基于软件无线电的通信工程专业实训平台构建

胡浪涛，董小明*，吴 磊，王 磊，萧佳文，裴富永

（1.安庆师范大学 电子工程与智能制造学院，安徽 安庆 246133；
2.武汉凌特电子技术有限公司，湖北 武汉 430070）

通信工程专业实训教学是通信工程专业《通信原理》《无线通信》等课程的后续实践环节，是通信工程专业学生的一门必修实践课程。通过系统工程实训，可以帮助学生进一步掌握和深化通信工程课程的理论、原理和技术难点。通信工程专业实践教学难度大、技术性强[1-3]，主要面临两个方面的挑战：一、工程实践教学效果的挑战。很多高校通信专业实验室的设备只能完成基本的原理验证实验，难以满足新版人才培养方案的创新开发型实验和综合系统型实验的教学任务要求。二、人才培养的挑战。现代企业需要的设计性人才多具有较强的理论功底，能够从项目角度分析和解决问题。通信类企业的需求更加强调算法的设计与仿真和系统的构建。采用实验箱进行教学的方式，更多的时间花在了连线和示波器使用上，无法满足企业对人才的需求。

本文紧跟时代发展，引入软件无线电技术来构建工程专业实训平台。软件无线电技术以其极具灵活的特点越来越受到业界的青睐，国内外主流通信企业（华为、中兴、烽火、爱立信等）均已将其用于智慧小区（Smart Cell）、智能手机、5G概念型基站等产品研发中[4-7]，且在高性能的硬件平台上进行开发，并通过软件方式实现了各种产品功能。采用软件无线电技术来构建通信工程专业实训教学平台，可以培养学生创新意识，提升学生解决复杂工程问题的能力，将为毕业后从事通信工程相关工作打下坚实的基础。

平台利用通信电子线路、通信原理理论课，以及基本实验原理和方法，布置具有一定难度和工作量的课程设计题目并要求学生独立完成，使学生学习分析问题的基本能力、培养良好的思维习惯、掌握常用电路的调试技巧和编程方法。

平台由软件无线电硬件环境和软件环境两部分构成，其中硬件系统主要包括微控制单元（Multi Control Unit,MCU）、可编程阵列逻辑处理器（Field Programmable Gate Array,FPGA）、天线、接口等单元。软件部分主要实现通信系统信号的传输和处理。

2.1 通信工程专业实训平台硬件环境

软件无线电平台[8-9]提供高速模数、数模（AD/DA）转换单元以及通用数据输入与输出接口（General-Purpose Input Output Ports,GPIO），以便用于实时输入采集或输出观测；
提供射频（Radio Frequency,RF）发送和接收接口，以支持无线收发；
提供以太网接口，以用于计算机（Personal Computer,PC）端的仿真平台对接，并进行实时软硬件协同仿真实验及开发；
也支持以太网远程对基带处理单元加载FPGA算法程序。该平台嵌有FPGA基带信号处理单元，并提供标准（Joint Test Action Group,JTAG）下载接口，可直接进行硬件描述语言（Verilog Hardware Description Language,VHDL）开发以及程序下载调试，平台硬件架构如图1所示。

图1 软件无线电平台硬件架构

2.2 通信工程专业实训平台软件环境

软件平台采用图形化设计理念，集成了基础教学实验案例，可以提供丰富的通信类算法模块，包括信源编译码、信道编译码、数字调制及解调、高通/低通等高效滤波、数字码流变换、鉴频和立体声合成等。平台通过加载各种应用算法来实现不同用户、不同应用环境的需求，旨在循序渐进地引导学生从基础通信技术扩展到整个通信系统，再到对实际工程的认知、应用、设计与创新。

3.1 通信工程专业实训方式

通信系统工程实训方式灵活多样，可以设置为纯硬件FPGA开发，即让学生利用JTAG下载接口，对基带处理单元的FPGA进行硬件算法开发，配合AD/DA转换、GPIO扩展端口，以及结合射频收发前端通道，可实现无线通信传输。实验也可以设置为纯仿真开发，即让学生自行设计算法功能，将动态链接库（Dynamic Link Library,DLL）文件加载到软件的二次开发模块中，可进行多个通信技术的替代甚至整个系统的替代设计；
可以设置为软硬件虚实结合开发，即硬件平台与软件平台对接以进行虚实结合的实时协同实验；
可以设置为独自开发设计的任务模式，即让学生根据老师安排的课程设计、毕业设计及其他实训任务要求，独立完成相关工作；
还可以设置为多人协同开发的设计任务模式，即根据实训任务需要，由一名或一组学生设计发射系统，由另一名或一组学生设计接收系统，共同完成无线通信系统的设计，培养学生的团结协作能力。

3.2 通信工程专业实训任务

通信工程专业实训任务按照实验难度依次拔高，其基本实验是基于FPGA单一知识点的算法模块设计，如带通信道模拟程序设计。难度较高的实验是系统类的设计和开发，如语音和视频无线传输实验。综合性实验为具体的工程任务，难度最高，如调频接收机设计实验。实训过程会涉及以硬件平台做纯硬件开发、以软件平台做纯仿真开发、以硬件平台与软件平台互联做虚实开发等多种方式，学生可以灵活应用。

