CN106373458A - 一种基于软件无线电技术的通信实验设备及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于软件无线电技术的通信实验设备及其实验方法，是全新的通信实验设备及其实验方法，通信实验设备采用软件无线电架构实现，包括：射频分部、数据处理与路由分部、控制及显示分部、实验项目管理模块。所述基于软件无线电技术的通信实验设备的实验方法，包括生成与添加实验方法、实验操作方法、实验分析模块三部分。本发明设备的高性能通用硬件平台保证了设备的生命周期，可支持通信专业多个细分学科的实验，用户可以利用它进行通信技术的创新研究；设备的网络化和虚拟化大大改善了用户体验，可随时随地做实验，且支持设备的远程使用，极大地提升了实验教学的效果。

Description

一种基于软件无线电技术的通信实验设备及其实验方法

技术领域

本发明涉及基于软件无线电技术的通信实验设备及实验方法，具体为一种应用于通信专业教学领域的实验教学设备，以及与实验设备对应的实验方法，属无线电通信技术领域。

背景技术

近年来我国通信行业呈快速发展趋势，然而要保持这种势头则必须有通信教学领域的支撑，通信专业的教学包括理论教学与实践教学，这些都需要有相应的通信教学实验设备，但目前国内市场上的通信实验设备主要存在以下不足：

⑴通信技术的不断进步对目前的通信实验设备提出了挑战，很多现有通信实验设备已不能满足新兴通信技术的教学要求，面临淘汰，现代通信实验室迫切需要一种具有较长生命周期的实验教学设备。

⑵通信专业各细分学科（如信号与系统、通信原理、移动通信技术、光纤通信等）的实验设备有一定相似性，但它们并不能完全共用，各细分学科还有专门的实验设备，导致通信专业的实验设备资金投入很大，但设备的利用率不高。

⑶目前的通信实验设备一旦成型，则功能固化，存在不可扩展性弊端，依托这些设备则无法进行通信技术的进一步创新研究，支持创新研究的设备又需耗时费钱另购，从而加重了通信实验室的资金负担，也影响了通信科学研究的进程。

另一方面，当前通信实验设备的信号观察一般借助多通道示波器，存在的缺陷一是硬件成本高，二是进行实验时，要求用户必须在现场进行实验，使用者不在实验设备现场则无法进行实验，不利于学生对相关知识进行深入学习和巩固，不能随时随地实验，最终实验课程的实施并不理想。

综上所述，一种可以在高性能的通用硬件平台上加载不同的实验软件，实现不同的功能，并通过实验设备的网络接口，支持用户远程实施实验过程，同时，通过使用虚拟仪器技术，支持用户方便地观测实验结果的模块化实验设备及方法——基于软件无线电技术的通信实验设备及其实验方法成为必需。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术提出问题，提供一种基于软件无线电技术的通信实验设备及其实验方法，是全新的通信实验设备及其实验方法，所述通信实验设备满足具有较长生命周期的要求，具有通用性、可扩展性，且支持设备的远程使用，通信实验设备采用软件无线电架构实现，包含硬件平台与软件。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于软件无线电技术的通信实验设备，其特征在于：包括：射频分部、数据处理与路由分部、控制及显示分部、实验项目管理模块；

所述射频分部包括：射频天线、射频处理模块；射频分部的工作频率范围和采样速率满足从2G至5G的全部通信技术；

所述数据处理与路由分部包括：数据处理与路由模块、射频控制模块、主控模块、D/A模块、A/D模块、光纤收发模块；

所述控制及显示分部包括：示波器、上位机、控制与分析模块；

所述射频天线用于接收射频处理模块传输的已调信号，并将此信号以无线方式发送到空中；射频天线还用于接收空中的已调信号，并传给射频处理模块；射频天线支持MIMO技术；

所述射频处理模块用于接收数据处理与路由模块传输过来的调制信号，再将调制信号传输给射频天线；射频处理模块还用于将射频天线接收并传输过来的已调信号，转变为原始信号，再传给数据处理与路由模块；射频处理模块采用高度集成的RF捷变收发器；

