基于軟件無線電的通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)構(gòu)建

胡浪濤，董小明*，吳 磊，王 磊，蕭佳文，裴富永

（1.安慶師范大學(xué) 電子工程與智能制造學(xué)院，安徽 安慶 246133；2.武漢凌特電子技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430070）

通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)是通信工程專業(yè)《通信原理》《無線通信》等課程的后續(xù)實(shí)踐環(huán)節(jié)，是通信工程專業(yè)學(xué)生的一門必修實(shí)踐課程。通過系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)，可以幫助學(xué)生進(jìn)一步掌握和深化通信工程課程的理論、原理和技術(shù)難點(diǎn)。通信工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)難度大、技術(shù)性強(qiáng)[1-3]，主要面臨兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)：一、工程實(shí)踐教學(xué)效果的挑戰(zhàn)。很多高校通信專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備只能完成基本的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，難以滿足新版人才培養(yǎng)方案的創(chuàng)新開發(fā)型實(shí)驗(yàn)和綜合系統(tǒng)型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)任務(wù)要求。二、人才培養(yǎng)的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代企業(yè)需要的設(shè)計(jì)性人才多具有較強(qiáng)的理論功底，能夠從項(xiàng)目角度分析和解決問題。通信類企業(yè)的需求更加強(qiáng)調(diào)算法的設(shè)計(jì)與仿真和系統(tǒng)的構(gòu)建。采用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行教學(xué)的方式，更多的時(shí)間花在了連線和示波器使用上，無法滿足企業(yè)對(duì)人才的需求。

本文緊跟時(shí)代發(fā)展，引入軟件無線電技術(shù)來構(gòu)建工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。軟件無線電技術(shù)以其極具靈活的特點(diǎn)越來越受到業(yè)界的青睞，國內(nèi)外主流通信企業(yè)（華為、中興、烽火、愛立信等）均已將其用于智慧小區(qū)（Smart Cell）、智能手機(jī)、5G概念型基站等產(chǎn)品研發(fā)中[4-7]，且在高性能的硬件平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，并通過軟件方式實(shí)現(xiàn)了各種產(chǎn)品功能。采用軟件無線電技術(shù)來構(gòu)建通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)，可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，將為畢業(yè)后從事通信工程相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)目標(biāo)

平臺(tái)利用通信電子線路、通信原理理論課，以及基本實(shí)驗(yàn)原理和方法，布置具有一定難度和工作量的課程設(shè)計(jì)題目并要求學(xué)生獨(dú)立完成，使學(xué)生學(xué)習(xí)分析問題的基本能力、培養(yǎng)良好的思維習(xí)慣、掌握常用電路的調(diào)試技巧和編程方法。

2 通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

平臺(tái)由軟件無線電硬件環(huán)境和軟件環(huán)境兩部分構(gòu)成，其中硬件系統(tǒng)主要包括微控制單元（Multi Control Unit,MCU）、可編程陣列邏輯處理器（Field Programmable Gate Array,FPGA）、天線、接口等單元。軟件部分主要實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)信號(hào)的傳輸和處理。

2.1 通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)硬件環(huán)境

軟件無線電平臺(tái)[8-9]提供高速模數(shù)、數(shù)模（AD/DA）轉(zhuǎn)換單元以及通用數(shù)據(jù)輸入與輸出接口（General-Purpose Input Output Ports,GPIO），以便用于實(shí)時(shí)輸入采集或輸出觀測(cè)；提供射頻（Radio Frequency,RF）發(fā)送和接收接口，以支持無線收發(fā)；提供以太網(wǎng)接口，以用于計(jì)算機(jī)（Personal Computer,PC）端的仿真平臺(tái)對(duì)接，并進(jìn)行實(shí)時(shí)軟硬件協(xié)同仿真實(shí)驗(yàn)及開發(fā)；也支持以太網(wǎng)遠(yuǎn)程對(duì)基帶處理單元加載FPGA算法程序。該平臺(tái)嵌有FPGA基帶信號(hào)處理單元，并提供標(biāo)準(zhǔn)（Joint Test Action Group,JTAG）下載接口，可直接進(jìn)行硬件描述語言（Verilog Hardware Description Language,VHDL）開發(fā)以及程序下載調(diào)試，平臺(tái)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件無線電平臺(tái)硬件架構(gòu)

