使用NI USRP和LabVIEW為無線通信實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)動(dòng)手實(shí)

結(jié)合LabVIEW和NI USRP的軟硬件優(yōu)勢(shì)，學(xué)生可以創(chuàng)建整個(gè)通信系統(tǒng)信號(hào)鏈路中的各個(gè)功能模塊，并觀察各點(diǎn)的信號(hào)特征。

– Dr. Sachin Katti, Stanford University

圖1: NI USRP

The Challenge:
除了理論授課和軟件仿真之外，在盡可能低的年級(jí)就引入動(dòng)手實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在通信理論的入門課程中就為學(xué)生提供與真實(shí)射頻信號(hào)的交互實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

The Solution:
使用NI USRP和LabVIEW軟件無線電教學(xué)平臺(tái)，使學(xué)生有機(jī)會(huì)在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用學(xué)習(xí)到的無線通信理論構(gòu)建“真實(shí)”的通信系統(tǒng)，并作為斯坦福大學(xué)電子工程系二年級(jí)本科生課程EE 49搭建聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的重要內(nèi)容。

Author(s):
Dr. Sachin Katti - Stanford University

射頻和通信課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法通常是理論學(xué)習(xí)和數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)。學(xué)生著重推導(dǎo)公式和軟件仿真。越來越多的講師已經(jīng)意識(shí)到，如果能夠提供一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生就可以應(yīng)用學(xué)到的理論知識(shí)基于各種真實(shí)信號(hào)試驗(yàn)，加深對(duì)理論的理解。但是，價(jià)格合理、操作簡(jiǎn)便并且針對(duì)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)在少而又少。

斯坦福大學(xué)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組(SNSG)Sachin Katti教授使用用LabVIEW和NI USRP，在創(chuàng)建聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)EE 49課程中試驗(yàn)了全新的動(dòng)手實(shí)踐教學(xué)方法。Katti教授使用該教學(xué)方法向大學(xué)二年級(jí)學(xué)生介紹真實(shí)的通信信號(hào)。

創(chuàng)建完整的通信系統(tǒng)
Katti教授首先在2011春季學(xué)期的EE 49課程中試驗(yàn)了動(dòng)手實(shí)踐的教學(xué)方法。 通過LabVIEW和NI USRP的軟硬件結(jié)合，學(xué)生可以創(chuàng)建整個(gè)通信系統(tǒng)信號(hào)鏈路中的各個(gè)功能模塊，并觀察各點(diǎn)的信號(hào)特征。通過該方法，學(xué)生親身體驗(yàn)并構(gòu)建了信道編碼、調(diào)制、定時(shí)恢復(fù)、隨機(jī)數(shù)生成等現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中常見的功能模塊。最后，作為結(jié)課項(xiàng)目，學(xué)生在USRP射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)之間創(chuàng)建完成了一個(gè)無線通信鏈接。學(xué)生們僅在學(xué)習(xí)了射頻和通信入門級(jí)課程之后，就能夠獨(dú)立地完成構(gòu)建通信系統(tǒng)的項(xiàng)目，實(shí)屬不易。

動(dòng)手實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能夠親手操作NI USRP射頻收發(fā)機(jī)，頻率范圍從50 MHz 到2.2 GHz，實(shí)時(shí)帶寬達(dá)20 MHz。借助NI USRP和LabVIEW，學(xué)生可實(shí)時(shí)看到標(biāo)準(zhǔn)汽車安全鑰匙發(fā)送的簡(jiǎn)單射頻 開關(guān)信號(hào)，以及850 MHz 的GSM移動(dòng)手機(jī)信號(hào)。學(xué)生們還可通過實(shí)時(shí)分析頻譜找到FM發(fā)射站，甚至實(shí)現(xiàn)一個(gè)FM解調(diào)器來收聽FM廣播。在結(jié)課項(xiàng)目中，每個(gè)學(xué)生都設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)包收發(fā)機(jī)。收發(fā)機(jī)能夠成功接收并解碼一個(gè)數(shù)據(jù)包，并通過ACK信號(hào)完成通信握手。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)都鼓勵(lì)學(xué)生們動(dòng)手實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的一個(gè)功能模塊。 例如，在第四個(gè)試驗(yàn)中，學(xué)生學(xué)習(xí)了解調(diào)理論，并在兩個(gè)USRP構(gòu)建的空中無線鏈接上實(shí)現(xiàn)了基于BPSK（二進(jìn)移相鍵控）調(diào)制方式的射頻接收機(jī)。 射頻收射機(jī)重復(fù)發(fā)送BPSK信息包，由學(xué)生負(fù)責(zé)解碼。每位學(xué)生在自己的計(jì)算機(jī)和NI USRP上開發(fā)接收機(jī)解調(diào)信號(hào)。在兩個(gè)星期的實(shí)驗(yàn)室課程中，學(xué)生共接受到信道校正、BPSK符號(hào)解映射、報(bào)頭檢測(cè)方法、包解碼、CRC檢測(cè)、錯(cuò)誤排除等動(dòng)手實(shí)踐訓(xùn)練。 實(shí)驗(yàn)室課程的安排使學(xué)生最終還可以將之前課程中開發(fā)的代碼整合起來用于創(chuàng)建一個(gè)實(shí)際的無線鏈接，作為課程的結(jié)課項(xiàng)目。