所述数据处理与路由模块包括：高性能处理器、高速串行数据传输接口；数据处理与路由模块满足5G通信所需的高带宽基带数据传输要求，所述处理器用于：

与上位机之间通过高速总线收发数据，并接收和响应上位机发送的路由控制指令，在A/D模块、D/A模块、光纤收发模块、射频分部之间建立数据收发通路；或者是，

根据路由指令选择将从上位机接收的数据发送至D/A模块用于示波器呈现波形，或将从上位机接收的数据发送至射频处理模块后，再通过射频将信号发射出去，或将从上位机接收的数据发送至光纤收发模块后通过光纤发送出去；或者是，

根据路由指令将来自射频分部的数据发送至上位机，或将光纤收发模块的数据传送至上位机，或将A/D模块的数据传送至上位机；

所述射频控制模块和主控模块用于在上位机的控制下，完成对射频分部各芯片的功率、频率参数的控制；上位机通过低速总线接口与主控模块交互，主控模块与射频处理模块通过I/O口通信；主控模块基于通用CPU实现，使用自定义的协议与上位机进行指令交互，解析上位机指令并将其转化为射频控制模块所需要的指令编号与参数；射频控制模块基于可编程逻辑电路实现，其指令执行属于原子操作，不会被中断，保证与射频处理模块控制接口通信可靠；

所述D/A模块用于接收数据处理与路由模块中传送的数据，将数字信号转变为模拟信号，传送给示波器显示屏；

所述A/D模块用于将外界接收的模拟信号转变为数字信号，再传给数据处理与路由模块；

所述光纤收发模块通过光纤接收来自外部数据，并传入数据处理与路由模块，或者是将数据处理与路由模块的数据，经光纤收发模块中的光纤发送出去；

所述上位机也可以模拟光纤通信实验的数据，经高速总线将数据发送给数据处理与路由模块，再进一步发送给光纤收发模块，并由光纤收发模块经光纤发送出去；

所述数据处理与路由模块中的数据经D/A模块转换后传输至示波器显示波形；

所述实验项目管理模块包括：实验项目分类、实验数据与波形显示、硬件系统控制与数据收发；

所述实验项目分类用于：管理不同类别实验的生成、添加与调用，以及，实验软件平台上实验目录采用分层分类设计；不同的实验课程对应不同的目录分类，同一实验下还有多级目录分层，多级目录的最底层对应为一个个具体的实验目录，包括单个实验项目的设计实验框图、实验程序；这些实验具有统一的数据接口、统一的文件布局方式，所有实验项目都遵循统一的操作与管理；

所述实验数据与波形显示是使用虚拟示波器观察实验的全部的中间结果，虚拟示波器用于选择和切换数据源，并进行相关波形的对比分析；虚拟示波器的数据通过D/A模块同步送至真实示波器显示；虚拟示波器是实施远程操作实验的基础；

所述硬件系统控制与数据收发模块用于完成硬件平台与软件平台上的控制命令交互和数据交换。

一种基于软件无线电技术的通信实验设备的实验方法，包括生成与添加实验方法、实验操作方法、实验分析模块三部分；其特征在于：

所述实验分析模块是按照通信专业课程中涉及的各种信源产生、信源编码、信道编码、基带调制与解调、信道解码、信源解码等各个环节的要求，编写相关程序，实现各个通信子过程；

所述生成与添加实验的方法如下：

首先通过界面控制软件中设计实验原理呈现模块，按照教材的内容设计实验原理的框图，将教材中复杂的实验原理分解为若干模块，通过模块之间的组合方式来解释实验原理；实验原理框图设计好后，利用实验分析模块按照实验原理设计实验算法和编写好实验程序，针对通信课程中的各个环节的不同要求，都对应设计了实验算法和实验程序；然后利用界面控制软件，将设计好的实验算法和程序集成到一起，完成实验数据与波形显示模块设计，实现实验数据、实验波形的输出，并且统一设计与硬件平台的接口，完成硬件系统控制与数据收发模块设计，使得所有的实验都可以通过软件平台上统一的接口进行控制。设计好所有实验后，利用界面控制软件设计实验项目管理模块，按照教材中的实验内容建立起实验目录，最底层的实验目录，都包含单个实验项目的设计实验框图、实验程序，这些实验具有统一的数据接口、统一的文件布局方式，所有的实验项目都可以通过实验项目管理模块统一的操作与管理；

