（太原理工大学信息工程学院实验中心，山西太原030024）
摘要：基于软件无线电平台的通信实验教学“新模式”，采用软硬件相结合，紧跟通信新技术发展趋势，有助于实验体系化、建立快速原型系统，并且也有利于在扎实掌握通信基本原理的原型设计基础上，进一步提高学生的创新能力，实现通信功能的灵活、实时配置以及跨专业跨平台的合作。因此，将该技术引入通信课程的实验教学，定能实现通信教学水平的跨越式发展。
关键词：通信与信息处理；软件无线电；原型设计
前言
在虚拟仪器系统中，软件成为整个仪器系统的关键，使用者可以通过修改软件的方法，方便地改变、增加仪器系统的参数和功能，所以有“软件即仪器”之说。
“通信原理”配套的教学实验内容中，比较注重通信系统原型设计，而非实际电路设计与制作。因此，鉴于当今的工程实际和课程本身的要求，将软件无线电技术应用于“通信原理”实验教学将是非常适合的。这样可以加深学生对通信理论的理解，方便实现原型设计向实际应用的过渡，提高学生的创新与工程实践能力，同时也为课程的未来发展提供广阔的空间。美国斯坦福大学的软件无线电平台的通信实验课程中，学生给出了高度评价，被评为有史以来最受欢迎的工程类课程。
1软件无线电教学平台
软件无线电技术是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑，突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性，强调以可编程的硬件作为通用平台，尽量地用可升级、可重配置的软件来实现各种无线电功能的设计新思路。其重要价值在于硬件无线电通信设备只是作为无线通信的基本平台，而且这个平台越简单越好，许多的通信功能则是由软件来实现，打破了有史以来设备的通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。它的基本思想就是使宽带模数变换器（A/D）及数模变换器（D/A） 尽可能地靠近射频天线，建立一个具有“A/D-DSP-D/A”模型的通用的、开放的硬件平台，在这个硬件平台上尽量利用软件技术来实现电台的各种功能模块。
随着软件无线电技术在工程实践中的应用越来越广泛，多家公司相继推出了基于软件无线电的开发平台和设备。我们选用了虚拟仪器行业龙头美国国家仪器公司（National Instruments）专为通信教学所开发的软件无线电教学平台，它是基于LabVIEW图形化设计语言和专为射频通信物理层教学定制的通用软件无线电外设（USＲP）硬件设备。USRP硬件设备带有灵活的射频上转换器和下转换器，与高速的数模和模数转换器相匹配，用作射频信号的收发。它作为发射器时可以接收主机的信号波形，采样率高达25M采样点每秒，将信号上变换到射频然后送到放大器发射到空中，USRP接收器则将载频下变换到复IQ基带信号，采样率为100MB/s，再进一步下变换到用户指定的速率，然后送到主机进行处理。
图形化编程语言LabVIEW设计方采用基于数据流的自然思维方式，也支持文本语言代码调用，还支持连接各种硬件。使用LabVIEW将软件仿真的通信系统无缝地融合到如NIUSRP等通用无线硬件平台上，构建“真实”的通信系统。
这种无线通信平台推动建立了软件无线电概念，不必过多考虑模拟前端和和射频电路设计问题就能够接触到实际的无线系统工程，从而更专注于通信原理算法的物理层设计和系统链路实现。
2采用软件无线电平台的通信实验教学
经过将近2个学期的不断探索尝试，我们将图像化设计语言LabVIEW和USRP软件无线电教学平台引入到了通信原理实验教学中。经过调研由于种种原因，在国内还没有规模化利用该模式开展“通信原理”的实验教学。我们结合通信原理理论教学的大纲要求，借鉴了美国斯坦福大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的实验教材和技术资料，编写了新的实验教程，力争追踪通信领域的技术前沿。希望通过该平台让学生更好地进行通信原理基本算法的原型设计以及系统级仿真验证，并且结合创新拓展项目，综合培养学生的实践能力和进一步激发学生的创新意识。
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根据通信原理教学大纲要求，在基本模块和系统设计实验部分中，模拟/数字调制解调（FM/AM/ASK/FSK/PSK/QAM等），同步信号提取，脉冲整形和匹配滤波，高斯白噪声信道，多径信道估计和均衡技术以及信道编解码等模块是建立通信系统的关键，对深入理解和掌握通信原理基本理论是必须的，依据课程进度，各个模块的设计是循序渐进的，以数字通信链路为例，从信源和信道模型设计开始，过渡到调制和解调、脉冲整形及匹配滤波以及最佳接收模块，然后到同步模块设计，信道估计和时域均衡及至信道编解码，如图1所示，可见。有些模块的验证要待后续模块设计好后才能进行，这样不利于前期模块的评估，我们采用了先将整个仿真系统提供给学生，各个模块对学生来说是透明的，只能看到端口连线而无法看到内部逻辑，将学生设计的模块逐步替代其中的透明模块，这样可以在单个模块设计完成后就放到整个链路中进行系统级仿真验证，有针对性的查找模块中的问题。最终，所有模块设计完成后就形成一个完整的通信系统。
