運用虛擬測試儀表技術深度革新信號解調實驗

何 維，胡安琪，李兆玉，張 毅

運用虛擬測試儀表技術深度革新信號解調實驗

何 維，胡安琪，李兆玉，張 毅

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）

針對在信號解調實驗中，商用設備封閉、實驗箱設備不穩定、傳統Matlab實驗偏重仿真與實際脫節的不足，借鑒虛擬測試儀器儀表的工程實現方法來革新傳統信號調制解調實驗內容，基于軟件無線電思想，設計出一套新的調制信號解調實驗體系。該體系將通信原理、信號與系統和數字信號處理課程的知識點有機聯系，綜合在一起。同時該體系實驗過程遵循工程實際，更具有現實和工程意義。

實踐教學；虛擬儀表；軟件無線電

在教育部的大力引導以及當前就業形勢的影響下，通信工程專業實踐教學環節的重要性愈發顯現出來。信號的調制解調是本科通信原理和數字信號處理課程研究的重點內容。信號調解是從接收信號中恢復原信號的重要過程，通過教學實踐可以讓學生直觀、詳細地了解接收信號的處理流程，并掌握信號解調原理[1-3]。

1 存在的問題

現階段信號解調實驗的教學主要是基于商用設備、實驗箱設備或Matlab仿真，這些教學手段存在一些問題。

1.1 商用設備的技術封閉性

商用設備可靠性高、性能穩定，但接口不開放，無法獲取調制解調原理中關鍵步驟點的數據，不適于學生動手實踐，主要用于展示或基本過程的講解。

1.2 實驗箱設備不穩定性

對于實驗箱設備，由于調制解調涉及高頻的射頻電路，元器件要求高，設計費用昂貴；若受限于費用，采用一般元器件，則無法保證穩定性和可靠性；實驗箱設備一般開放信號探測接口，即學生通過外接示波器可以觀察信號波形，但編程接口開放度很低，不能編程控制信號調制解調算法，學生的實際參與度很低。

1.3 Matlab仿真與實際工程不符

鑒于商業設備和實驗箱設備的缺陷，一個折中的解決方案是使用Matlab平臺進行仿真。

Matlab是一個穩定開放的仿真驗證平臺，從一定程度上很好地解決了商業設備的封閉性缺陷和實驗箱設備不穩定、半開放的缺陷，但目前國內外基于Matlab平臺的調制解調實驗都是“仿真”性質的，而非工程或接近工程處理方法。這種基于仿真性質的調制解調實驗的大致流程是：首先調用Matlab的隨機函數，生成發送數字序列，即調制信號，用密集等間隔的正弦信號采樣仿真載波信號，用調制信號調制載波，得到已調信號，再乘以載波信號，即恢復得到基帶信號，恢復出發送信號[4]。這個過程和通信原理中的信號調制解調過程大體一致，對學生深入理解理論知識起到一定的作用。但這種仿真實驗也存在缺陷，這些缺陷體現在以下幾個方面：

（1）仿真數據的特性不能客觀反映真實數據的特性。比如信號中出現連續的“1”或“–1”的時候，仿真信號峰值較為平坦。而真實信號由于電路的“慣性”特性，峰值非常尖銳，這對信號解調過程中的時間同步處理算法提出了非常高的要求，因為這種情況下信號的最佳采樣點在“半峰”附近，而不是在“峰頂”。

（2）仿真過程不能客觀反映真實傳輸信道的特性。真實信道中的多徑效應（信道的頻率選擇性衰落特性）、多普勒效應（信道的時間選擇性衰落特性）、陰影效應以及各種窄/寬帶干擾等傳輸特性很難通過Matlab仿真出來，信號經過擁有這樣特性的信道之后的效果也很難通過Matlab準確仿真出來[5]。

（3）仿真調制解調過程和真實調制解調過程存在巨大差異。硬件的接收機需要硬件電路來實現濾波器、載波同步、相位同步、符號時間（定時）同步等關鍵功能。基于軟件無線電的接收機對硬件的載波同步、相位同步要求非常低，對符號時間（定時）同步沒有要求，只要求精準（時間間隔嚴格準確）的采樣時鐘即可，但在軟件算法處理階段，重采樣、數字濾波器、載波同步、相位同步、符號時間（定時）同步等都是必須精確處理的，否則無法準確恢復出發送信號。

