通信教學中加入軟件無線電

導語：通信教學中加入軟件無線電一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

件和儀器硬件組成，它可代替傳統的測量儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器、頻譜分析儀等；可集成于自動控制、工業控制系統；還可以自由構建成專有儀器系統。在虛擬儀器系統中，軟件成為整個儀器系統的關鍵，使用者可以通過修改軟件的方法，方便地改變、增加儀器系統的參數和功能，所以有“軟件即儀器”之說[1][2]。

軟件無線電的概念是在1992年5月MITRE公司的科學顧問JosephMitola在美國電信系統會議首次提出的[3]，IEEEComm.Magazine在1995年第5期正式推出了第一個軟件無線電專集[4]，掀起了軟件無線電的研究熱潮。軟件無線電技術構造了一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，除了射頻信號發送和接收部分使用模擬電路和模擬信號外，將無線通信系統的各種功能，如工作頻段轉換，調制解調，數據格式變換，數據加密，差錯控制編碼，通信協議執行等都用軟件來完成，以求研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統。軟件無線電技術包括軟件技術、硬件技術以及信號處理技術等，其中信號處理技術中的帶通采樣理論和多速率信號處理理論是軟件無線電理論的基礎。目前國內大學通信專業的實驗教學中，如通信原理和數字信號處理的實驗課等，都可以用實驗的方法，對信號進行分析，有利于學生的理解。但往往由于信號生成、顯示和分析儀器的成本比較高，尤其是帶有頻譜分析和測量功能的儀器價格尤為昂貴，使得這部分的實驗無法普遍實施。PC機聲卡具有兩路AD，兩路DA，采樣率最高可達到44100Hz，采樣深度可達到16bit。如果利用PC機作為數據采集處理設備，使用適當的虛擬儀器軟件編程技術就可以組成一個低成本高性能的信號采集與分析處理系統，方便學生理解理論內容，簡化了課程的實驗，甚至能夠讓有興趣的學生對現有虛擬儀器系統進行升級改造。

這是我們研究該課題的意義之所在，希望通過我們的研究，能夠建立一個性能價格比較高的信號分析系統，并將該結果應用于大學通信專業及相關專業的實驗教學中，足以讓學生理解信號分析的概況了。

1基于軟件無線電的虛擬儀器系統

本文介紹一套基于Labwindows/CVI的信號處理系統，LabWindows/CVI是NationalInstruments公司推出的一套面向測控領域的軟件開發平臺。它以ANSIC為核心，將功能強大，使用靈活的C語言平臺與數據采集，分析和表達的測控專業工具有機地接和起來。它的集成化開發平臺，交互式編程方法，豐富的控件和庫函數大大增強了C語言的功能，為熟悉C語言的開發人員建立檢測系統，自動測量環境，數據采集系統，過程監控系統等提供了一個理想的軟件開發環境[5]。本系統使用LabWindows/CVI實現了一個軟件的寬帶數字下變頻（WDDC）的單通道接收機等虛擬儀器，并對模擬的68MHz~72MHz的頻譜環境進行監測；這并不是仿真軟件，而是實用的工具，這些虛擬儀器可以很好的工作。使用起來也很方便，只需要一根數據線連接兩臺PC即可。系統框圖如圖1所示。

1．1信號發生器

信號發生器利用PC機產生兩路信號，信號類型有正弦波、方波、三角波、鋸齒波和用戶自定義五種波形。在“高級設置”中可對兩路信號的同步進行調整，也就是設置兩路信號的初始相位差，調整范圍為0~2π。系統面板圖如圖2所示。

