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1、NI通信实验平台及应用调研Zheng Xu9/3/2014内容目录USRP软件无线电教学实验平台（含射频发射与接收模块）3基于NI ELVIS平台的通信原理教学实验平台（针对基带与中频实验）5基于NI PXI平台的高性能软件无线电平台（主要针对科研）7NI通信实验平台在国内外的应用情况调研8NI针对通信教学的共享资源13涉及产品14其他投入15实验室占用面积15USRP软件无线电教学实验平台（含射频发射与接收模块）美国国家仪器公司（NI）的NI-USRP是一个通用的软件无线电教学平台，通过以太网线连接PC，结合LabVIEW软件即可实现自定义的编码解码、调制解调、上下变频、脉冲成型等功能，适用
2、于通信原理、数字通信等一系列信息专业的课程实验，同时也可以基于USRP开展学生设计型创新项目和一定的研究工作，包括建立无线通信系统原型、进行算法验证实验等。NI USRP以相对较低的成本为通信专业的师生提供了一个灵活的软件无线电学习与验证平台，通过从仿真向真实射频信号的过渡，既可提高学生的学习兴趣，也使学生对专业知识概念领会地更加深刻。基于该软件无线电平台可以探索建立专业实验与专业训练、专业技能培养与实践体验相结合的实验教学模式，实现专业实验与科学研究、工程实际、社会应用相结合，同时可促进科研支持实验教学，支撑拔尖创新人才培养，建立学科专业实验教学示范中心。图: USRP软件无线电平台结构简图
3、l 推荐型号：NI USRP-2920，可调谐的RF收发器可选50MHz至2.2GHz中心频率l 通过附带的驱动程序，可通过编程方式配置载波中心频率、增益、I/Q速率、数据块采样点数等；l 高达20 MS/s基带I/Q数据流，可在PC机软件上进行信号处理（编解码、基带调制解调等）；l 通过LabVIEW图形化编程，直观体现相关概念，LabVIEW调制工具包附带多种现成的调制解调及编解码算法，可直接调用，亦支持在程序中调用Matlab脚本；l 国外知名大学的现成教学资源（实验指导书等）；l 支持研究性学习，例如2x2 MIMO，射频信号记录与回放，信号频谱分析等。图: 直观的图形化编程方式，符合
4、工程思维；丰富的界面控件和函数可避免复杂的文本语言编程图: 通过LabVIEW亦可直接调用Matlab脚本通过NI-USRP组成的2x2 MIMO系统附表: NI USRP型号及主要参数关于NI USRP的更多信息，请访问基于NI ELVIS平台的通信原理教学实验平台（针对基带与中频实验，可选）1. ELVIS综合实验平台该平台主要针对与通信电路相关的教学实验，作为实验室的基础教学平台进行配置。NI ELVIS集成8路差分输入（或16路单端输入）模拟信号采集通道、24路数字I/O通道，以及12款最为常用的仪器（包括100MS/s示波器、数字万用表、函数发生器等），通过USB线缆连接计算机，并配
5、合驱动程序，即可立即作为示波器、万用表、信号发生器、频谱分析仪（中频与基带）、频响特性分析仪、阻抗特性分析仪、稳压电源等设备来使用，而且信号可以方便地在计算机中进行显示、处理和保存。NI ELVIS结合Multisim电路仿真软件还可以将仿真结果与实验结果进行比对，而结合LabVIEW软件则可以对采集到的信号进行自定义的实时处理与自定义显示。ELVIS既可作为多门课程的实验平台，又可作为综合课程设计和学生创新实践项目的开放平台。ELVIS包括两部分：固定的底座（包含了多种仪器功能的硬件部分）和可替换的原型板（Prototyping board，上面引出了多种I/O接口并提供可供学生发挥的面包板
