品目号设备名称设备规格数量单价(元)金额(元)备注1e-Labsim仿真型开放实验室系统V1.0详细介绍见本方案第3节1.1 硬件配置标准配置 1.1.1 机柜1可以使用学校已有设备，也可以由学校自行配置。 1.1.2 服务器11.1.3 网络交换机11.1.4 PC机201.2 软件配置标准配置1.2.1 实验教学管理系统1 1.2.2 服务端应用软件1 1.2.3中央数据库1 1.2.4 客户端软件1 1.2.4.1 虚拟实验平台 1.2.4.2 虚拟仪器平台 1.2.4.3 创新实践子系统 1.2.4.3.1 link for Matlab 1.2.4.3.2 二次开发模块 1.2.4.4 网络通信子系统移动通信仿真型开放实验室客户端软件20用户2移动通信实验箱LTE-YD-02B20标准配置相关技术参数及实验项目等见本方案第4节350M数字储存示波器20标准配置4投影仪及电动幕布系统1建议配置5蓝牙无线教学扩声系统1建议配置6多媒体控制台1建议配置合计人民币备注：1、该方案实验室为一个教室，教室大小约为6*11M；2、实验室名称为：通信原理仿真型开放实验室。3.e-Labsim仿真型开放实验室系统3.1专案背景自从上一轮的教学水平评估以来，很多学校都投入了大量的资金用于实验室的建设，几年下来，应该说与课程直接相关的实验室基本上都建起来了，可是在实验室的使用和实践教学方面，很多学校都遇到了一些问题，产生了一些困惑，实验效果也是不尽人意，具体表现在如下几个方面：1） 学校的实验教学资源难以做到充分有效地利用，一直在提的“开放实验室”无法做到真正的开放；2） 实验课时有限，且学生在实验课之前无法对理论及实验设备进行较好地预习，导致实验不充分、低级问题不断，结果让实验老师的指导负担加重，实验设备易损坏，且实验效果大打折扣；3） 现有的实验设备只能提供极为有限的二次开发空间，且对二次开发没有提供很好的支撑，导致现有设备离创新人才的培养环境要求差距十分巨大；4） 现有实验设备因可靠性、配套数据不完善或实验现象不稳定等问题，在很大程度上影响了实践教学；5） 对学生实验效果的评价和考核手段很单一，往往只以实验报告来进行考核；6） 因实验配套的测试设备不完备，往往只靠示波器来观察实验现象，导致学生的观察手段和观察角度单一，从而影响到学生对相关理论的理解和验证。尽管大部分高校目前阶段的实践教学效果不是很理想，可另一方面，国家对人才的培养又提出了新的要求，即培养“创新型人才”的指导性要求，从目前来看，学生现有的专业水平与国家的“创新型人才培养战略”之间还存在着较大的落差，大部分学校也还没有形成成熟的创新人才培养的思维和模式。针对当前高校通信类专业实践教学所存在的现状，武汉凌特电子技术有限公司投入近三百万元，联合国内在仿真及通信技术方面有较深入研究几家科研院所，经过两年多时间的潜心研发，推出了一款e-Labsim仿真型开放实验室产品，该产品主要采用了大型仿真软件所独有的算法及时序仿真相结合的技术，并应用当今比较流行的CSDA的网络架构及软件框架，通过部署在用户的服务器上，可以很好的实现实验资源的开放，给学生搭建起一个随时随地可以学习和创新设计的环境，另外，为了能加强对学生实践的管理和指导，e-Labsim还配套了一套较为完善的实验教学管理系统，不仅能进行常规的实验老师和学生的管理，更支持学生将实验过程、实验结果和实验报告上传给老师进行评阅，便于老师加强对学生的考核。e-Labsim的出现从根本上改善了实践教学领域中资源利用不充分、实验效果不满意以及创新环境不完善等状况，该产品将会在很大程度上提升相关学校的实践教学水平。