基于GUI的可視化物理層硬件性能測(cè)試方法研究

寇辰光

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0 引言

在新科技迅猛發(fā)展浪潮的沖擊下,推動(dòng)著包括衛(wèi)星通信、光纖通信等在內(nèi)的現(xiàn)代通信技術(shù)不斷發(fā)展[1-3]。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的進(jìn)步,使得信息傳輸技術(shù)的重要作用逐漸凸顯, 同時(shí)對(duì)物理層信息的傳輸質(zhì)量和效率提出了更加苛刻的要求[4]。物理層作為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的最底層,為設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信提供了傳輸媒體及互聯(lián)設(shè)備,為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境[5]。因此,物理層技術(shù)在現(xiàn)代通信的發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,可以為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供強(qiáng)有力的保障。

1 背景與意義

物理層是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的最底層,為現(xiàn)代通信技術(shù)提供了一個(gè)可靠的傳輸介質(zhì),以確保數(shù)據(jù)能夠在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)可靠傳輸[6]。因此,物理層的硬件實(shí)現(xiàn),在現(xiàn)代通信中扮演著重要角色。物理層硬件性能直接決定著信號(hào)的傳輸質(zhì)量,硬件性能較差時(shí)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)解調(diào)性能下降,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致無法正常解調(diào)。因而,一個(gè)穩(wěn)定可靠的硬件是傳輸性能可靠保證的關(guān)鍵[7-8]。

在物理層的硬件設(shè)計(jì)中,其發(fā)射性能可依賴外接頻譜儀等標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行測(cè)量確認(rèn),但是硬件的接收性能往往沒有便捷的工具和方式來確認(rèn)。一般需要將硬件數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB工具,再通過編寫測(cè)試程序來分析硬件數(shù)據(jù),進(jìn)而判斷硬件性能。但是該方法需要掌握通信傳輸知識(shí)及流程才能合理設(shè)計(jì)測(cè)試程序,對(duì)于硬件工程師是一個(gè)挑戰(zhàn),因此一般需要信號(hào)傳輸人員或者專業(yè)的測(cè)試人員進(jìn)行程序調(diào)試及測(cè)試,這影響了測(cè)試周期和測(cè)試效率。

針對(duì)上述挑戰(zhàn),本文提出一種基于圖形用戶界面(GUI)的物理層硬件性能測(cè)試方法,通過GUI可視化界面加載硬件數(shù)據(jù),利用MATLAB在后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可視化分析信號(hào)質(zhì)量,以此來達(dá)到準(zhǔn)確判斷物理層硬件性能的目的。

2 基于GUI的可視化物理層硬件性能測(cè)試方法設(shè)計(jì)

2.1 基于GUI的物理層硬件性能測(cè)試可視化方法的設(shè)計(jì)思路

為了提高物理層硬件性能測(cè)試的效率和易操作性,本文提出的基于GUI的物理層硬件性能測(cè)試方法主要由數(shù)據(jù)加載、參數(shù)配置、信號(hào)頻譜的可視化、相位可視化、解調(diào)結(jié)果可視化5部分組成。具體而言,基于GUI的可視化物理層硬件性能測(cè)試方法的設(shè)計(jì)思路如下。

步驟一:數(shù)據(jù)加載。

設(shè)定待加載數(shù)據(jù)的并行路數(shù)m以及待加載數(shù)據(jù)的文件格式,完成硬件數(shù)據(jù)的加載,并在后臺(tái)將加載的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。

步驟二:參數(shù)配置。

配置信號(hào)參數(shù),包括符號(hào)速率Rs、模數(shù)轉(zhuǎn)換工作鐘clkAD、匹配濾波器的滾降系數(shù)α,根據(jù)并行路數(shù)m,計(jì)算采樣鐘fs和采樣倍數(shù)n:

fs=clkAD·m,n=fs/Rs

(1)

步驟三:可視化信號(hào)頻譜。

通過FFT運(yùn)算分析信號(hào)的頻域特征,設(shè)置中心頻點(diǎn)和頻寬,并將信號(hào)頻譜顯示在可視化界面中。

步驟四:可視化星座圖和誤差向量幅度。

根據(jù)步驟二配置的信號(hào)參數(shù),對(duì)加載的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波和定時(shí),得到定時(shí)后的數(shù)據(jù),并對(duì)定時(shí)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相點(diǎn)繪制和誤差向量幅度計(jì)算,將星座圖和誤差向量幅度呈現(xiàn)在可視化界面中。誤差向量幅度計(jì)算方式如下:

(2)

步驟五:可視化誤碼率曲線和解調(diào)損失。

對(duì)加載的數(shù)據(jù)施加不同信噪比的高斯白噪聲,根據(jù)步驟二配置的信號(hào)參數(shù)對(duì)加噪聲后的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波、定時(shí)、解調(diào)和誤碼比對(duì),得到誤碼率,然后將誤碼率的實(shí)測(cè)值與理論值做差以進(jìn)行對(duì)比,得到解調(diào)損失,并將誤碼率曲線和解調(diào)損失呈現(xiàn)在可視化界面中。

