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

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(lái)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(wú)線通信鏈接。學(xué)生們僅在學(xué)習(xí)了射頻和通信入門(mén)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(chē)安全鑰匙發(fā)送的簡(jiǎn)單射頻 開(kāi)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(guò)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(lái)收聽(tīng)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(guò)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(wú)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(kāi)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(kāi)發(fā)的代碼整合起來(lái)用于創(chuàng)建一個(gè)實(shí)際的無(wú)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(shuō)。 “學(xué)習(xí)之前我對(duì)USRP硬件并不熟悉，但是通過(guò)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(lái)說(shuō)，我在斯坦福兩年，這是我最喜歡的一門(mén)課程?！?