本文以“视频无线传输系统实验”为例，设计了一个单靠传统实验设备无法完成的视频无线传输系统，并实现视频无线传输实训任务。传统实验设备多以完成单一课程任务的实验为主，对单个知识点模块进行验证，无法支持综合性强、跨课程融合的实验。本文实验目的是让学生利用无线通信原理知识，通过软硬件结合的方式来构建简单完整的通信系统，从而完成视频传输任务。任务设计过程需要学生掌握用算法模块来搭建通信系统，用C++语言开发编码和译码算法，并能生成DLL文件且加载到系统中，最终完成视频传输。通过这样的综合性实验可以增强学生求知欲，提高学习兴趣。在动手编写代码过程中，学生可能会遇到各种各样的代码编译错误，在解决错误过程中不知不觉就掌握了无线传输的原理。传统的实验箱教学只是去验证算法，而学生没有自己去编写代码，甚至都没有真正理解和掌握每个知识点。

4.1 原理框图设计

视频无线传输任务要用到两套软硬件设备，一套作为发送端，另一套作为接收端，设计框架如图2所示。发送端的视频数据源将采集到的视频信号进行卷积编码，并通过网线将卷积后的信号传送到硬件平台1上且在最小频移键控（Minimum-Shift Keying,MSK）上变频，最后通过天线发送出去。接收端的硬件平台2在收到数据后，先进行MSK下变频，然后通过网线将数据发送到PC-2上，再通过软件平台进行卷积译码以得到原始信号[10]，最后将原始信号送到视频终端播放。

图2 视频无线传输系统设计

4.2 系统搭建

在系统搭建环节，利用软件平台的通信算法模块来搭建无线传输通信系统。一般来说，传统设备的实验模块只能按照固定模式去搭建系统，本文采用软件无线电实训平台搭建的系统更加灵活自由，能充分培养学生发散思维，激发创新潜能。在“视频无线传输实验”中，视频信息要可靠地传送给对方，但是无线传输会产生各种不确定因素，信道状况非常复杂，信号不可避免地会受到干扰甚至出错，为了实现可靠通信，多采用编码方法对信道差错进行控制。本文主要采用卷积编译码技术来保证信号可靠接收。

4.3 自主开发模块

利用传统实验设备进行程序设计时，只能将程序加载到FPGA中运行，而且加载过程和程序调用比较繁琐，不利于搭建综合的实验系统。软件无线电实训平台可以支持老师和学生自建算法库，自主设计算法模块并进行随意调用，能够灵活高效地搭建通信系统。采用图像化的方式，能够直观清晰地理解信号的流程，有利于学生创新，不仅提高了效率，还提高了学习质量。学生可以将自己编写的算法程序生成DLL文件，并加载到平台中去形成卷积编码和卷积译码算法模块，分别替换图2通信系统的对应模块，从而进行视频传输验证。

现以“视频无线传输实验”为例，将软件无线电技术构建的平台与传统硬件实验箱[11]和虚拟仿真实验教学平台[12-14]进行对比。文献[11]方案只能进行验证信号调制与解调实验、信道的卷积编码实验等单独模块，不能进行完整的视频传输，并且每个模块都是固定的，如果要修改信号传输的工作频率、信息格式、通信传输协议等，只能通过更新硬件平台来完成。文献[12-14]通过MATLAB/Simulink软件构建了移动通信系统仿真实验平台。通过鼠标拖拽每个模块、设置仿真参数、修改模块属性并运行仿真线路，可以观察到每个模块的输入和输出信号的波形变化。MATLAB/Simulink软件方式最大的缺点就是不需要学生自己编写无线信息传输代码，只能看到视频信号传输结果，而不知视频信号无线传输如何实现信源编解码和信道编解码的过程。在基于软件无线电技术构建的平台教学中，学生都可以单独编写每个模块程序代码并修改信号传输参数，但不需要更新硬件。学生依据无线信道特征和工程需求来修改软件参数，可以实现多频段、自适应改变信号传输码率、不同调制方式和信道编码解码方案，可以灵活适应不同无线信号传播场景，从而深度理解视频无线传输过程和原理。基于MATLAB/Simulink软件构建的平台不需要学生编写模块代码，而软件无线电平台则需要学生编写C++代码，且撰写难度要远远高于MATLAB代码。C++语言是面向对象的基础语言，编译执行效率高，可更好地用于底层函数和软件开发，从而使实践教学可以更好地模拟复杂多变的通信工程背景，提高了学生解决复杂工程技术难题的能力。

为了验证基于软件无线电技术构建的通信工程专业实训教学效果，本文作者对安庆师范大学通信工程专业学生开展了相关实验教学。例如，2019级通信工程专业学生采用传统的实验箱教学（A方案），而2020级通信工程卓越工程师班学生采用软件无线电工程实训平台教学（B方案）。为了更加准确地比较两种方案的教学效果，本文考查了“视频无线传输实验”中的调制解调模块并采用分组实验，共分4组，教学成绩如图3所示，纵坐标表示分值，在两种不同方案中，分别比较了教学平时成绩（A1、B1）、实验报告成绩（A2、B2），以及实验考试成绩（A3、B3）。将成绩进行平均汇总，结果发现，采用软件无线电技术构建的通信工程专业实训成绩较传统的实验箱教学提高了大约5.4%。同时，通过课堂学习观察和课下问卷调查，发现采用软件无线电专业实训平台的课堂气氛要明显好于传统实验箱验证教学。

图3 两种不同方案的教学效果比较

针对通信工程专业实训教学面临的挑战，本文提出了采用软件无线电技术来构建通信工程专业实训平台，并按照新的教学大纲来增加设计性实验，让实验和理论知识紧密结合以灵活设计不同的通信系统工程实训方式。该平台可以培养学生创新意识，提升学生解决复杂工程问题能力，为毕业后从事通信工程相关工作打下坚实基础。

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