2.2 通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)軟件環(huán)境

軟件平臺(tái)采用圖形化設(shè)計(jì)理念，集成了基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)案例，可以提供豐富的通信類算法模塊，包括信源編譯碼、信道編譯碼、數(shù)字調(diào)制及解調(diào)、高通/低通等高效濾波、數(shù)字碼流變換、鑒頻和立體聲合成等。平臺(tái)通過加載各種應(yīng)用算法來實(shí)現(xiàn)不同用戶、不同應(yīng)用環(huán)境的需求，旨在循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生從基礎(chǔ)通信技術(shù)擴(kuò)展到整個(gè)通信系統(tǒng)，再到對(duì)實(shí)際工程的認(rèn)知、應(yīng)用、設(shè)計(jì)與創(chuàng)新。

3 通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)方式和任務(wù)

3.1 通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)方式

通信系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)方式靈活多樣，可以設(shè)置為純硬件FPGA開發(fā)，即讓學(xué)生利用JTAG下載接口，對(duì)基帶處理單元的FPGA進(jìn)行硬件算法開發(fā)，配合AD/DA轉(zhuǎn)換、GPIO擴(kuò)展端口，以及結(jié)合射頻收發(fā)前端通道，可實(shí)現(xiàn)無線通信傳輸。實(shí)驗(yàn)也可以設(shè)置為純仿真開發(fā)，即讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)算法功能，將動(dòng)態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library,DLL）文件加載到軟件的二次開發(fā)模塊中，可進(jìn)行多個(gè)通信技術(shù)的替代甚至整個(gè)系統(tǒng)的替代設(shè)計(jì)；可以設(shè)置為軟硬件虛實(shí)結(jié)合開發(fā)，即硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)對(duì)接以進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的實(shí)時(shí)協(xié)同實(shí)驗(yàn)；可以設(shè)置為獨(dú)自開發(fā)設(shè)計(jì)的任務(wù)模式，即讓學(xué)生根據(jù)老師安排的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及其他實(shí)訓(xùn)任務(wù)要求，獨(dú)立完成相關(guān)工作；還可以設(shè)置為多人協(xié)同開發(fā)的設(shè)計(jì)任務(wù)模式，即根據(jù)實(shí)訓(xùn)任務(wù)需要，由一名或一組學(xué)生設(shè)計(jì)發(fā)射系統(tǒng)，由另一名或一組學(xué)生設(shè)計(jì)接收系統(tǒng)，共同完成無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作能力。

3.2 通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)任務(wù)

通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)任務(wù)按照實(shí)驗(yàn)難度依次拔高，其基本實(shí)驗(yàn)是基于FPGA單一知識(shí)點(diǎn)的算法模塊設(shè)計(jì)，如帶通信道模擬程序設(shè)計(jì)。難度較高的實(shí)驗(yàn)是系統(tǒng)類的設(shè)計(jì)和開發(fā)，如語音和視頻無線傳輸實(shí)驗(yàn)。綜合性實(shí)驗(yàn)為具體的工程任務(wù)，難度最高，如調(diào)頻接收機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)訓(xùn)過程會(huì)涉及以硬件平臺(tái)做純硬件開發(fā)、以軟件平臺(tái)做純仿真開發(fā)、以硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)互聯(lián)做虛實(shí)開發(fā)等多種方式，學(xué)生可以靈活應(yīng)用。

4 視頻無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)