所述实验操作方法如下：利用高速总线连接上位机和硬件平台，打开界面控制软件，首先找到实验项目管理模块，选中对应的实验目录，会出现实验原理呈现模块，实验原理呈现模块利用框图形式解释实验原理。然后点击程序下载按钮，将设计好的实验程序下载进入硬件平台上，界面控制软件上有指示灯可以显示硬件平台运行是否正常，这时可以利用硬件系统控制与数据收发模块，来控制硬件平台的与软件平台的数据交互，并可以控制硬件平台的射频发射功率等参数。实验数据与波形显示模块，可以显示实验过程中的数据和波形，并且可以将多路波形放在一起做对比分析。

本发明的有益效果是：

1）设备的高性能通用硬件平台保证了设备的生命周期。

2）设备的功能依赖于所加载的不同软件，因此可支持通信专业多个细分学科的实验，大大提升设备的利用率。

3）设备的开放性支持用户进行自定义的实验，用户可以利用它进行通信技术的创新研究。

4）设备的网络化和虚拟化大大改善了用户体验，可随时随地做实验，且远程实验和现场实验效果一致，极大地提升了实验教学的效果。

附图说明

附图1为本发明硬件平台完整示意图；

附图2为软件平台完整示意图；

附图3为软件平台实施例示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明：

如图1所示，本发明提供一种基于软件无线电技术的通信实验设备及其实验方法的具体实施方式，如图1所示，实验设备的硬件平台包括：射频分部100、数据处理分部200、控制及显示分部300。射频分部100包括射频天线101和射频处理模块102。数据处理部分200包括数据处理与路由模块201，射频控制模块202，主控模块203，D/A（数模转换）模块204，A/D（模数转换）模块205，光纤收发模块206。控制及显示部分300包括上位机301和示波器302。

射频天线101，采用MIMO（多输入多输出）技术。射频天线与射频处理模块相连，射频天线接收射频处理模块传输的已调信号，并将此信号以无线方式发送到空中，射频天线同样可以接收空中的已调信号，并传给射频处理模块。

射频处理模块102，射频处理模块接收数据处理与路由模块传输过来的原始信号，并将原始信号经调制变换变为已调信号，再将已调信号传输给射频天线，射频处理模块同样可以将射频天线接收并传输过来的已调信号，转变为原始信号，再传给数据处理与路由模块。

数据处理与路由模块201，采用高性能处理器，通过高速总线接收上位机传送过来的数据，选择存储或是下一步发送的目的地。同样接收射频处理模块102、DA 204、AD 205、光纤模块206传输来的数据，并决定数据下一步传输的目的地。

射频控制模块202和主控模块203，两个联合起来在上位机301控制下，完成对控制射频处理模块102的功率，频率等参数的控制。

DA 204，用于将数据处理与路由模块处理的数据做数模转换，再发送给示波器观察。

AD 205，用于将外界接收的模拟信号转变为数字信号，传给数据处理与路由模块；或将数据处理与路由模块中的数字信号转变为模拟信号，进而可以将模拟信号发送出去。

光纤收发模块206，通过光纤将外界发送的数据，传送给数据处理与路由模块201,，也可以接收经过数据处理与路由模块201处理后的数据，再将数据通过光纤发送出去。

上位机301，主要用于产生实验所需的信号，还可以下发指令控制主控模块203和数据处理与路由模块201。通过控制主控模块203和控制射频控制模块202达到对射频处理模块102和射频天线101的控制，从而控制整个实验平台的射频发送的频率和功率。上位机301同样可以通过控制数据处理与路由模块201，以控制实验平台上数据传输的方向。

基于软件无线电技术的通信实验设备的软件平台，由界面控制软件、分析软件构成。界面控制软件包含实验项目管理、实验原理呈现、实现数据与波形显示、硬件系统控制与数据收发等模块；分析软件包含通信专业课程中涉及的各种信源产生、信源编码、信道编码、基带调制与解调、信道解码、信源解码等环节的算法实现。

