基于LabVIEW和USRP+PXI的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研

基于LabVIEW和USRP/PXI實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研電子信息工程學(xué)院北京交通大學(xué)1.背景2.理念3.實(shí)驗(yàn)4.實(shí)施5.展望6.問(wèn)題目錄

CONTENTS1.背景研究型大學(xué)要建立"以研究為本"的本科教育

研究型大學(xué)擁有大批知名的專(zhuān)家學(xué)者、先進(jìn)的科研設(shè)施和研究成果；本科教育是研究型大學(xué)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，改變傳統(tǒng)教學(xué)“以知識(shí)為本”模式為“以研究為本”模式。本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)是貫徹這一理念有效途徑

科研成果進(jìn)本科實(shí)驗(yàn)，科研與教學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)接，為學(xué)生搭建學(xué)習(xí)研究的平臺(tái)。軟件無(wú)線電是無(wú)線電工程現(xiàn)代方法

利用NI-USRP給出GSM-R、TETRA測(cè)試接收機(jī)利用PXI構(gòu)建信道仿真儀被著名大學(xué)stanford、UT、UCSD采用1.背景光通信技術(shù)基礎(chǔ)無(wú)線通信基礎(chǔ)交換與通信網(wǎng)技術(shù)光纖通信系統(tǒng)(研究性專(zhuān)題)移動(dòng)通信系統(tǒng)(研究性專(zhuān)題)多媒體通信(研究性專(zhuān)題)信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)(研究性專(zhuān)題)下一代互聯(lián)網(wǎng)(研究性專(zhuān)題)通信網(wǎng)絡(luò)安全（研究性專(zhuān)題）無(wú)線通信技術(shù)課程設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)現(xiàn)代交換技術(shù)課程設(shè)計(jì)數(shù)字通信技術(shù)課程設(shè)計(jì)數(shù)字圖象處理技術(shù)課程設(shè)計(jì)通信原理大三上大三下大三小學(xué)期通信原理實(shí)驗(yàn)通信工程綜合實(shí)驗(yàn)理論設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)2.理念模擬通信的調(diào)幅、調(diào)頻；數(shù)字通信的采樣/量化/信源編碼/基帶傳輸/信道編碼/調(diào)制和解調(diào)無(wú)線通信的分集/均衡/擴(kuò)頻/OFDM/MIMO實(shí)驗(yàn)盡可能的用聲音、文本、圖像和視頻作為檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是否完成的手段，體會(huì)書(shū)本理論知識(shí)如何融入真實(shí)生活設(shè)計(jì)成系統(tǒng)型的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生填空完成部分關(guān)鍵模塊，體會(huì)自己工作在系統(tǒng)中的價(jià)值激發(fā)學(xué)生興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)主動(dòng)性提高學(xué)生成就感，建立個(gè)人自信心3.實(shí)驗(yàn)1信源編碼2信道編碼3數(shù)字傳輸4數(shù)字調(diào)制5解調(diào)解碼6幅度調(diào)制7頻率調(diào)制通信原理無(wú)線通信基礎(chǔ)1信道編碼2分集技術(shù)3均衡技術(shù)4擴(kuò)頻通信5OFDM調(diào)制解調(diào)6MIMO空時(shí)編碼7同步3.實(shí)驗(yàn)1信源編碼2信道編碼3數(shù)字傳輸4數(shù)字調(diào)制5解調(diào)解碼6幅度調(diào)制7頻率調(diào)制通信原理3.實(shí)驗(yàn)信源編碼：加深對(duì)信源編碼及相關(guān)內(nèi)容的理解，特別是離散余弦變換、樣本量化和Huffman編碼。本實(shí)驗(yàn)主程序包含8個(gè)模塊，每一模塊完成一項(xiàng)功能。學(xué)生只需要實(shí)現(xiàn)部分模塊：離散余弦變換的程序模塊樣本量化的程序模塊Huffman編碼模塊3.實(shí)驗(yàn)信道編碼：領(lǐng)會(huì)信道編碼的基本思想。此外，通過(guò)比較有無(wú)信道編碼模塊的不同系統(tǒng)誤碼率性能，使學(xué)生感受到信道編碼技術(shù)對(duì)于提高系統(tǒng)性能的重要意義。