使用NI USRP和LabVIEW為無(wú)線(xiàn)通信實(shí)驗室設計動(dòng)手實(shí)踐課程

射頻和通信課程的傳統教學(xué)方法通常是理論學(xué)習和數學(xué)公式的推導。學(xué)生著(zhù)重推導公式和軟件仿真。越來(lái)越多的講師已經(jīng)意識到，如果能夠提供一種實(shí)驗設備，學(xué)生就可以應用學(xué)到的理論知識基于各種真實(shí)信號試驗，加深對理論的理解。但是，價(jià)格合理、操作簡(jiǎn)便并且針對教學(xué)的實(shí)驗設備實(shí)在少而又少。

斯坦福大學(xué)聯(lián)網(wǎng)系統組(SNSG)Sachin Katti教授使用用LabVIEW和NI USRP，在創(chuàng )建聯(lián)網(wǎng)通信系統EE 49課程中試驗了全新的動(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)二年級學(xué)生介紹真實(shí)的通信信號。

創(chuàng )建完整的通信系統

Katti教授首先在2011春季學(xué)期的EE 49課程中試驗了動(dòng)手實(shí)踐的教學(xué)方法。 通過(guò)LabVIEW和NI USRP的軟硬件結合，學(xué)生可以創(chuàng )建整個(gè)通信系統信號鏈路中的各個(gè)功能模塊，并觀(guān)察各點(diǎn)的信號特征。通過(guò)該方法，學(xué)生親身體驗并構建了信道編碼、調制、定時(shí)恢復、隨機數生成等現代數字通信系統中常見(jiàn)的功能模塊。最后，作為結課項目，學(xué)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(gè)無(wú)線(xiàn)通信鏈接。學(xué)生們僅在學(xué)習了射頻和通信入門(mén)級課程之后，就能夠獨立地完成構建通信系統的項目，實(shí)屬不易。

動(dòng)手實(shí)驗使學(xué)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(shí)時(shí)帶寬達20 MHz。借助NI USRP和LabVIEW，學(xué)生可實(shí)時(shí)看到標準汽車(chē)安全鑰匙發(fā)送的簡(jiǎn)單射頻 開(kāi)關(guān)信號，以及850 MHz 的GSM移動(dòng)手機信號。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)現一個(gè)FM解調器來(lái)收聽(tīng)FM廣播。在結課項目中，每個(gè)學(xué)生都設計了一個(gè)數據包收發(fā)機。收發(fā)機能夠成功接收并解碼一個(gè)數據包，并通過(guò)ACK信號完成通信握手。

每個(gè)實(shí)驗都鼓勵學(xué)生們動(dòng)手實(shí)現通信系統的一個(gè)功能模塊。 例如，在第四個(gè)試驗中，學(xué)生學(xué)習了解調理論，并在兩個(gè)USRP構建的空中無(wú)線(xiàn)鏈接上實(shí)現了基于BPSK（二進(jìn)移相鍵控）調制方式的射頻接收機。 射頻收射機重復發(fā)送BPSK信息包，由學(xué)生負責解碼。每位學(xué)生在自己的計算機和NI USRP上開(kāi)發(fā)接收機解調信號。在兩個(gè)星期的實(shí)驗室課程中，學(xué)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(dòng)手實(shí)踐訓練。 實(shí)驗室課程的安排使學(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(xiàn)鏈接，作為課程的結課項目。

該試驗課程得到了學(xué)生的一致認可，學(xué)生Michael Duarte對課程的反饋如下：

“把課堂上學(xué)到的知識應用到實(shí)驗中真是太不可思議了，”Duarte說(shuō)。 “學(xué)習之前我對USRP硬件并不熟悉，但是通過(guò)LabVIEW，我對儀器編程了如指掌。 LabVIEW本身很好用。 使用LabVIEW編程和調試程序都非常簡(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?！?