6、）。原型板部分既可以采用ELVIS原配的空白板，也可以配合实验内容自行设计（接口完全开放），或者也可以选择第三方公司提供的实验板（例如针对通信类课程，可以选择EMONA公司开发的DATEx通信原理教学板以及FOTEx光纤通信教学板）。2. EMONA DATEx通信原理教学板配合NI ELVIS平台使用的Emona DATEx硬件采用基于动手实践的程序框图方法，旨在帮助学生搭建和测量教材中常见通信系统框图对应的通信系统。 学生可根据电路图使用插入式插线电缆连接系统组件，从而搭建通信系统，理解模拟和数字通信系统中的相关概念。该平台配备相应的实验指导书，包含以下实验内容：l 模拟部分：调幅(AM)
7、、双边带(DSB)、单边带(SSB)、调相(PM)、调频(FM)、脉冲幅度调制(PAM)、语音信息传输、超外差原理、通过PLL获取载波、信噪比(SNR)、正交幅度调制(QAM)l 数字部分：脉冲编码调制(PCM)、时分复用(PCM-TDM)、ASK、BPSK、FSK、GFSK、脉冲成型数据恢复、符号间干扰(ISI)、差分相移键控(DPSK)、正交相移键控(QPSK)、扩频(SS)、Line Coding、通过PLL频率合成、PN序列频谱、噪声产生图: EMONA DATEx的配套软件界面3. EMONA FOTEx光纤通信教学板Emona FOTEx是NI ELVIS平台的扩展附加板卡，用于光
8、纤远程通信课程的教学。FOTEx提供了实践模块，学生可以使用这些模块搭建和测量通信系统，实践课本上的概念。学生可从电路图开始通过插入式光纤线缆连接并创建通信系统。同时ELVIS平台可根据学生创建的通信电路提供激励和测量反馈。FOTEx的实验室手册提供了实验说明和分步指导，包括光信号分离合并、双向光纤传输、波分复用 (WDM)、光纤损耗等实验内容，同时还包括了通信原理里的部分实验内容，如PCM-TDM等，通过将这些实验串接在一起，学生最终可以实验一个完整的光纤通信系统，用于传输一路语音信号和一路数据信号。教师也可根据实际需要自定义开发实验。基于NI PXI平台的高性能软件无线电平台（主要针对科研
9、）NI PXI软件无线电平台是一个模块化的开放平台，可通过软件定义的方式对系统的参数（如载波频率、I/Q速率）进行配置，并可通过图形化的LabVIEW编程对FPGA和处理器上的算法进行自定义开发，为科研工作者进行射频、微波和无线应用的开发和验证测试带来便利，大大加速了相关系统的硬件实现，并可快速对创新算法进行实际验证。NI PXI软件无线电平台采用了众多关键技术，如现场可编程门阵列（FPGA），多核CPU和高性能的RF元件，拥有业界领先的数据传输速度和灵活性，从而提供了高效、高性价比的软件无线电系统开发和原型验证平台。目前基于NI PXI平台的射频应用模块包括多种型号的上变频器、下变频器、中频
10、采样单元、中频信号发生器、本振单元、带有可编程FPGA的中频收发及处理单元、独立的FPGA处理单元、集成可编程FPGA的射频收发单元、射频开关、矢量网络分析仪模块、衰减器、放大器等。由于基于NI PXI平台的软件无线电系统可基于模块化硬件搭建，而且可以基于图形化软件快速编程开发，因此可大大缩短项目开发周期，加速了算法从理论到验证和实现的过程。NI特有的多通道RF通道同步技术可保证高度的相位相干性，对于MIMO、天线阵列等方向的系统性能非常关键，因此NI平台用于许多前沿的通信和射频技术的研究项目及系统样机实现。此外，模块化的平台也为拔尖学生的创新工作提供了良好平台，每年都有高校学生结合毕业设计、