应该说，e-Labsim的出现也填补了国内在教学领域仿真软件方面的空白，长期以来，国内在电子设计实践教学方面都依靠国外的仿真软件，如美国NI公司的Multisim，而这类软件除了价格昂贵之外，它基本上只能应付从器件到电路或模块的仿真，从功能模块到系统的仿真则无法应对，e-Labsim则很好地填补了这方面的空白。通信技术综合实训仿真型开放实验室 通过网络、多媒体器材课堂演示实验 通过网络、计算机终端随时随地开放实验室通过无限制的课前 预习、课后复习改善实验室开放不足、硬件场地不足学生有需要或者兴趣随时可以搭建自己实验课前预习提升实践操作效果并降低硬件损耗理论课程跟实践教学有效结合学生通过及时的实验验证课堂理论通过动态高仿真的虚拟仪器设计课后复习提升学生对理论知识的理解和巩固学生可以通过一个平台学习多重测试设备应用学生通过多种设备组合以不同角度看信号变化实验结果管理、互动实验、创新模块设计学生通过系统提交实验结果老师评分二次开发、互动实验增加学生动手兴趣能力产品特点一产品特点二产品特点三产品特点四产品特点五教学实验改善3.2产品主要功能及特点1. 独有的“仿真引擎”技术，让e-Labsim能完整模拟硬件外观及行为，让学生从仿真环境到实际的硬件环境能实现“无缝”切换；2. 配套完善的测试设备，比实际的实验室的配置更胜一筹，学生能利用各种不同的设备对信号进行全方位的观测；3. 配套测试设备也能完整模拟实际设备的行为和操作习惯，老师完全可以在该环境下训练学生对实际设备的操作能力；4. 支持学生自主搭建实验我们可以让学生按照自己的思路来进行电路及系统的搭建，以方便学生对自己要设计的功能和系统进行原型验证；5. 内置完整的二次开发及创新设计模块，学生可以方便地进行创新设计，学生设计的功能 可以替代我们的模块而融入到我们的系统实验中去；6. e-Labsim进行网络化改造，并采用流行的CSDA架构，让学生可以随时随地进行实验及创新设计；7. 支持多个学生终端之间互联进行系统的联调和观察，既可以增加学生的兴趣，方便老师通过远程的方式对学生进行一对一的考核和指导；8. 采用大型数据库设计经验，从根本上保证数据库的操作安全；9. 实现服务器端软件的“用户无感知重启”，让服务器永不瘫痪；10. 方便学生的互动，e-Labsim配套一个简单实用的实时通讯工具；11. 特别内置与Matlab的接口模块“Link for Matlab”，创新实践有一个很好的依托。12. 方便用户之间的交流和讨论，还专门为e-Labsim配套了一个BBS，用户可以在BBS上与我们的技术支持或用户之间进行讨论，不管在操作还是在理论方面有何疑问都可以方便地寻求帮助；13. 配套了一套完善的教学管理系统，方便对学生的实践进行管理和指导。实验教学管理系统效果图仿真平台效果图 3.3产品的构成e-Labsim仿真型开放实验室是一种仿真的实验环境和平台，但其又不同于普通的“仿真实验室”的概念，为了能做到实验室的开放以及让学生进行创新实践，在产品实现方面，我们主要采取了几个方面的思路和方案：1） 建立真实完整的实验对象的数学模型，让学生在虚拟环境下感受到的是真实的实验环境；2） 将实验对象按知识体系切割为一个个独立的模块，学生可以按照自己的意愿将各模块以不同的方式进行组合以搭建出不同的功能实体或系统；3） 每一个模块的相关参数是可以按照学生的意愿来进行自由调节的。准确地说，这一平台主要由八大部分构成，具体如下：1） 模块级仿真子系统；2） 创新实践子系统； 3） 网络通信子系统4） 教学管理子系统；5） 实验子系统； 6） BBS子系统；7） 虚拟仪器子系统； 8） Matlab接口调用子系统。