2 基于虛擬測試儀表技術對信號解調的實現

虛擬測試儀器儀表運用軟件無線電的思想來實現信號的解調（處理），通過計算機屏幕繪圖來虛擬展示信號解調（處理）的結果。本文的內容主要借鑒虛擬測試儀器儀表的工程實現方法來革新傳統信號調制解調實驗內容。

2.1 軟件無線電平臺前端處理流程

基于軟件無線電架構的數字信號解調系統中，數字信號處理盡可能靠近接收射頻信號的最前端。圖1為基于軟件無線電平臺的信號解調前端硬件處理流程。模擬射頻信號（X(t)）經過下變頻（Down Convert）得到模擬中頻信號（IF），接著對模擬中頻信號進行帶通采樣（ADC）得到中頻數字信號，然后，對中頻數字信號進行數字下變頻（DDC），得到準基帶（或近似基帶）的I/Q兩路的采樣點數據（Samples）[6]。

圖1 軟件無線電平臺前端硬件處理流程

2.2 軟件無線電平臺后端處理流程

軟件無線電平臺前端得到基帶IQ兩路采樣數據后，通過USB/Ethernet/SPI等高速接口（data interface）把數據傳遞給后端全數字信號處理平臺進行處理。在本文中，為了減少硬件開發維護的成本與工作量，省去軟件無線電平臺前端硬件的開銷，把基帶IQ兩路采樣數據直接存為CSV文件格式，如此一來，后端全數字化信號處理平臺軟件通過操作系統標準的文件接口（或Matlab文件接口）即可輕松獲取基帶數據，進行信號解調處理。接下來，針對不同信號或系統類別，分別介紹后端信號解調（實驗）的基本流程與步驟。

2.2.1 單載波調制信號

對于單載波調制信號（比如PSK、FSK、MSK、QAM）的解調，總結出圖2所示的流程圖。通過數據接口讀入準基帶信號的IQ兩路采樣數據后，進行重采樣處理。加上重采樣處理算法后，可以降低軟件無線電平臺前端硬件的設計要求，即硬件采樣時鐘頻率可以不嚴格遵循特定系統調制信號的采樣頻率倍數要求，而是通過重采樣算法把非標準采樣率變換到特定調制信號解調需要的標準采樣率或每符號整數個采樣點的要求。然后通過匹配測量數字濾波器，構建完整的波形成型函數，比如發端信號通過根號升余弦函數濾波，接收端必須通過同樣的根號升余弦函數濾波，如此構造一個升余弦濾波的完整波形成型函數效果[7]。時間修復或定時修復算法的作用是回復信號的符號定時，此算法模塊使得軟件無線電平臺前端硬件無須提供硬件相關的信號符號定時模塊，極大地簡化了軟件無線電平臺前端硬件的設計要求。載波頻率偏移檢測和消除模塊的主要功能是檢測準基帶信號中的殘余頻偏。由于多普勒效應和本地晶振頻率不精確等因素，造成本地載波頻率和實際接收到的射頻信號頻率之間存在一定偏差，造成射頻解調后得到的基帶信號中有殘余的頻率成分存在，造成基帶信號星座圖旋轉，必須予以糾正[8]。糾正頻偏之后的信號再消除相位偏移的影響，即恢復出準確的基帶信號，根據不同調制類型，送入相應的解調判決算法模塊，既可恢復出原始比特流，也可送入功率譜分析等算法模塊得到相應測試參數。

2.2.2 TD-LTE下行信號

對于TD-LTE下行信號的解調，總結出如圖3所示的信號解調流程圖。

2.2.3 WLAN802.11a下行信號

對于WLAN802.11a下行信號的解調，總結出如圖4所示的信號解調流程圖。

圖2 單載波信號解調流程圖

圖3 TD-LTE下行信號解調流程圖

圖4 WLAN OFDM信號解調流程圖

3 基于虛擬測試儀表技術的新體系的優越性

上述體系是基于虛擬測試儀器儀表技術（即軟件無線電技術），運用Matlab平臺和VS2010 C/C++平臺設計并實現各類調制信號的全數字化（純軟件化）的解調算法實驗。從工程實際中的信號解調算法和流程入手，設計一般層次的基于Matlab（非仿真）的信號解調實驗，設計較高層次的基于VS2010 C/C++平臺的進階調制信號解調實驗，以適應不用層次的實驗。基于軟件無線電的思想實現信號的解調（處理），并通過計算機屏幕繪圖來虛擬展示信號解調（處理）的結果的實驗體系，具有較好的開放性，方便學生實際參與編程控制信號調制解調算法，并增進對相關知識的了解。它解決了以下問題：