实验项目管理，软件平台上实验目录采用分层式设计，对应不同的实验课程设计不同一级目录，一级目录下按照实验要求设置若干二级目录，二级目录下再细分为若干三级目录，依次类推直到最底层目录，针对最底层的实验目录，每一个实验项目对应设计实验框图、实验程序，这些实验用到的文件都有统一接口、统一文件布局的设计，这样所有的实验项目都遵循统一的管理模式。

实验原理呈现，针对不同实验项目及不同的实验原理，对应设计了不同的实验框图，按照分析软件中设计的算法，框图中将实验中信号的转变过程，分解为若干步骤，将信号的转变过程详细展示出来，大大降低理解难度。

实现数据与波形显示，针对每个实验项目设计的实验框图中可以通过探针，来观察实验的中间部分结果，同时将输入信号，中间结果，输出信号都可以集中在同一界面中观察，实现对比分析。

硬件系统控制与数据收发，完成硬件平台与软件平台上数据交换，以及软件平台对硬件平台的控制。

分析软件，按照通信专业课程中涉及的各种信源产生、信源编码、信道编码、基带调制与解调、信道解码、信源解码等各个环节的要求，利用分析软件设计算法，及相关程序的编写工作。

如图2所示，为界面控制软件和分析软件联合起来生成与添加实验的方法，将实验内容建立分为四个步骤，包括框图生成、算法设计和程序编写、生成实验和集成调度、目录生成每个步骤分别完成软件平台上若干个模块的设计工作，最后结合在一起，作为实际的软件平台。图中实线框为利用界面控制软件完成的步骤，图中虚线框为利用分析软件完成的步骤。

框图生成，主要体完成界面控制软件中，实验原理呈现模块设计，针对教材中不同实验项目及不同的实验原理，对应设计了不同的实验框图，使得实验原理一目了然。

算法设计和程序编写，主要完成分析软件中算法设计和程序编写这一步，根据实验内容设计好算法，并按照算法编写好实验程序。

生成实验和集成调度，主要完成界面控制软件中，硬件系统控制与数据收发模块和数据与波形显示模块的设计。界面控制软件利用分析软件中设计好的实验程序，设计好统一的界面，并通过程序中设计的统一接口实现和硬件平台上数据的交换，通过虚拟的显示接口可以输出实验中各个步骤的实验数据和波形。

目录生成，主要完成界面控制软件中，实验项目管理模块设计。设计好实验后，按照统一的文件布局设计实验目录，使得所有的实验项目都遵循统一的管理模式，方便界面控制软件调用，也方便实验人员管理。

具体的实验的操作方法通过如下二个实施例来阐述：

实施例1，主要阐述硬件平台使用及数据传输情况。

如图1所示，上位机301中利用分析软件和编辑好的程序模拟出实验所需数据，数据产生后，经高速连接线传入数据处理与路由模块201，数据处理与路由模块201暂时存储数据，此时数据处理与路由模块201在路由控制指令，决定数据下一步流向。若路由控制指令决定将数据传输给射频处理模块102，数据就会被传送给射频处理模块102，射频处理模块102将传输来的基带信号调制，转变为射频信号，射频信号会进一步将数据通过天线101发送出去。此时上位机301可以通过控制指令来控制主控模块203和射频控制模块202，主控模块203解析上位机指令并将其转化为射频控制模块202所需要的指令编号与参数，射频控制模块202在接收指令后，根据指令内容实现对控制射频处理模块102的各个参数的控制，以达到发送要求。若路由控制指令决定将数据传输经过DA（数模转换模块）204，则DA（数模转换模块）204会将数据做数模转换处理后，传入示波器，则可以通过示波器观察实验数据。

在接收外界数据情况下，射频天线101接收大气中的射频信号，并将数据传输给给射频处理模块102，射频处理模块102将数据解调，转变为基带信号，然后将基带信号传送给数据处理与路由模块201，数据处理与路由模块201可以在路由控制指令控制下决定选择数据传输的方向，可以经高速总线传给上位机301做处理或是显示，也可以直接经过DA（数模转换模块）204处理后，传入示波器观察。

