基于LabVIEW和USRP的通信原理虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

紀(jì)藝娟, 高鳳強(qiáng), 郭一晶, 季 磊, 郭宇婕

(1. 廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 福建 漳州 363105； 2. 廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 電子信息實(shí)驗(yàn)中心, 福建 漳州 363105)

通信原理是電子類相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程,對(duì)理論與實(shí)踐的結(jié)合要求較高。傳統(tǒng)的通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主,利用的是模塊化的實(shí)驗(yàn)箱。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備可支持的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本固定,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的可擴(kuò)展性較差。隨著Matlab和SystemVIEW等仿真軟件的引入,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的多樣性、設(shè)計(jì)性和學(xué)習(xí)效率得到了提升[1-3]。但是仿真環(huán)境的理想化以及虛擬與實(shí)際的差異,用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)不能很好地培養(yǎng)的學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力。筆者將虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法引入通信原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW和USRP、虛實(shí)結(jié)合的通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[4-6]。該平臺(tái)不僅實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的遠(yuǎn)程虛擬在線實(shí)驗(yàn),而且可進(jìn)行本地硬件設(shè)計(jì)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器,方便教師遠(yuǎn)程查看和指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體架構(gòu)

基于LabVIEW和USRP的通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)思想和CS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì),將平臺(tái)劃分為客戶端、服務(wù)器和本地硬件。客戶端根據(jù)用戶角色的不同,劃分成教師端和學(xué)生端。

學(xué)生可以通過學(xué)生端進(jìn)行虛擬仿真通信實(shí)驗(yàn)和硬件調(diào)試,可以自定義實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和遠(yuǎn)程上傳實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；教師可以通過教師端發(fā)布實(shí)驗(yàn)要求、添加參考資料、查看學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的情況；師生可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互動(dòng)。服務(wù)器具有平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能和遠(yuǎn)程訪問的接口。平臺(tái)數(shù)據(jù)包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、用戶身份信息等。客戶端和服務(wù)器端通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信,從而可以進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí),突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)在空間和時(shí)間上的限制。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 LabVIEW和USRP的概述

虛擬儀器是基于計(jì)算機(jī)的儀器,以計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托,實(shí)現(xiàn)各種儀器的功能。LabVIEW是目前廣泛應(yīng)用的創(chuàng)建虛擬儀器的工具[7-8],采用圖形化的編程語言,具有多種不同的通信接口和功能豐富的庫函數(shù),可以簡單地配置和操作外部輸入輸出設(shè)備,方便用戶進(jìn)行虛擬儀器設(shè)計(jì)的快速開發(fā)設(shè)計(jì)[9]。

USRP(universal software radio peripheral)是NI公司開發(fā)的專為射頻通信物理層教學(xué)定制的設(shè)備。USRP帶有靈活的上變頻轉(zhuǎn)換器(DDC)和下變頻轉(zhuǎn)換器(DUC),可與高速A/D、D/A轉(zhuǎn)換器相匹配,用作射頻信號(hào)的收發(fā)[10-11]。其中NI-USRP-2900是一款采用全雙工運(yùn)行的可調(diào)諧RF收發(fā)器,可調(diào)中心頻率為70 MHz～6 GHz,可應(yīng)用于白色空間、廣播FM、陸地移動(dòng)、ISM或GPS等方面的通信課程教學(xué)。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì),根據(jù)功能需求劃分出不同功能模塊,包括用戶模塊、實(shí)驗(yàn)?zāi)K、數(shù)據(jù)保存模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、數(shù)據(jù)查看模塊和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊等,如圖1所示。根據(jù)角色權(quán)限的不同,學(xué)生端具有用戶模塊、實(shí)驗(yàn)?zāi)K、數(shù)據(jù)保存模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ堋＝處煻司哂杏脩裟K、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)查看和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等功能。

圖1 通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能模塊圖

用戶模塊包含用戶注冊(cè)和用戶登錄兩部分。注冊(cè)模塊是將用戶名、密碼、登錄類型以及系統(tǒng)時(shí)間通過數(shù)組寫入指定路徑的TDMS文件中。登錄模塊通過TDMS的打開和讀取,結(jié)合數(shù)組子集、索引數(shù)組等控件,提取指定目錄下的用戶注冊(cè)信息。當(dāng)用戶名、密碼和登錄類型完全匹配時(shí)即成功登錄。