本實(shí)驗(yàn)中學(xué)生所需完成模塊：（7，4）碼編碼模塊（7，4）碼譯碼模塊3.實(shí)驗(yàn)數(shù)字傳輸：熟悉數(shù)字信號(hào)傳輸，包括簡(jiǎn)單的信道編碼和非理想通信信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。在本?shí)驗(yàn)中，學(xué)生所需做的工作為：設(shè)計(jì)理想無(wú)噪信道下的UART接收機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的均衡器來(lái)估計(jì)信道的影響并且在信號(hào)解碼前完成對(duì)接收信號(hào)的均衡。3.實(shí)驗(yàn)數(shù)字調(diào)制：學(xué)習(xí)數(shù)字調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)USRP到USRP的無(wú)線發(fā)送。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生所需做的工作為：編寫(xiě)B(tài)PSK，QPSK等調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)脈沖成型濾波器（根升余弦）3.實(shí)驗(yàn)解調(diào)解碼：了解解調(diào)的相關(guān)知識(shí)，并實(shí)現(xiàn)USRP至USRP鏈路的無(wú)線BPSK接收機(jī)。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生所需做的工作為：設(shè)計(jì)BPSK接收機(jī)，包含解調(diào)，CRC校驗(yàn)等3.實(shí)驗(yàn)幅度調(diào)制：探究模擬調(diào)制中的幅度調(diào)制（AM）方案，實(shí)現(xiàn)一個(gè)幅度調(diào)制的收信機(jī)，并正確接收空中的中波廣播信號(hào)。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生所需做的工作為：構(gòu)造一個(gè)使用任意幅度調(diào)制方式的發(fā)信機(jī)，信源信號(hào)分別為單音正弦信號(hào)、多音正弦信號(hào)、.wav聲音文件實(shí)現(xiàn)一個(gè)幅度調(diào)制的收信機(jī)，并正確接收空中的中波廣播信號(hào)。3.實(shí)驗(yàn)頻率調(diào)制：實(shí)現(xiàn)一個(gè)頻率調(diào)制的收信機(jī)，并正確接收空中的調(diào)頻廣播電臺(tái)信號(hào)。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生所需做的工作為：構(gòu)造一個(gè)使用任意頻率調(diào)制方式的發(fā)信機(jī)，信源信號(hào)分別為單音正弦信號(hào)、多音正弦信號(hào)、.wav聲音文件實(shí)現(xiàn)一個(gè)頻率調(diào)制的收信機(jī)，并正確接收空中的調(diào)頻廣播信號(hào)。3.實(shí)驗(yàn)無(wú)線通信基礎(chǔ)1信道編碼2分集技術(shù)3均衡技術(shù)4擴(kuò)頻通信5OFDM調(diào)制解調(diào)6MIMO空時(shí)編碼7同步3.實(shí)驗(yàn)信道編碼：領(lǐng)會(huì)信道編碼的基本思想。此外，通過(guò)比較有無(wú)信道編碼模塊的不同系統(tǒng)誤碼率性能，使學(xué)生感受到信道編碼技術(shù)對(duì)于提高系統(tǒng)性能的重要意義。本實(shí)驗(yàn)中學(xué)生所需完成模塊：（2，1，5）碼編碼模塊（2，1，5）碼譯碼模塊3.實(shí)驗(yàn)分集技術(shù)：搭建分集系統(tǒng)，采用MRC/ERC/SEL三種合并技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線接收系統(tǒng)。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生所需做的工作為：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)三種分集合并技術(shù)的算法。觀察并分析不同分集方式的誤比特率曲線。3.實(shí)驗(yàn)均衡技術(shù)：通過(guò)均衡技術(shù)減輕或消除無(wú)線信道衰落引起的符號(hào)間干擾。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生所需做的工作為：采用線性最小二乘算法，實(shí)現(xiàn)直接線性均衡器的設(shè)計(jì)；改變均衡器基本參數(shù)值，觀察并比較系統(tǒng)的性能。

