使用NI USRP和LabVIEW為無線通信實驗室設(shè)計動手實踐課程

"結(jié)合LabVIEW和NI USRP的軟硬件優(yōu)勢，學生可以創(chuàng)建整個通信系統(tǒng)信號鏈路中的各個功能模塊，并觀察各點的信號特征。"

– Dr. Sachin Katti, Stanford University

圖1: NI USRP

The Challenge:
除了理論授課和軟件仿真之外，在盡可能低的年級就引入動手實踐教學環(huán)節(jié)，在通信理論的入門課程中就為學生提供與真實射頻信號的交互實驗機會，激發(fā)學生的學習興趣。

The Solution:
使用NI USRP和LabVIEW軟件無線電教學平臺，使學生有機會在實驗室運用學習到的無線通信理論構(gòu)建“真實”的通信系統(tǒng)，并作為斯坦福大學電子工程系二年級本科生課程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)教學方法通常是理論學習和數(shù)學公式的推導(dǎo)。學生著重推導(dǎo)公式和軟件仿真。越來越多的講師已經(jīng)意識到，如果能夠提供一種實驗設(shè)備，學生就可以應(yīng)用學到的理論知識基于各種真實信號試驗，加深對理論的理解。但是，價格合理、操作簡便并且針對教學的實驗設(shè)備實在少而又少。

斯坦福大學聯(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課程中試驗了全新的動手實踐教學方法。Katti教授使用該教學方法向大學二年級學生介紹真實的通信信號。

創(chuàng)建完整的通信系統(tǒng)
Katti教授首先在2011春季學期的EE 49課程中試驗了動手實踐的教學方法。 通過LabVIEW和NI USRP的軟硬件結(jié)合，學生可以創(chuàng)建整個通信系統(tǒng)信號鏈路中的各個功能模塊，并觀察各點的信號特征。通過該方法，學生親身體驗并構(gòu)建了信道編碼、調(diào)制、定時恢復(fù)、隨機數(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)課項目，學生在USRP射頻發(fā)射機和射頻接收機之間創(chuàng)建完成了一個無線通信鏈接。學生們僅在學習了射頻和通信入門級課程之后，就能夠獨立地完成構(gòu)建通信系統(tǒng)的項目，實屬不易。

動手實驗使學生能夠親手操作NI USRP射頻收發(fā)機，頻率范圍從50 MHz 到2.2 GHz，實時帶寬達20 MHz。借助NI USRP和LabVIEW，學生可實時看到標準汽車安全鑰匙發(fā)送的簡單射頻 開關(guān)信號，以及850 MHz 的GSM移動手機信號。學生們還可通過實時分析頻譜找到FM發(fā)射站，甚至實現(xiàn)一個FM解調(diào)器來收聽FM廣播。在結(jié)課項目中，每個學生都設(shè)計了一個數(shù)據(jù)包收發(fā)機。收發(fā)機能夠成功接收并解碼一個數(shù)據(jù)包，并通過ACK信號完成通信握手。

每個實驗都鼓勵學生們動手實現(xiàn)通信系統(tǒng)的一個功能模塊。 例如，在第四個試驗中，學生學習了解調(diào)理論，并在兩個USRP構(gòu)建的空中無線鏈接上實現(xiàn)了基于BPSK（二進移相鍵控）調(diào)制方式的射頻接收機。 射頻收射機重復(fù)發(fā)送BPSK信息包，由學生負責解碼。每位學生在自己的計算機和NI USRP上開發(fā)接收機解調(diào)信號。在兩個星期的實驗室課程中，學生共接受到信道校正、BPSK符號解映射、報頭檢測方法、包解碼、CRC檢測、錯誤排除等動手實踐訓(xùn)練。 實驗室課程的安排使學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)建一個實際的無線鏈接，作為課程的結(jié)課項目。

該試驗課程得到了學生的一致認可，學生Michael Duarte對課程的反饋如下：

“把課堂上學到的知識應(yīng)用到實驗中真是太不可思議了，”Duarte說。 “學習之前我對USRP硬件并不熟悉，但是通過LabVIEW，我對儀器編程了如指掌。 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使斯坦福學生學得更容易，更有興趣。 LabVIEW軟件是信號處理以及與NI USRP硬件無縫交互的理想之選。學生可使用LabVIEW和NI USRP開發(fā)生成和處理射頻信號的通信算法。

教學和學習的新選擇
“我們的試驗課程是改革通信理論教學方法的一次全新嘗試，”Katti說。 “全美學校的電子工程和計算機系的招生都生源不足。這個現(xiàn)象的原因之一就是我們沒能為學生提供相關(guān)的動手實踐體驗，激發(fā)學生的學習興趣。NI的解決方案恰好是對癥的一劑。”

課程評價系統(tǒng)收到的學生反饋證明了學生在EE 49課程上都充分的投入，收獲很多。  “這次課程收到的評價太棒了，”Katti說。 “學生們給出的分數(shù)是4.94/5.0，這大概是斯坦福大學工程學院最受歡迎的一門課了。”

學生們對該課程的反響很好，評價摘選如下：

“這是我上過最好的電子工程課。”

“很好的新課程……實驗室動手課程有助于理解理論和增強動手能力。 我會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，而且還可以使用實驗室超酷的硬件設(shè)備。”

因為課程試驗取得了成功，Katti教授計劃在秋季學期將NI USRP和LabVIEW平臺的使用擴展到40名學生，20個實驗臺的規(guī)模。 Katti認為這類課程為學生以后學習信號處理和通信理論課程打下一個良好的基礎(chǔ)。 該教學方案也適用于其他入門類信號處理課程，例如，信息理論、信號和系統(tǒng)。 另外，該平臺可根據(jù)學生的學習進度和關(guān)心的研究方向進行調(diào)節(jié)和擴展。

LabVIEW和NI USRP為通信實驗教學提供了理念的軟件無線電教學平臺，可有效地提高學生在通信職業(yè)領(lǐng)域的競爭力。Katti博士愿意將課件和其他大學分享，幫助更多的學生通過動手實驗學習無線通信的理論知識，激發(fā)學習興趣。