本文以“視頻無線傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”為例，設(shè)計(jì)了一個(gè)單靠傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備無法完成的視頻無線傳輸系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)視頻無線傳輸實(shí)訓(xùn)任務(wù)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備多以完成單一課程任務(wù)的實(shí)驗(yàn)為主，對(duì)單個(gè)知識(shí)點(diǎn)模塊進(jìn)行驗(yàn)證，無法支持綜合性強(qiáng)、跨課程融合的實(shí)驗(yàn)。本文實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生利用無線通信原理知識(shí)，通過軟硬件結(jié)合的方式來構(gòu)建簡(jiǎn)單完整的通信系統(tǒng)，從而完成視頻傳輸任務(wù)。任務(wù)設(shè)計(jì)過程需要學(xué)生掌握用算法模塊來搭建通信系統(tǒng)，用C++語言開發(fā)編碼和譯碼算法，并能生成DLL文件且加載到系統(tǒng)中，最終完成視頻傳輸。通過這樣的綜合性實(shí)驗(yàn)可以增強(qiáng)學(xué)生求知欲，提高學(xué)習(xí)興趣。在動(dòng)手編寫代碼過程中，學(xué)生可能會(huì)遇到各種各樣的代碼編譯錯(cuò)誤，在解決錯(cuò)誤過程中不知不覺就掌握了無線傳輸?shù)脑?。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)只是去驗(yàn)證算法，而學(xué)生沒有自己去編寫代碼，甚至都沒有真正理解和掌握每個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

4.1 原理框圖設(shè)計(jì)

視頻無線傳輸任務(wù)要用到兩套軟硬件設(shè)備，一套作為發(fā)送端，另一套作為接收端，設(shè)計(jì)框架如圖2所示。發(fā)送端的視頻數(shù)據(jù)源將采集到的視頻信號(hào)進(jìn)行卷積編碼，并通過網(wǎng)線將卷積后的信號(hào)傳送到硬件平臺(tái)1上且在最小頻移鍵控（Minimum-Shift Keying,MSK）上變頻，最后通過天線發(fā)送出去。接收端的硬件平臺(tái)2在收到數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行MSK下變頻，然后通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC-2上，再通過軟件平臺(tái)進(jìn)行卷積譯碼以得到原始信號(hào)[10]，最后將原始信號(hào)送到視頻終端播放。

圖2 視頻無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.2 系統(tǒng)搭建

在系統(tǒng)搭建環(huán)節(jié)，利用軟件平臺(tái)的通信算法模塊來搭建無線傳輸通信系統(tǒng)。一般來說，傳統(tǒng)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)?zāi)K只能按照固定模式去搭建系統(tǒng)，本文采用軟件無線電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)搭建的系統(tǒng)更加靈活自由，能充分培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維，激發(fā)創(chuàng)新潛能。在“視頻無線傳輸實(shí)驗(yàn)”中，視頻信息要可靠地傳送給對(duì)方，但是無線傳輸會(huì)產(chǎn)生各種不確定因素，信道狀況非常復(fù)雜，信號(hào)不可避免地會(huì)受到干擾甚至出錯(cuò)，為了實(shí)現(xiàn)可靠通信，多采用編碼方法對(duì)信道差錯(cuò)進(jìn)行控制。本文主要采用卷積編譯碼技術(shù)來保證信號(hào)可靠接收。

4.3 自主開發(fā)模塊

利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，只能將程序加載到FPGA中運(yùn)行，而且加載過程和程序調(diào)用比較繁瑣，不利于搭建綜合的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。軟件無線電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以支持老師和學(xué)生自建算法庫，自主設(shè)計(jì)算法模塊并進(jìn)行隨意調(diào)用，能夠靈活高效地搭建通信系統(tǒng)。采用圖像化的方式，能夠直觀清晰地理解信號(hào)的流程，有利于學(xué)生創(chuàng)新，不僅提高了效率，還提高了學(xué)習(xí)質(zhì)量。學(xué)生可以將自己編寫的算法程序生成DLL文件，并加載到平臺(tái)中去形成卷積編碼和卷積譯碼算法模塊，分別替換圖2通信系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)模塊，從而進(jìn)行視頻傳輸驗(yàn)證。