3.實(shí)驗(yàn)擴(kuò)頻通信：實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻解擴(kuò)，研究擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗衰落、抗干擾性能。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生所需做的工作為：在發(fā)端添加擴(kuò)頻模塊，并觀察擴(kuò)頻前后的頻譜變化；在收端相應(yīng)位置添加解擴(kuò)模塊，并觀察誤碼率；抗干擾性能3.實(shí)驗(yàn)OFDM調(diào)制解調(diào)：實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制與解調(diào)，完成單抽頭均衡，研究各種參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生所需做的工作為：OFDM調(diào)制。OFDM解調(diào)。頻域均衡。

3.實(shí)驗(yàn)MIMO：搭建2X2多天線系統(tǒng)，完成空時(shí)編解碼，測(cè)試系統(tǒng)性能。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生所需做的工作為：完成STBC的編解碼程序。實(shí)現(xiàn)多天線視頻、圖片傳輸。

3.實(shí)驗(yàn)同步：符號(hào)同步、幀同步，載波同步。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生所需做的工作為：完成符號(hào)同步、幀同步，載波同步程序。完成同步性能的測(cè)試實(shí)現(xiàn)文字傳輸。

4.實(shí)施通信原理：2013-2014秋季：國(guó)際班17人，2人1組研究型教學(xué)16學(xué)時(shí)必做兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)純軟件的，一個(gè)是軟硬件結(jié)合無(wú)線通信基礎(chǔ)：2013-2014春季：通信工程280人，2人1組4學(xué)時(shí)6選14.實(shí)施教師分析與學(xué)生體驗(yàn)：通信原理信源編碼通信原理未涉及數(shù)字解調(diào)涉及幀同步、CRC校驗(yàn)，有一定難度無(wú)線通信基礎(chǔ)信道編碼不涉及硬件，難度小Atthelab,IfinallyusetheUSRPmoduletorealizetheamtransmitterandreceiveronmyPC.WithgreatjoylisteningtothemusicthatIhavesend,Ifeelsoexcited,Iforgertoprintscreentheresult…...原來(lái)認(rèn)識(shí)完全是來(lái)源于外加，缺乏切身的體會(huì)……實(shí)驗(yàn)課是很容易敷衍的課程……剛接觸這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)覺(jué)得一頭霧水，甚至是覺(jué)得力所不能及，但是仔細(xì)研究后就發(fā)現(xiàn)其實(shí)實(shí)驗(yàn)的最關(guān)鍵的部分往往卻是最基本的知識(shí)……而當(dāng)比較深刻和透徹的理解基礎(chǔ)知識(shí)后，會(huì)突然發(fā)現(xiàn)程序的實(shí)現(xiàn)也變得簡(jiǎn)單起來(lái)，過(guò)于偏重理論和過(guò)于偏重實(shí)踐都是不可取的。同時(shí)也讓我對(duì)這個(gè)領(lǐng)域有了更大的興趣…..5.科研成果—高速列車(chē)通信無(wú)線信道仿真仿真平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)及用戶(hù)界面場(chǎng)強(qiáng)衰減仿真圖—實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)終端實(shí)際覆蓋電平—高鐵現(xiàn)場(chǎng)5.科研成果2013WirelessCommunicationApplicationAwardofGraphicalSystemdesignessaycompetition.Finished7papersbasedonNIplatform,amongwhich3isEIindex.1.MeirongYang,DongpingYao,BoAi,WeihuaZhang,Adoubledifferentialspace-frequencyMIMOprecodingschemeofLTEinhigh-speedrailwayenvironment,20135thIEEEInternationalSymposiumonMicrowave,Antenna,PropagationandEMCTechnologiesforWirelessCommunications(MAPE),p33-7,2013.(EI20140717299073)2.WeihuaZhang,DongpingYao,MeirongYang,ImplementationofLTE-RtransceiverandtheperformancewithWINNERD2achannelmodel,20135thIEEEInternationalSymposiumonMicrowave,Antenna,PropagationandEMCTechnologiesforWirelessCommunications(MAPE