（1）提供大量實測調制信號數據。項目取得大量單載波及多載波調制信號的實測數據，還有實驗中心TD-LTE基站、WLAN接入點的實測數據以及自身通過安捷倫等信號發生器采集的調制數據。通過以上3個主要渠道，就可以提供數十種調制信號的實測數據。

（2）新實驗不依賴特殊硬件平臺。以上實測數據可以存儲為IQ兩路采樣點的文件形式，解調算法可以使用Matlab語言或者C/C++等編程語言實現，完全克服了實驗設備硬件不穩定會對實驗產生不利影響的缺陷，使學生可以專注調制信號解調算法的學習和分析，著重掌握調制解調的主要原理。

（3）解調算法或過程遵循工程實際。本文的解調算法或過程，經過國家科技部重大專項“混合/異構網絡架構下數字調制信號測試與分析技術研究”的嚴格工程驗證，而非簡單的仿真或模擬，這樣的算法設計實驗更具有現實和工程意義。

4 主要特色

（1）全數字化解調方案設計。該技術是基于軟件無線電思想，設計了全數字化的解調方案和解調流程，方便Matlab或C/C++編程實現。

（2） 全軟件化解調方案實現。利用Matlab或VC++平臺在普通PC機上即可編程實現解調算法，免除了硬件平臺的設備成本，降低維護工作量。

（3）完備的調制信號數據。該技術可以采集完備的（各類）調制信號數據，這些數據通過真實軟件無線平臺設備接收處理，保留了信號、信道和儀器的真實特性。

（4）實驗的綜合性。實驗將通信原理、信號與系統和數字信號處理課程的知識點有機聯系、綜合在一起，加強學生對獨立知識點的理解，并提高學生將這些知識點融會貫通的能力。

5 結語

本文基于軟件無線電思想設計出了一套調制信號解調實驗體系，主要借鑒虛擬測試儀器儀表的工程實現方法來革新傳統信號調制解調實驗內容，減少了硬件開發維護的成本與工作量，適合學生動手實踐，既能使學生編程算法提高實踐環節的參與度，又能加強學生對信號實際調制解調過程整體架構的掌握。

[1] 吳莉莉，趙安慶，邢玉清，等.電子信息類專業創新應用型人才培養模式的研究[J].中國電力教育，2011(11): 94–95.

[2] 李松松，郭顯久，曹立杰，等.電子信息工程專業人才培養模式的探索與實踐[J]. 中國電力教育，2011(22): 51–52.

[3] 馬冬梅，朱正偉.通信原理實驗教學的改革與探索[J].實驗室科學，2010, 13(4): 17–19.

[4] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業出版社，2012.

[5] 楊宏，孔耀暉，茹晨光，等.基于GNU Radio和USRP的無線通信系統建模仿真[J]. 現代電子技術，2013(18): 73–77.

[6] 公禮.全數字接收機理論與技術[M].北京：科學出版社，2005.

[7] 劉晉東.基于FPGA的軟件無線電平臺硬件鏈路的研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2014.

[8] 張群，羅迎，何勁.雷達目標微多普勒效應研究概述[J]. 空軍工程大學學報（自然科學版），2011(2): 22–26.

Deep innovation of signal demodulation experiment with virtual testing instrument technology

HE Wei, HU Anqi, LI Zhaoyu, ZHANG Yi

(College of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

In view of the shortcomings of the closed commercial equipment, unstable laboratory box equipment and disconnection between simulation and practice in traditional Matlab experiments, a new set of modulation and demodulation signals is designed on the basis of the idea of software radio and in reference to the innovation of traditional signal modulation and demodulation experiment content by using engineering realization method of virtual test instruments. This system integrates communication principles, signal and knowledge points of system and digital signal processing courses. At the same time, the experimental process of the system follows the engineering practice, and has more practical and engineering significance.

practical teaching; virtual instruments; software radio

TN98

A

1002-4956(2019)11-0230-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.056

2019-03-11

重慶郵電大學校級教改項目（XJG1703）

何維（1980—），男，重慶，碩士，講師，主要從事移動通信、通信軟件等領域的研究開發。E-mail: 380624653@qq.com