基于LabVIEW和USRP的通信原理虛實結合實驗平臺設計

紀藝娟, 高鳳強, 郭一晶, 季 磊, 郭宇婕

(1. 廈門大學嘉庚學院 信息科學與技術學院, 福建 漳州 363105； 2. 廈門大學嘉庚學院 電子信息實驗中心, 福建 漳州 363105)

通信原理是電子類相關專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程,對理論與實踐的結合要求較高。傳統(tǒng)的通信原理實驗教學多以驗證性實驗為主,利用的是模塊化的實驗箱。由于實驗設備可支持的實驗內容基本固定,實驗內容的可擴展性較差。隨著Matlab和SystemVIEW等仿真軟件的引入,實驗內容的多樣性、設計性和學習效率得到了提升[1-3]。但是仿真環(huán)境的理想化以及虛擬與實際的差異,用實驗箱進行實驗不能很好地培養(yǎng)的學生綜合設計能力和創(chuàng)新能力。筆者將虛實結合的教學方法引入通信原理課程的實驗教學中,設計了一種基于LabVIEW和USRP、虛實結合的通信原理實驗平臺[4-6]。該平臺不僅實現(xiàn)了學生的遠程虛擬在線實驗,而且可進行本地硬件設計測試,實驗結果還可以實時上傳至服務器,方便教師遠程查看和指導。

1 實驗平臺的整體架構

基于LabVIEW和USRP的通信原理實驗平臺采用模塊化設計思想和CS網絡架構設計,將平臺劃分為客戶端、服務器和本地硬件?？蛻舳烁鶕脩艚巧牟煌?劃分成教師端和學生端。

學生可以通過學生端進行虛擬仿真通信實驗和硬件調試,可以自定義實驗內容和遠程上傳實驗數據；教師可以通過教師端發(fā)布實驗要求、添加參考資料、查看學生完成實驗的情況；師生可以通過網絡進行互動。服務器具有平臺數據存儲的功能和遠程訪問的接口。平臺數據包括實驗內容、實驗數據、用戶身份信息等?？蛻舳撕头掌鞫送ㄟ^互聯(lián)網進行通信,從而可以進行遠程實驗學習,突破實驗教學在空間和時間上的限制。

2 實驗平臺的設計實現(xiàn)

2.1 LabVIEW和USRP的概述

虛擬儀器是基于計算機的儀器,以計算機硬件及操作系統(tǒng)為依托,實現(xiàn)各種儀器的功能。LabVIEW是目前廣泛應用的創(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,可以簡單地配置和操作外部輸入輸出設備,方便用戶進行虛擬儀器設計的快速開發(fā)設計[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定制的設備。USRP帶有靈活的上變頻轉換器(DDC)和下變頻轉換器(DUC),可與高速A/D、D/A轉換器相匹配,用作射頻信號的收發(fā)[10-11]。其中NI-USRP-2900是一款采用全雙工運行的可調諧RF收發(fā)器,可調中心頻率為70 MHz～6 GHz,可應用于白色空間、廣播FM、陸地移動、ISM或GPS等方面的通信課程教學。

2.2 實驗平臺的功能實現(xiàn)

平臺采用模塊化設計,根據功能需求劃分出不同功能模塊,包括用戶模塊、實驗模塊、數據保存模塊、網絡傳輸模塊、數據查看模塊和網絡發(fā)布模塊等,如圖1所示。根據角色權限的不同,學生端具有用戶模塊、實驗模塊、數據保存模塊和網絡傳輸等功能。教師端具有用戶模塊、網絡傳輸、數據查看和網絡發(fā)布等功能。

圖1 通信原理實驗平臺功能模塊圖

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

實驗模塊是實驗平臺的主體,設有虛擬仿真和硬件調試兩大類實驗。每個實驗的前面板中會顯示實驗原理、實驗框圖和實驗要求。學生閱讀實驗要求并理解實驗原理后,可在程序框圖中進行設計編程。前面板中還設有數據調節(jié)和波形顯示的控件,方便實驗結果的測試和觀察。

數據保存模塊的功能是存儲實驗數據和圖像。本系統(tǒng)采用可以滿足多數場合的文件記錄方法。LabVIEW支持多種數據格式,如文本文件、數據記錄文件和TDMS文件等[12]。通過觸發(fā)事件結構,利用TDM流函數子選板控件可完成寫TDMS文件的過程。

網絡傳輸模塊的功能是實現(xiàn)客戶端和服務器數據共享。LabVIEW虛擬儀器中自帶多種具有網絡通信功能的函數,如遠程桌面訪問、共享變量、DataSocket技術等[12-13]。本系統(tǒng)中采用TCP/IP網絡通信協(xié)議實現(xiàn)網絡傳輸,用戶可以直接調用已發(fā)布的TCP VI和相關子VI完成開發(fā)過程。

數據查看模塊的功能是實現(xiàn)客戶端訪問服務器和查看數據。平臺通過調用LabVIEW的TDMS文件查看器,可直接讀取指定目錄下的TDMS文件,并可選擇參數名稱查看實驗中的具體數據和圖像。