3.4应用案例1. 学生对实验进行预习，并提交预习报告告； 2. 老师对学生提交的实验资料及报告进行批阅并评分；3. 学生通过Matlab进行二次开发及创新设计；4. 学生学习测试仪器的使用；5. 学生自主进行系统的搭建及验证测试，原型验证；6. 两个学生之间进行系统互联；7. 学校已经购买了其它公司的硬件，再结合e-Labsim来进行教学；8. 网管对用户进行管理。3.5产品的市场竞争分析从我们与一些学校的交流情况来看，很多老师和专业领导都不约而同地表示，其实早在几年前他们就想到过这样的方案和思路，只是觉得技术难度太大而没有往这方面做过多的考虑。甚至有些老师尝试过用Labview和flash的思路来解决类似问题，最终因为无法实现仿真核心技术，要么效果差强人意，要么根本不能实现相关功能。综上所述，目前国内市场上，与e-Labsim正面竞争的产品基本上没有，而侧面竞争的主要是一些用flash做的所谓的虚拟实验室方案，而这些基本上都成不了气候。另外，美国NI公司的Multisim现在是在高校中用得越来越多的一款仿真软件，其主要完成的是从器件到电路及模块的仿真，属于器件级仿真软件；e-Labsim则主要这对从模块到系统的仿真，属于模块级仿真软件，应该说这两款产品更多的是互补的关系，学校完全可以通过这两款软件的组合应用，完成整个电子及通信类专业的仿真教学，如果再结合Matlab，则更完美。4.移动通信实验箱（型号：LTE-YD-02B）4.1性能特点1、 实验箱采用可独立拆卸的模块化结构，便于实验箱的功能升级和扩展。2、 实验箱各模块要采用透明的有机玻璃板加以覆盖，提高产品的可靠性。3、 能展示移动通信信号处理中的关键技术，如语音编译码，信道编译码，数据块交织、基带成形、矢量调制解调等。4、 在调制解调方面，除了能完成相干解调功能外，还应能展示出实际GSM系统中的GMSK非相干解调的整个过程。5、 CDMA扩频采用m序列和GOLD序列两种方式，再现2G和3G移动通信系统中扩频序列的区别与联系。6、 CDMA扩频部分可以在同一个频点上提供两个码道，且码型可通过拨码开关灵活选择。7、 CDMA接收部分可展示扩频序列的捕获和跟踪全过程，可观测到m序列和GOLD序列的自相关特性。8、 实验箱上可在两台实验箱之间实现多种无线通信系统的搭建，并可以基于这些无线系统进行语音和数据的无线传输，包括CDMA直扩通信系统，GSM通信系统；CDMA跳频通信系统，混合多址通信系统等。9、 通过多台实验箱可组成一个小型网络，模拟基站和移动台的收发及信码再生过程。10、 采用信道编码及交织的技术，来解决无线系统传输中的各种误码情况。11、 配备信令流程分析软件便于学生了解实际GSM系统中语音呼叫及接续的信令过程。12、 通过实验箱所提供的移动通信软件平台可实现短信的收发，用户的主呼被呼，无线数传，GPRS上网以及移动通信环境监测等功能。13、 实验箱提供JTAG编程接口和使用方法，配备相关软件后可以进行二次开发。14、 移动创新实践平台采用MCU+FPGA+DSP的经典架构，并包含一定的外围硬件，提供原理验证的同时大力支持学生实际动手设计和开发。15、 自主研发的FPGA在线MCU加载技术，通过拨码开关可以方便灵活地选择各实验项目或功能。整个开发过程采用先仿真，再功能验证，最后逐级开发的模式，让学生在例程的引导下能循序渐进的完成实验项目的开发。16、 移动创新实践平台可以轻松模拟各模块功能，替代原实验系统中的相关模块，融入系统验证学生的开发成果，即具有“百变”的功能。