該試驗(yàn)課程得到了學(xué)生的一致認(rèn)可，學(xué)生Michael Duarte對(duì)課程的反饋如下：

“把課堂上學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中真是太不可思議了，”Duarte說。 “學(xué)習(xí)之前我對(duì)USRP硬件并不熟悉，但是通過LabVIEW，我對(duì)儀器編程了如指掌。 LabVIEW本身很好用。 使用LabVIEW編程和調(diào)試程序都非常簡(jiǎn)單。 總的來說，我在斯坦福兩年，這是我最喜歡的一門課程。”

LabVIEW和NI USRP使斯坦福學(xué)生學(xué)得更容易，更有興趣。 LabVIEW軟件是信號(hào)處理以及與NI USRP硬件無縫交互的理想之選。學(xué)生可使用LabVIEW和NI USRP開發(fā)生成和處理射頻信號(hào)的通信算法。

教學(xué)和學(xué)習(xí)的新選擇
“我們的試驗(yàn)課程是改革通信理論教學(xué)方法的一次全新嘗試，”Katti說。 “全美學(xué)校的電子工程和計(jì)算機(jī)系的招生都生源不足。這個(gè)現(xiàn)象的原因之一就是我們沒能為學(xué)生提供相關(guān)的動(dòng)手實(shí)踐體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。NI的解決方案恰好是對(duì)癥的一劑。”

課程評(píng)價(jià)系統(tǒng)收到的學(xué)生反饋?zhàn)C明了學(xué)生在EE 49課程上都充分的投入，收獲很多。 “這次課程收到的評(píng)價(jià)太棒了，”Katti說。 “學(xué)生們給出的分?jǐn)?shù)是4.94/5.0，這大概是斯坦福大學(xué)工程學(xué)院最受歡迎的一門課了。”

學(xué)生們對(duì)該課程的反響很好，評(píng)價(jià)摘選如下：

“這是我上過最好的電子工程課。”

“很好的新課程……實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手課程有助于理解理論和增強(qiáng)動(dòng)手能力。 我會(huì)向我所有的電子工程系的朋友推薦這門課。”

“太棒了！ 我很喜歡這門課，而且還可以使用實(shí)驗(yàn)室超酷的硬件設(shè)備。”

因?yàn)檎n程試驗(yàn)取得了成功，Katti教授計(jì)劃在秋季學(xué)期將NI USRP和LabVIEW平臺(tái)的使用擴(kuò)展到40名學(xué)生，20個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的規(guī)模。 Katti認(rèn)為這類課程為學(xué)生以后學(xué)習(xí)信號(hào)處理和通信理論課程打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。 該教學(xué)方案也適用于其他入門類信號(hào)處理課程，例如，信息理論、信號(hào)和系統(tǒng)。 另外，該平臺(tái)可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和關(guān)心的研究方向進(jìn)行調(diào)節(jié)和擴(kuò)展。

LabVIEW和NI USRP為通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了理念的軟件無線電教學(xué)平臺(tái)，可有效地提高學(xué)生在通信職業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。Katti博士愿意將課件和其他大學(xué)分享，幫助更多的學(xué)生通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)無線通信的理論知識(shí)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。