11、竞赛等机会基于NI PXI平台实现创新射频应用。 可访问 PXI软件无线电平台的更多信息。NI通信实验平台在国内外的应用情况调研NI USRP为学生基于“软件无线电”理念快速原型化通信系统提供了高性能且灵活的硬件平台。学生可以直接通过LabVIEW自定义USRP的射频收发功能，将调制、编码、扩频等通信原理基础知识系统整合，构建从简单（如FSK信号收发）到复杂（如MIMO-OFDM系统）的各类真实的通信系统，积累通信系统级的工程实践经验。如果实验学时数有限，教师也可以为学生开发好实验程序，让学生基于该平台进行验证型实验；或留出一部分与重要概念密切相关的内容让学生自行编程开发，从而强化所学知识。以
12、下列举部分基于LabVIEW和USRP开展通信教学实验的国内外高校。1. The University of Texas at Austin (UT Austin)的Robert Heath教授基于USRP进行通信原理教学，同时NI获得了相关实验指导书和相关资料的版权。图: UT Austin用USRP作为数字通信课程实验平台的相关实验指导书表: UT Austin USRP实验列表实验序号实验名称1实验一：NI LabVIEW和USRP入门2实验二（上）：调制与检测实验二（下）：脉冲成型与匹配滤波3实验三：同步4实验四：信道估计与均衡5实验五：帧检测与频偏校正6实验六：OFDM调制与频域均衡
13、7实验七：OFDM系统的同步8实验八：OFDM系统中的信道编码2. University of California at San Diego (UCSD)UCSD也开发了一组针对USRP的通信原理实验，同时这组实验也可以基于PXI平台完成。下图是北邮的一位老师在教学中评估了两套实验资源后的比较。图: 北邮对UT Austin和UCSD实验教材的使用评估3. Stanford University斯坦福大学ECE系的通信导论课程采用USRP作为实验平台，学生需用两周时间完成一个Project，内容是通过一对USRP之间的空中接口传输一帧图像，其中涉及到信源编码、信道编码、调制解调等一系列问题。
14、该课程采用USRP与LabVIEW作为实验平台的原因是：通过与真实信号交互使学生较早地接触到射频通信，同时使学生构建通信“系统”的直观概念。这门课程收到很好的效果，学生反馈高达4.94分（满分5分），基本上是斯坦福大学工学院所有课程中的最高评分。图: 斯坦福大学ECE系的Dr.Sachin Katti在通信导论课程中采用NI USRP取得非常令人满意的教学效果4. 北京邮电大学北京邮电大学在通信原理的教学实验环节基于40套NI USRP和几套PXI分组完成课程实验和创新实验，并且每年都有不少学生毕业设计题目是基于NI LabVIEW软件完成。同时一些学生的创新作品在挑战杯、全国虚拟仪器大赛等科
15、技竞赛中取得了优异成绩。这些作品包括无线电台水印系统、感知无线电系统、软件无线电收音机等。图: 学生在展示基于NI平台完成的创新项目（详见附件北邮老师报告）5. 上海交通大学上海交通大学的24套USRP用于通信原理课程实验教学，并在2013年春季学期完成首年实验。目前，上海交通大学和北京邮电大学已在编写与各自学校教学内容结合更好的配套中文实验教材。图: 上海交通大学的学生基于LabVIEW和USRP完成通信原理实验（详见附件上海交大老师报告）同时，上海交通大学一些有兴趣的学生还基于NI USRP和PXI平台在课外完成了一些科创项目，其中基于认知无线电的移动视频传输系统获得了全国虚拟仪器设计大赛一等奖，基于NI USRP的另一项目“工业认知无线网络协议设计及实验平台搭建”获得国家大学生创新实践项目资助。图: 上海交通大学的国家级大学生创新实践项目“工业认知无线网络协议设计及实验平台搭建”图: 上海交通大学学生基于NI USRP和PXI完成的“基于认知无线电的移动视频监控系统”6. 北京交通大学、北京理工大学、东南大学、北京大学、清华大学等北京交通大学建有20+套USRP的教学实验