1．2基于WDDC的單通道接收機使用

Labwindows/CVI對基于數字混頻下邊頻的單通道接收模型進行了模擬，實現了一個軟件的寬帶數字下變頻(WDDC)接收機。總體結構如圖3所示。首先，模擬了68MHz~72MHz帶寬內的頻譜環境，產生了包含多個通信信道的寬帶信號，并對這個信號作采樣率為8MHz的欠采樣。根據帶通采樣定理，這樣的欠采樣剛好不會發生頻率混疊。將采樣得到的數據(速率為8MSPS)以文件格式存入硬盤，作為輸入數據模塊。然后，用DDS方式構造了一個混頻信號發生器，信號發生器采用4K點的波表和浮點累加器，使混頻信號的相噪降到足夠小。接著用可控級聯方式的FIR抽取濾波器組對混頻后的信號進行低通濾波和抽取。信號發生器和后續的FIR抽取濾波器模塊共同構成了WDDC接收機的核心部分。最后，通過加窗FFT和顯示模塊對信號頻譜進行顯示。每個模塊都可以通過用戶接口控制程序進行控制，通過調整DDS累加步長對混頻信號頻率進行控制，通過切換FIR抽取濾波器的級聯方式對帶寬進行控制，還可以控制頻譜顯示和數據文件的讀取。

2具體實例分析

信號譜分析是數字信號處理課程中學生學習的重點，同時又是難點[6]。對于這些抽象的知識，老師在課堂上費盡心力講解，學生依然很難理解。有些學生雖然學會信號頻譜的計算方法，但對計算出的譜線形狀只能憑空想象，缺少直觀認識，久而久之，學生學習的積極性下降。通過此虛擬實驗，可以解決這些問題，學生通過選擇需要的的信號類型，設定信號的頻率和幅值，就可觀察到信號的時域波形和頻譜圖，這樣學生不僅直觀的了解譜線形狀，而且對原信號頻率和相位對譜線的影響有更深刻的理解。系統模擬的頻譜環境相當于一個很寬的中頻信號，其中存在10個常見的通信信號。表1描述了這10個通信信號的類型、中心和帶寬，其中包含有AM、FM、LSB、Chirp、Hop以及擴頻信號，這些信號整個構成了一個小的頻譜環境。圖4是WDDC接收機的程序界面，主要有兩個控制臺：DDC設置以及顯示設置。在DDC設置中，調整頻率數字框可以改變接收機的中心頻率(68MHz~72MHz)，調整帶寬下拉框有三種帶寬(2MHz/1MHz/512kHz)可以選擇；在顯示設置中，可以進一步調整觀測頻譜的范圍。使用寬帶模式觀測信號的全景情況見圖4（a）（b）所示。在全景模式下，可以看到2M帶寬內多個通信信號的整體情況，能夠檢測信號的位置、頻率占用情況以及頻譜環境的一些宏觀信息，單個信號的特征則不太明顯。用窄帶模式觀測單個信號的特征見圖5所示。在窄帶模式下，可以快速的確定信號的中心，測量信號的帶寬，并且能夠對比任意頻點的相對電平，從而能夠迅速了解信號的類型及其它重要參數(調制度、頻偏等)。

3結論

基于本虛擬儀器系統，我們開發了一系列數字信號處理和通信原理的課內實驗。包括：雙通道信號發生器認知實驗；單通道接收機認知實驗；基本信號的產生和譜分析；DTMF信號的產生和譜分析；常見通信信號的產生和譜分析等。我們將這些實驗用在了數字信號處理和通信原理的課程教學中，取得了很好的效果。這個實驗系統方便學生理解理論內容，簡化了課程的實驗，甚至能夠讓有興趣的學生對現有虛擬儀器系統進行升級改造。基于軟件無線電的虛擬儀器作為一種先進的實驗儀器和全新的科學研究方法影響著各行各業，尤其在教育理念逐步改革，教育模式全面多元化的今天，虛擬儀器在實驗教學上得到了有效的應用，并以其獨特的優勢成為今后實驗教學改革的重要方向。我們將繼續完善并研發模擬調制信號，數字調制信號等的生成、處理的虛擬儀器。以及可以進行眼圖和星座圖分析的虛擬設備（其中數字信號、模擬調制信號發生器已經初步完成），最終建立一個完整的通信專業虛擬實驗室。