實(shí)驗(yàn)?zāi)K是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主體,設(shè)有虛擬仿真和硬件調(diào)試兩大類實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)的前面板中會(huì)顯示實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)框圖和實(shí)驗(yàn)要求。學(xué)生閱讀實(shí)驗(yàn)要求并理解實(shí)驗(yàn)原理后,可在程序框圖中進(jìn)行設(shè)計(jì)編程。前面板中還設(shè)有數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)和波形顯示的控件,方便實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測(cè)試和觀察。

數(shù)據(jù)保存模塊的功能是存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像。本系統(tǒng)采用可以滿足多數(shù)場(chǎng)合的文件記錄方法。LabVIEW支持多種數(shù)據(jù)格式,如文本文件、數(shù)據(jù)記錄文件和TDMS文件等[12]。通過觸發(fā)事件結(jié)構(gòu),利用TDM流函數(shù)子選板控件可完成寫TDMS文件的過程。

網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的功能是實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器數(shù)據(jù)共享。LabVIEW虛擬儀器中自帶多種具有網(wǎng)絡(luò)通信功能的函數(shù),如遠(yuǎn)程桌面訪問、共享變量、DataSocket技術(shù)等[12-13]。本系統(tǒng)中采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸,用戶可以直接調(diào)用已發(fā)布的TCP VI和相關(guān)子VI完成開發(fā)過程。

數(shù)據(jù)查看模塊的功能是實(shí)現(xiàn)客戶端訪問服務(wù)器和查看數(shù)據(jù)。平臺(tái)通過調(diào)用LabVIEW的TDMS文件查看器,可直接讀取指定目錄下的TDMS文件,并可選擇參數(shù)名稱查看實(shí)驗(yàn)中的具體數(shù)據(jù)和圖像。

網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊的功能是實(shí)現(xiàn)客戶端遠(yuǎn)程訪問本地VI。在LabVIEW中可利用LabVIEW Application Builder便捷生成可執(zhí)行文件和安裝包,還能生成動(dòng)態(tài)鏈接庫、Web服務(wù)、源代碼發(fā)布等文件[12-14]。只需要在客戶端安裝LabVIEW Run-Time運(yùn)行引擎,用戶就可以在未安裝LabVIEW的環(huán)境中運(yùn)行程序。

2.3 平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

根據(jù)通信原理教學(xué)大綱的要求和虛實(shí)結(jié)合的原則,通信原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)被劃分為在線軟件仿真和本地硬件調(diào)試2個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。根據(jù)由易到難、由模塊到整體和模塊化設(shè)計(jì)思想,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K又分為若干子實(shí)驗(yàn)。平臺(tái)通過一系列的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練,幫助學(xué)生對(duì)通信原理的整體架構(gòu)有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)?zāi)K的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K圖

軟件仿真模塊包括基礎(chǔ)信號(hào)、調(diào)制解調(diào)、信號(hào)處理等實(shí)驗(yàn)和自定義實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)操作,掌握LabVIEW相關(guān)控件的用法,并驗(yàn)證信號(hào)處理類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和通信原理課程的基本實(shí)驗(yàn)。通過層次化、模塊化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和直觀動(dòng)態(tài)的界面顯示,輔助學(xué)生學(xué)好通信原理課程。

硬件調(diào)試模塊包括發(fā)送接收、信號(hào)傳輸、信道干擾實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)。該部分采用NI-USRP-2900作為軟件無線電硬件平臺(tái),結(jié)合LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的傳輸,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行編程設(shè)計(jì),傳輸真實(shí)有效的信號(hào),打破硬件實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)局限,使學(xué)生真正了解如何設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試一個(gè)完整的通信系統(tǒng)。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試驗(yàn)證

已搭建的通信原理虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以完成基于LabVIEW開發(fā)平臺(tái)和USRP無線電模塊的通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),滿足不同的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐要求。以幅度調(diào)制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和FM音樂收發(fā)硬件實(shí)驗(yàn)為例對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了功能測(cè)試。用戶首次登錄系統(tǒng)時(shí),需輸入賬號(hào)、密碼進(jìn)行注冊(cè),注冊(cè)成功后方可登錄,登錄信息與注冊(cè)信息相符即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面。