由于软件无线电平台的发送和接收的射频前端是基于硬件设备，在实际的无线信道中传输，为了更有效的在此通信环境中运行所设计的通信链路，有必要先在仿真环境中进行算法验证，排除设计错误。因此，在具体设计步骤上分为如下两步：
（1）纯软件环境下的系统仿真验证。该步骤与用C或Matlab语言编程实现没有太大差别，然而为了能在下面的步骤中即在USRP实验平台上实现，要求学生在该步采用Labview图形化设计语言，为了进行系统的仿真验证要建立信道模型，根据不同的调试目的，可以将信道模拟为无噪信道或加性高斯噪声信道乃至至多径频偏信道等。
（2）在实际的无线通信链路中进行实验。在这一过程中，借助于硬件射频设备USRP，将经过第一步验证正确的模块放在相对真实的信道环境中运行，如图2所示，学生在实验过程中要求记录实验现象和最终的实验结果。
在该步骤中要考虑的问题较多，如硬件射频发送和接收设备的设置以及实际信道对接收信号的影响。
首先对于设备的配置主要是围绕天线和载波频率，采样率，一次发送和接收的包的长度、俘获时间，信号增益等。主要问题在于如何根据通信距离和发送环境相应的调整每个 USRP 的参数，如当通信距离较长时应适当增加发送和接收信号的增益；如果多人同时实验，应调整各自的载波频率避免相互影响，载波频率的设置需要根据不同型号USRP的不同的有限频带范围，以及所使用的天线的频率范围等。采样率和过采样系数的选择则是根据缓存空间大小和运算速度以及信道带宽进行折衷。
尽管相应调整硬件的配置参数可以对接收信号的质量有一定的改善，但信道环境对接收信号的影响仍然是相当大的，对接收信号通过眼图和星座图观察，可以发现信道所造成的失真，如用一台USRP自发自收的效果与用两台USRP分别发射和接收，可以发现后者的接收信号效果更差，星座图较为发散，眼图中眼睛较为闭合，通过调整信道参数降低SNR或添加多径信道模型，也有同样的效果，可见噪声和多径与频偏所带来信号失真在通常情况下是较为严重的，从而体现了同步检测，信道估计与均衡以及频偏矫正等模块的重要作用。因此，对于多个模块，尤其是在接收链路中，可以通过添加与去除所得到的不同接收效果体现出模块的作用。同时也可以通过采用不同的算法比较其优劣，如对于调制解调模块，可以比较BPSK 与QPSK或其他方式在有噪信道中的调制解调效果。
可见，通过对这些基本模块的可重构设计实验，学生加深了对基础原理的理解和应用体会。
对于能够很好完成以上基础实验的学生，安排了进一步的拓展实验，增强将所学的知识进行融汇贯通和实践创新的能力。这部分内容较为广泛，我们本着培养学生综合实践能力和提高创新意识的出发点，安排一些开放性的创新拓展实验。创新拓展实验不局限于通信原理的教学大纲要求，而是将通信原理、无线通信和音视频处理甚至电路和嵌入式系统设计等内容相结合，如调制方式可选择的综合调制解调系统；音视频编解码与远程传输相结合的无线媒体播放器，将音频信号或图片压缩发送和实时的接收解压播放或显示，学生可以绘制频谱图，直观的了解频域分布情况和时域信号；复杂信道编解码等。也可以是由学生自已提出一些与通信有关的题目，这些题目可能是这些学生正在进行的一些科研项目，实验室客观上也可以为他们提供一定的器材和技术支持。
3结语
基于软件无线电的虚拟仪器作为一种先进的实验仪器和全新的科学研究方法影响着各行各业，尤其在教育理念逐步改革，教育模式全面多元化的今天，虚拟仪器在实验教学上得到了有效的应用，并以其独特的优势成为今后实验教学改革的重要方向。我们将继续完善并研发模拟调制信号，数字调制信号等的生成、处理的虚拟仪器。以及可以进行眼图和星座图分析的虚拟设备（其中数字信号、模拟调制信号发生器已经初步完成），最终建立一个完整的通信专业虚拟实验室。
参考文献：
[1]韩声栋，蒋铃鸽，刘伟．通信原理[M]．北京：机械工业出版社，2008
[2]李晓峰，周宁，周亮．通信原理[M]．北京：清华大学出版社，2008
论文作者:罗华帼
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年11月下
论文发表时间:2016/9/22
标签：通信论文; 信道论文; 无线电论文; 模块论文; 软件论文; 信号论文; 原理论文; 《建筑建材装饰》2015年11月下论文;