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

2.3 平臺的實驗模塊設計

根據通信原理教學大綱的要求和虛實結合的原則,通信原理實驗平臺被劃分為在線軟件仿真和本地硬件調試2個實驗模塊。根據由易到難、由模塊到整體和模塊化設計思想,兩個實驗模塊又分為若干子實驗。平臺通過一系列的實驗訓練,幫助學生對通信原理的整體架構有一個系統(tǒng)的認識。實驗模塊的架構如圖2所示。

圖2 通信原理實驗教學平臺的實驗模塊圖

軟件仿真模塊包括基礎信號、調制解調、信號處理等實驗和自定義實驗。通過實驗,讓學生熟悉實驗操作,掌握LabVIEW相關控件的用法,并驗證信號處理類基礎實驗和通信原理課程的基本實驗。通過層次化、模塊化的實驗設計和直觀動態(tài)的界面顯示,輔助學生學好通信原理課程。

硬件調試模塊包括發(fā)送接收、信號傳輸、信道干擾實驗和應用類實驗。該部分采用NI-USRP-2900作為軟件無線電硬件平臺,結合LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)無線信號的傳輸,引導學生進行編程設計,傳輸真實有效的信號,打破硬件實驗箱的設計局限,使學生真正了解如何設計、實現(xiàn)和測試一個完整的通信系統(tǒng)。

3 實驗平臺的測試驗證

已搭建的通信原理虛實結合實驗平臺可以完成基于LabVIEW開發(fā)平臺和USRP無線電模塊的通信系統(tǒng)實驗,滿足不同的教學內容和實踐要求。以幅度調制虛擬仿真實驗和FM音樂收發(fā)硬件實驗為例對平臺進行了功能測試。用戶首次登錄系統(tǒng)時,需輸入賬號、密碼進行注冊,注冊成功后方可登錄,登錄信息與注冊信息相符即可進入實驗系統(tǒng)主界面。

3.1 軟件仿真實驗測試

軟件仿真實驗集成在一個交互式界面中,分成原理區(qū)、控制區(qū)和顯示區(qū)。原理區(qū)用于放置實驗原理框圖及實驗要求；控制區(qū)可選擇不同的輸入參數；顯示區(qū)將實驗過程中各節(jié)點的波形顯示出來,體現(xiàn)信號變化的完整過程。用戶可以通過觀察實驗波形的變化進行分析。

在進行軟件仿真時,用戶需要在系統(tǒng)界面選擇實驗項目,然后進入實驗模塊。在閱讀前面板中的實驗要求并理解了實驗原理后,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計、運行和調試。圖3所示為幅度調制實驗程序框圖。用戶可以在前面板中查看實驗結果,并通過改變控制區(qū)的輸入參數觀察到信號的圖像變化。

圖3 幅度調制實驗程序框圖

3.2 硬件調試仿真實驗

硬件調試仿真實現(xiàn)了本地測試,客戶端電腦上連接有NI-USRP設備。USRP通過USB與主機相連,構成一個通用的軟件無線電硬件平臺。本文以基于USRP的FM音樂收發(fā)程序實驗為例進行測試。

發(fā)送端主要完成聲音數據的實時獲取和FM調制,并將調制好的信號發(fā)送到無線信道；接收端負責接收信號并進行解調,恢復基帶信號,并通過電腦聲卡進行播放。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。該實驗選用WAV無損音樂,采樣率為44.1 kHz。運行程序后,在接收端收聽音樂,同時觀察聲音波形的變化。實驗現(xiàn)象如圖4所示。通過該平臺的直觀展示,學生可以可明顯看到信道的干擾和信號恢復的滯后。

圖4 基于USRP的FM音樂收發(fā)實驗現(xiàn)象

3.3 數據保存和提交

用戶完成實驗項目后,可根據需要將實驗數據保存成VI文件或TDMS文件。若需上傳實驗數據,則直接在客戶端點擊“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。

用戶完成數據保存后,可點擊“提交”按鈕跳轉到網絡傳輸頁面,完成作業(yè)的提交。在該界面中,學生用戶可選擇輸入IP地址鏈接教師端實時傳輸文件,也可以將文件上傳到服務器。

3.4 數據查看

教師用戶可實時接收學生傳送的文件,或者訪問服務器進行文件下載。在教師客戶端上的TDMS文件查看器打開相應的文件,可查看學生的實驗數據,在TDMS文件查看器左側列表中選擇相應的參數可讀取數據詳情。

4 結語

基于LabVIEW和USRP的通信原理虛實結合實驗平臺,不僅可實現(xiàn)典型的通信原理虛擬實驗,還可構建實際的通信測試系統(tǒng)。該平臺給學生提供了豐富的實驗內容,有效地提升了學生自主學習能力,加深了學生對通信原理知識的理解和應用,并且解決了課堂時間有限、教師課后輔導難的問題,大大提高學生的學習效率和實驗資源利用率。 通過完善和改進,該平臺還可進一步提升系統(tǒng)的并發(fā)性,提供更豐富的實驗教學內容。