圖1: NI USRP

"結(jié)合LabVIEW和NI USRP的軟硬件優(yōu)勢(shì)，學(xué)生可以創(chuàng)建整個(gè)通信系統(tǒng)信號(hào)鏈路中的各個(gè)功能模塊，并觀察各點(diǎn)的信號(hào)特征,。"

                                                                             - Dr. Sachin Katti, Stanford University

挑戰(zhàn):
除了理論授課和軟件仿真之外,，在盡可能低的年級(jí)就引入動(dòng)手實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在通信理論的入門(mén)課程中就為學(xué)生提供與真實(shí)射頻信號(hào)的交互實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì),，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

解決方案:
使用NI USRP和LabVIEW軟件無(wú)線(xiàn)電教學(xué)平臺(tái)，使學(xué)生有機(jī)會(huì)在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用學(xué)習(xí)到的無(wú)線(xiàn)通信理論構(gòu)建“真實(shí)”的通信系統(tǒng),，并作為斯坦福大學(xué)電子工程系二年級(jí)本科生課程EE 49搭建聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的重要內(nèi)容。

作者:
Dr. Sachin Katti - Stanford University

射頻和通信課程的傳統(tǒng)教學(xué)方法通常是理論學(xué)習(xí)和數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo),。學(xué)生著重推導(dǎo)公式和軟件仿真,。越來(lái)越多的講師已經(jīng)意識(shí)到，如果能夠提供一種實(shí)驗(yàn)設(shè)備,，學(xué)生就可以應(yīng)用學(xué)到的理論知識(shí)基于各種真實(shí)信號(hào)試驗(yàn),，加深對(duì)理論的理解。但是,，價(jià)格合理,、操作簡(jiǎn)便并且針對(duì)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)在少而又少,。

斯坦福大學(xué)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組(SNSG)Sachin Katti教授使用用LabVIEW和NI USRP，在創(chuàng)建聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)EE 49課程中試驗(yàn)了全新的動(dòng)手實(shí)踐教學(xué)方法,。Katti教授使用該教學(xué)方法向大學(xué)二年級(jí)學(xué)生介紹真實(shí)的通信信號(hào),。

創(chuàng)建完整的通信系統(tǒng)

Katti教授首先在2011春季學(xué)期的EE 49課程中試驗(yàn)了動(dòng)手實(shí)踐的教學(xué)方法。通過(guò)LabVIEW和NI USRP的軟硬件結(jié)合,，學(xué)生可以創(chuàng)建整個(gè)通信系統(tǒng)信號(hào)鏈路中的各個(gè)功能模塊,，并觀察各點(diǎn)的信號(hào)特征。通過(guò)該方法,，學(xué)生親身體驗(yàn)并構(gòu)建了信道編碼,、調(diào)制、定時(shí)恢復(fù),、隨機(jī)數(shù)生成等現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中常見(jiàn)的功能模塊,。最后，作為結(jié)課項(xiàng)目,，學(xué)生在USRP射頻發(fā)射機(jī)和射頻接收機(jī)之間創(chuàng)建完成了一個(gè)無(wú)線(xiàn)通信鏈接,。學(xué)生們僅在學(xué)習(xí)了射頻和通信入門(mén)級(jí)課程之后，就能夠獨(dú)立地完成構(gòu)建通信系統(tǒng)的項(xiàng)目,，實(shí)屬不易,。

動(dòng)手實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能夠親手操作NI USRP射頻收發(fā)機(jī)，頻率范圍從50 MHz 到2.2 GHz,，實(shí)時(shí)帶寬達(dá)20 MHz,。借助NI USRP和LabVIEW，學(xué)生可實(shí)時(shí)看到標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)安全鑰匙發(fā)送的簡(jiǎn)單射頻開(kāi)關(guān)信號(hào),，以及850 MHz 的GSM移動(dòng)手機(jī)信號(hào),。學(xué)生們還可通過(guò)實(shí)時(shí)分析頻譜找到FM發(fā)射站，甚至實(shí)現(xiàn)一個(gè)FM解調(diào)器來(lái)收聽(tīng)FM廣播,。在結(jié)課項(xiàng)目中,，每個(gè)學(xué)生都設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)包收發(fā)機(jī)。收發(fā)機(jī)能夠成功接收并解碼一個(gè)數(shù)據(jù)包,，并通過(guò)ACK信號(hào)完成通信握手,。 