5 教學(xué)實(shí)踐和效果分析

現(xiàn)以“視頻無線傳輸實(shí)驗(yàn)”為例，將軟件無線電技術(shù)構(gòu)建的平臺(tái)與傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)箱[11]和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[12-14]進(jìn)行對(duì)比。文獻(xiàn)[11]方案只能進(jìn)行驗(yàn)證信號(hào)調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)、信道的卷積編碼實(shí)驗(yàn)等單獨(dú)模塊，不能進(jìn)行完整的視頻傳輸，并且每個(gè)模塊都是固定的，如果要修改信號(hào)傳輸?shù)墓ぷ黝l率、信息格式、通信傳輸協(xié)議等，只能通過更新硬件平臺(tái)來完成。文獻(xiàn)[12-14]通過MATLAB/Simulink軟件構(gòu)建了移動(dòng)通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過鼠標(biāo)拖拽每個(gè)模塊、設(shè)置仿真參數(shù)、修改模塊屬性并運(yùn)行仿真線路，可以觀察到每個(gè)模塊的輸入和輸出信號(hào)的波形變化。MATLAB/Simulink軟件方式最大的缺點(diǎn)就是不需要學(xué)生自己編寫無線信息傳輸代碼，只能看到視頻信號(hào)傳輸結(jié)果，而不知視頻信號(hào)無線傳輸如何實(shí)現(xiàn)信源編解碼和信道編解碼的過程。在基于軟件無線電技術(shù)構(gòu)建的平臺(tái)教學(xué)中，學(xué)生都可以單獨(dú)編寫每個(gè)模塊程序代碼并修改信號(hào)傳輸參數(shù)，但不需要更新硬件。學(xué)生依據(jù)無線信道特征和工程需求來修改軟件參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多頻段、自適應(yīng)改變信號(hào)傳輸碼率、不同調(diào)制方式和信道編碼解碼方案，可以靈活適應(yīng)不同無線信號(hào)傳播場(chǎng)景，從而深度理解視頻無線傳輸過程和原理?；贛ATLAB/Simulink軟件構(gòu)建的平臺(tái)不需要學(xué)生編寫模塊代碼，而軟件無線電平臺(tái)則需要學(xué)生編寫C++代碼，且撰寫難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于MATLAB代碼。C++語言是面向?qū)ο蟮幕A(chǔ)語言，編譯執(zhí)行效率高，可更好地用于底層函數(shù)和軟件開發(fā)，從而使實(shí)踐教學(xué)可以更好地模擬復(fù)雜多變的通信工程背景，提高了學(xué)生解決復(fù)雜工程技術(shù)難題的能力。

為了驗(yàn)證基于軟件無線電技術(shù)構(gòu)建的通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果，本文作者對(duì)安慶師范大學(xué)通信工程專業(yè)學(xué)生開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。例如，2019級(jí)通信工程專業(yè)學(xué)生采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)（A方案），而2020級(jí)通信工程卓越工程師班學(xué)生采用軟件無線電工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)教學(xué)（B方案）。為了更加準(zhǔn)確地比較兩種方案的教學(xué)效果，本文考查了“視頻無線傳輸實(shí)驗(yàn)”中的調(diào)制解調(diào)模塊并采用分組實(shí)驗(yàn)，共分4組，教學(xué)成績(jī)?nèi)鐖D3所示，縱坐標(biāo)表示分值，在兩種不同方案中，分別比較了教學(xué)平時(shí)成績(jī)（A1、B1）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)（A2、B2），以及實(shí)驗(yàn)考試成績(jī)（A3、B3）。將成績(jī)進(jìn)行平均匯總，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用軟件無線電技術(shù)構(gòu)建的通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)成績(jī)較傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)提高了大約5.4%。同時(shí)，通過課堂學(xué)習(xí)觀察和課下問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)采用軟件無線電專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的課堂氣氛要明顯好于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱驗(yàn)證教學(xué)。

圖3 兩種不同方案的教學(xué)效果比較

6 結(jié)束語

針對(duì)通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，本文提出了采用軟件無線電技術(shù)來構(gòu)建通信工程專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，并按照新的教學(xué)大綱來增加設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，讓實(shí)驗(yàn)和理論知識(shí)緊密結(jié)合以靈活設(shè)計(jì)不同的通信系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)方式。該平臺(tái)可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力，為畢業(yè)后從事通信工程相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。