3.1 軟件仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試

軟件仿真實(shí)驗(yàn)集成在一個(gè)交互式界面中,分成原理區(qū)、控制區(qū)和顯示區(qū)。原理區(qū)用于放置實(shí)驗(yàn)原理框圖及實(shí)驗(yàn)要求；控制區(qū)可選擇不同的輸入?yún)?shù)；顯示區(qū)將實(shí)驗(yàn)過程中各節(jié)點(diǎn)的波形顯示出來,體現(xiàn)信號(hào)變化的完整過程。用戶可以通過觀察實(shí)驗(yàn)波形的變化進(jìn)行分析。

在進(jìn)行軟件仿真時(shí),用戶需要在系統(tǒng)界面選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)?zāi)K。在閱讀前面板中的實(shí)驗(yàn)要求并理解了實(shí)驗(yàn)原理后,可以切換到程序框圖。最后用戶需要在程序框圖中完成程序的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和調(diào)試。圖3所示為幅度調(diào)制實(shí)驗(yàn)程序框圖。用戶可以在前面板中查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并通過改變控制區(qū)的輸入?yún)?shù)觀察到信號(hào)的圖像變化。

圖3 幅度調(diào)制實(shí)驗(yàn)程序框圖

3.2 硬件調(diào)試仿真實(shí)驗(yàn)

硬件調(diào)試仿真實(shí)現(xiàn)了本地測(cè)試,客戶端電腦上連接有NI-USRP設(shè)備。USRP通過USB與主機(jī)相連,構(gòu)成一個(gè)通用的軟件無線電硬件平臺(tái)。本文以基于USRP的FM音樂收發(fā)程序?qū)嶒?yàn)為例進(jìn)行測(cè)試。

發(fā)送端主要完成聲音數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取和FM調(diào)制,并將調(diào)制好的信號(hào)發(fā)送到無線信道；接收端負(fù)責(zé)接收信號(hào)并進(jìn)行解調(diào),恢復(fù)基帶信號(hào),并通過電腦聲卡進(jìn)行播放。由于人耳能感受的音頻范圍是20 Hz～20 kHz,所以聲卡采樣頻率必須在40 kHz以上。該實(shí)驗(yàn)選用WAV無損音樂,采樣率為44.1 kHz。運(yùn)行程序后,在接收端收聽音樂,同時(shí)觀察聲音波形的變化。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示。通過該平臺(tái)的直觀展示,學(xué)生可以可明顯看到信道的干擾和信號(hào)恢復(fù)的滯后。

圖4 基于USRP的FM音樂收發(fā)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

3.3 數(shù)據(jù)保存和提交

用戶完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后,可根據(jù)需要將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存成VI文件或TDMS文件。若需上傳實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),則直接在客戶端點(diǎn)擊“保存”,在指定路徑中生成TDMS文件。若要保存成完整的VI文件,則選用LabVIEW工具欄的保存功能即可。

用戶完成數(shù)據(jù)保存后,可點(diǎn)擊“提交”按鈕跳轉(zhuǎn)到網(wǎng)絡(luò)傳輸頁面,完成作業(yè)的提交。在該界面中,學(xué)生用戶可選擇輸入IP地址鏈接教師端實(shí)時(shí)傳輸文件,也可以將文件上傳到服務(wù)器。

3.4 數(shù)據(jù)查看

教師用戶可實(shí)時(shí)接收學(xué)生傳送的文件,或者訪問服務(wù)器進(jìn)行文件下載。在教師客戶端上的TDMS文件查看器打開相應(yīng)的文件,可查看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在TDMS文件查看器左側(cè)列表中選擇相應(yīng)的參數(shù)可讀取數(shù)據(jù)詳情。

4 結(jié)語

基于LabVIEW和USRP的通信原理虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái),不僅可實(shí)現(xiàn)典型的通信原理虛擬實(shí)驗(yàn),還可構(gòu)建實(shí)際的通信測(cè)試系統(tǒng)。該平臺(tái)給學(xué)生提供了豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,有效地提升了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力,加深了學(xué)生對(duì)通信原理知識(shí)的理解和應(yīng)用,并且解決了課堂時(shí)間有限、教師課后輔導(dǎo)難的問題,大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和實(shí)驗(yàn)資源利用率。 通過完善和改進(jìn),該平臺(tái)還可進(jìn)一步提升系統(tǒng)的并發(fā)性,提供更豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。