每個(gè)實(shí)驗(yàn)都鼓勵(lì)學(xué)生們動(dòng)手實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的一個(gè)功能模塊。例如,，在第四個(gè)試驗(yàn)中,，學(xué)生學(xué)習(xí)了解調(diào)理論，并在兩個(gè)USRP構(gòu)建的空中無(wú)線(xiàn)鏈接上實(shí)現(xiàn)了基于BPSK（二進(jìn)移相鍵控）調(diào)制方式的射頻接收機(jī),。射頻收射機(jī)重復(fù)發(fā)送BPSK信息包,，由學(xué)生負(fù)責(zé)解碼。每位學(xué)生在自己的計(jì)算機(jī)和NI USRP上開(kāi)發(fā)接收機(jī)解調(diào)信號(hào)。在兩個(gè)星期的實(shí)驗(yàn)室課程中,，學(xué)生共接受到信道校正,、BPSK符號(hào)解映射、報(bào)頭檢測(cè)方法,、包解碼,、CRC檢測(cè)、錯(cuò)誤排除等動(dòng)手實(shí)踐訓(xùn)練,。實(shí)驗(yàn)室課程的安排使學(xué)生最終還可以將之前課程中開(kāi)發(fā)的代碼整合起來(lái)用于創(chuàng)建一個(gè)實(shí)際的無(wú)線(xiàn)鏈接,，作為課程的結(jié)課項(xiàng)目。

該試驗(yàn)課程得到了學(xué)生的一致認(rèn)可,，學(xué)生Michael Duarte對(duì)課程的反饋如下：

“把課堂上學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中真是太不可思議了，”Duarte說(shuō),。“學(xué)習(xí)之前我對(duì)USRP硬件并不熟悉,，但是通過(guò)LabVIEW，我對(duì)儀器編程了如指掌,。LabVIEW本身很好用,。使用LabVIEW編程和調(diào)試程序都非常簡(jiǎn)單?？偟膩?lái)說(shuō),，我在斯坦福兩年，這是我最喜歡的一門(mén)課程,。”

LabVIEW和NI USRP使斯坦福學(xué)生學(xué)得更容易,，更有興趣。LabVIEW軟件是信號(hào)處理以及與NI USRP硬件無(wú)縫交互的理想之選,。學(xué)生可使用LabVIEW和NI USRP開(kāi)發(fā)生成和處理射頻信號(hào)的通信算法,。

教學(xué)和學(xué)習(xí)的新選擇

“我們的試驗(yàn)課程是改革通信理論教學(xué)方法的一次全新嘗試，”Katti說(shuō),。“全美學(xué)校的電子工程和計(jì)算機(jī)系的招生都生源不足,。這個(gè)現(xiàn)象的原因之一就是我們沒(méi)能為學(xué)生提供相關(guān)的動(dòng)手實(shí)踐體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,。NI的解決方案恰好是對(duì)癥的一劑,。”

課程評(píng)價(jià)系統(tǒng)收到的學(xué)生反饋?zhàn)C明了學(xué)生在EE 49課程上都充分的投入，收獲很多,。 “這次課程收到的評(píng)價(jià)太棒了,，”Katti說(shuō)。“學(xué)生們給出的分?jǐn)?shù)是4.94/5.0,，這大概是斯坦福大學(xué)工程學(xué)院最受歡迎的一門(mén)課了,。”

學(xué)生們對(duì)該課程的反響很好，評(píng)價(jià)摘選如下：

“這是我上過(guò)最好的電子工程課。”

“很好的新課程……實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手課程有助于理解理論和增強(qiáng)動(dòng)手能力,。我會(huì)向我所有的電子工程系的朋友推薦這門(mén)課,。”

“太棒了！我很喜歡這門(mén)課,，而且還可以使用實(shí)驗(yàn)室超酷的硬件設(shè)備,。”

因?yàn)檎n程試驗(yàn)取得了成功，Katti教授計(jì)劃在秋季學(xué)期將NI USRP和LabVIEW平臺(tái)的使用擴(kuò)展到40名學(xué)生,，20個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的規(guī)模,。Katti認(rèn)為這類(lèi)課程為學(xué)生以后學(xué)習(xí)信號(hào)處理和通信理論課程打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。該教學(xué)方案也適用于其他入門(mén)類(lèi)信號(hào)處理課程,，例如,，信息理論、信號(hào)和系統(tǒng),。另外,，該平臺(tái)可根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和關(guān)心的研究方向進(jìn)行調(diào)節(jié)和擴(kuò)展。

LabVIEW和NI USRP為通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了理念的軟件無(wú)線(xiàn)電教學(xué)平臺(tái),，可有效地提高學(xué)生在通信職業(yè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力,。Katti博士愿意將課件和其他大學(xué)分享，幫助更多的學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)無(wú)線(xiàn)通信的理論知識(shí),，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,。