其中,誤碼比對(duì)所用的數(shù)據(jù)源生成多項(xiàng)式為:

g(x)=x19+x18+x17+x14+1

(3)

這里,初相位全為“1”。

至此,完成基于GUI的可視化物理層硬件性能測(cè)試的方案設(shè)計(jì)。

2.2 基于GUI的可視化物理層硬件性能測(cè)試方法的可行性分析

基于以上設(shè)計(jì)思路,分析得出本文所提基于GUI的可視化物理層硬件性能測(cè)試方法具有如下明顯優(yōu)勢(shì):

(1)該方法高度集成信號(hào)處理算法,降低了處理復(fù)雜度。

(2)該方法采用了GUI可視化的方式,界面操作后自動(dòng)化處理,較編寫測(cè)試程序的方法提高了可操作性。

(3)該方法性能穩(wěn)定可靠,界面簡單,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低,可移植性強(qiáng),具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

3 基于GUI的可視化物理層硬件性能測(cè)試方法的實(shí)例展示

如圖1—4所示,通過具體實(shí)例分別展示了基于GUI的可視化物理層硬件性能測(cè)試界面的實(shí)現(xiàn)方法和使用說明。

圖1 物理層硬件性能測(cè)試的初始化可視化界面

3.1 GUI界面的初始化狀態(tài)展示

圖1展示了本文所提出GUI界面的初始化狀態(tài),可以直觀清晰地看出,物理層硬件數(shù)據(jù)的不同參數(shù)配置。這些參數(shù)配置包括:并行路數(shù)設(shè)置1,文件格式采用.txt格式,完成硬件數(shù)據(jù)的加載及轉(zhuǎn)換;配置符號(hào)速率為12.5 Msps,AD工作鐘為100 MHz,匹配濾波器滾降系數(shù)為0.3?；谝陨蠀?shù)配置,鍵入待加載數(shù)據(jù)的并行路數(shù),選擇待加載數(shù)據(jù)的文件格式.txt,點(diǎn)擊可視化界面的加載按鈕,完成硬件數(shù)據(jù)的加載,并在后臺(tái)將加載的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)。

3.2 信號(hào)頻譜分析圖的可視化展示

圖2展示了可視化的信號(hào)頻譜分析,根據(jù)圖1加載得到的硬件數(shù)據(jù),對(duì)其進(jìn)行FFT運(yùn)算分析信號(hào)頻域特征,通過設(shè)置中心頻點(diǎn)為0 Hz和頻寬為25 MHz,可清晰明了地在左側(cè)窗口觀測(cè)信號(hào)的頻譜。

圖2 物理層硬件性能測(cè)試的信號(hào)頻譜分析可視化界面

3.3 相點(diǎn)分析結(jié)果界面的可視化展示

圖3展示了可視化的相點(diǎn)分析結(jié)果。通過點(diǎn)擊相點(diǎn)分析按鈕,即可對(duì)加載得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波和定時(shí),并對(duì)得到的定時(shí)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相點(diǎn)繪制和如式(2)的EVM計(jì)算,并將星座圖和EVM反饋值呈現(xiàn)在可視化界面中。因此,分析人員可直觀地根據(jù)星座圖特征和EVM反饋值分析信號(hào)質(zhì)量,以判斷硬件性能。

圖3 物理層硬件性能測(cè)試的相點(diǎn)分析可視化界面

3.4 解調(diào)性能結(jié)果界面的可視化展示

圖4給出了物理層硬件性能測(cè)試中的解調(diào)性能結(jié)果可視化顯示。本方法實(shí)現(xiàn)的軟件可對(duì)加載得到的數(shù)據(jù)施加不同信噪比的高斯白噪聲和參數(shù)配置,并對(duì)加噪聲后的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波、定時(shí)、解調(diào)和誤碼比對(duì),通過實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比,可得到解調(diào)損失,并將誤碼率曲線和解調(diào)損失呈現(xiàn)在可視化界面中,進(jìn)而使分析人員精確地判定硬件性能。

圖4 物理層硬件性能測(cè)試的解調(diào)性能結(jié)果可視化界面

4 結(jié)語

針對(duì)目前物理層硬件的接收性能不易觀測(cè)從而影響測(cè)試人員的測(cè)試周期和測(cè)試效率的問題,本文提出了一種有效的基于GUI的物理層硬件性能測(cè)試方法。通過GUI可視化界面加載硬件數(shù)據(jù),利用MATLAB在后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,可視化分析信號(hào)質(zhì)量,以此來達(dá)到準(zhǔn)確判斷硬件性能的目的。相對(duì)于傳統(tǒng)編寫代碼的測(cè)試方法,該方法具有用法簡單的特點(diǎn),高度集成信號(hào)處理算法,在簡化操作的同時(shí)解決了物理層硬件測(cè)試的問題;此外,還具有穩(wěn)定可靠、可操作性強(qiáng)、易于推廣等優(yōu)點(diǎn),特別適用于物理層硬件平臺(tái)的性能測(cè)試。