17、 实验箱提供配套实用的实验教学课件以及其它能指导学生实验、便于学生预习的教学资源，多媒体教学课件可动态展示连线过程及相应的实验结果。4.2主要技术参数 载波频率: 10.7MHz 900/1800MHz 800MHz 语音编码速率：16Kb/s FH-CDMA: 载波频率10.7MHz信码速率：16kb/s跳频速率：1跳/秒和10跳/秒可选 DS-CDMA: 载波频率：10.7MHz信码速率：16kb/s，扩频子码速率：512kb/s，扩频增益：32 TDMA：载波频率：10.7MHz信码速率:16kb/s时隙数:2 移动创新实践平台参数：l MCU：P89V51l FPGA：EP1C3l DSP：TMS320V5402l RS232 COM接口l JTAG 实时调试接口4.3实验系统构成硬件部分 1、信源编译码模块 2、基带成形模块 3、IQ调制解调模块 4、码元再生模块 5、PSK载波恢复模块 6、MSK/GMSK非相干解调模块 7、CDMA发送模块 8、CDMA接收模块 9、信道模拟模块 10、信道编码及交织模块 11、信道译码及解交织模块 12、跳频通信模块 13、时分多址模块 14、GSM/GPRS工业手机模块 15、CDMA2000 1x工业手机模块 16、创新实践平台 (百变模块)软件部分1、移动通信综合控制、监测软件 2、通话信令分析软件 3、GPRS无线通信软件注：模块18为移动通信原理标配模块4.4实验项目及模块配置模块名称详见实验系统构成实验项目所需模块数字调制与解调技术四相移相键控（QPSK）调制及解调实验模块2、3、4、5交错四相移相键控（OQPSK）调制及解调实验模块2、3、4、5基带信号预成形技术实验模块2MSK调制及相干解调实验模块2、3、4、5GMSK调制及相干解调实验模块2、3、4、5MSK/GMSK非相干数字解调实验模块2、3、5、6矢量调制星座图实验模块2同步技术PSK信号载波恢复模块2、3、5NRZ码位同步提取实验模块2、3、4扩展频谱技术m序列产生及其特性实验模块3、7、8Gold序列产生及其特性实验模块3、7、8直接序列扩频实验模块3、7解扩实验模块3、7、8移动信道传播特性白噪声信道模拟实验模块2、3、9多径衰落信道模拟实验模块2、3、9慢衰落信道模拟实验模块2、3、9抗衰落技术卷积码编码及译码实验模块2、10、11块交织及解交织实验模块2、10、11通信系统实验GSM通信系统实验模块1、2、3、5、6、8、10、11CDMA扩频通信系统实验模块1、3、4、5、7、8跳频通信实验系统模块2、3、5、12TDMA（时分多址）移动通信模块2、3、4、13FH-CDMA（跳频码分多址）移动通信模块1、2、3、4、5、8、12、TD/FH（时分加跳频）混合多址移动通信模块2、3、4、5、12、13TD/DS（时分加直扩）混合多址移动通信模块1、3、4、5、7、8、12移动通信网络实验GSM/GPRS移动台主呼及被呼叫过程实验模块14，计算机GSM/GPRS移动台短消息发送及接收实验模块14，计算机AT命令控制功能实验模块14，计算机CDMA移动台主呼及被呼过程实验模块15，计算机CDMA移动台短消息发送接收实验模块15，计算机创新实践平台实验功能实验m序列特性研究模块16Gold序列特性研究模块16Walsh码特性研究模块16m序列扩频与解扩模块16/4DQPSK调制解调模块16、模块316QAM调制解调模块16、模块3创新开发实验m序列产生实验模块16、模块2Gold序列产生实验模块16、模块2CDMA扩频与解扩技术的实现模块16DBPSK基带信号预成形模块16、模块2QPSK基带信号预成形模块16、模块2OQPSK基