在硬件保持不变的情况下，在上位机301中修改实验中使用的代码，可以完成所有通信有关实验。

以上实施例1未将所有的数据流通过程包括在内。

实施例2，主要阐述软件平台上使用及数据传输情况。

如图3所示，为软件平台的上实验控制界面的示意图（打开软件前先正确连接好上位机和硬件平台）。实验控制界面主要有：项目管理模块、实验原理呈现模块、实验数据与波形显示模块、硬件系统控制与数据收发模块、运行控制、实验参数设置、硬件平台状态指示几部分组成。项目管理模块是由所有的实验项目建立的目录，选中其中一个实验并打开，就会出现根据实验原理设计的实验原理呈现模块，框图中将信号的转变过程详细展示出来，将复杂的实验原理通过框图层层递进的分析，便于理解。在硬件系统控制与数据收发模块中点击下载按钮，可以将设计的实验程序下载进入硬件平台，不同的实验内容需要下载不同的实验程序。程序下载完成后，点击运行控制按钮启动整体的实验平台，运行控制包括单步运行和连续运行，单步运行便于实验人员逐步理解实验内容，细化理解过程；连续运行能快速显示实验结果，便于验证实验设计。在实验运行的过程中可以通过硬件平台状态显示灯，来观察实验平台是佛运行正常，便于及时发现问题，避免损坏实验设备。此时硬件系统控制与数据收发模块中的射频控制按钮，可以用来控制硬件平台上射频发送的功率、频率等参数。通过实验参数设置模块，可以修改基本的实验参数。实验运行过程中或是实验运行结束后，可以通过实验数据与波形显示模块来观察实验中的数据和波形，并且实验数据与波形显示模块支持将多路波形放在一起对比分析，通过波形的比对可以凸显变化，方便学生理解实验。

以上仅为发明的实施例，但并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种基于软件无线电技术的通信实验设备，其特征在于：包括：射频分部、数据处理与路由分部、控制及显示分部、实验项目管理模块；

所述射频分部包括：射频天线、射频处理模块；射频分部的工作频率范围和采样速率满足从2G至5G的全部通信技术；

所述数据处理与路由分部包括：数据处理与路由模块、射频控制模块、主控模块、D/A模块、A/D模块、光纤收发模块；

所述控制及显示分部包括：示波器、上位机、控制与分析模块；

所述射频天线用于接收射频处理模块传输的已调信号，并将此信号以无线方式发送到空中；射频天线还用于接收空中的已调信号，并传给射频处理模块；射频天线支持MIMO技术；

所述射频处理模块用于接收数据处理与路由模块传输过来的调制信号，再将调制信号传输给射频天线；射频处理模块还用于将射频天线接收并传输过来的已调信号，转变为原始信号，再传给数据处理与路由模块；射频处理模块采用高度集成的RF捷变收发器；

所述数据处理与路由模块包括：高性能处理器、高速串行数据传输接口；数据处理与路由模块满足5G通信所需的高带宽基带数据传输要求，所述处理器用于：

与上位机之间通过高速总线收发数据，并接收和响应上位机发送的路由控制指令，在A/D模块、D/A模块、光纤收发模块、射频分部之间建立数据收发通路；或者是，

根据路由指令选择将从上位机接收的数据发送至D/A模块用于示波器呈现波形，或将从上位机接收的数据发送至射频处理模块后，再通过射频将信号发射出去，或将从上位机接收的数据发送至光纤收发模块后通过光纤发送出去；或者是，

根据路由指令将来自射频分部的数据发送至上位机，或将光纤收发模块的数据传送至上位机，或将A/D模块的数据传送至上位机；

所述射频控制模块和主控模块用于在上位机的控制下，完成对射频分部各芯片的功率、频率参数的控制；上位机通过低速总线接口与主控模块交互，主控模块与射频处理模块通过I/O口通信；主控模块基于通用CPU实现，使用自定义的协议与上位机进行指令交互，解析上位机指令并将其转化为射频控制模块所需要的指令编号与参数；射频控制模块基于可编程逻辑电路实现，其指令执行属于原子操作，不会被中断，保证与射频处理模块控制接口通信可靠；

所述D/A模块用于接收数据处理与路由模块中传送的数据，将数字信号转变为模拟信号，传送给示波器显示屏；

所述A/D模块用于将外界接收的模拟信号转变为数字信号，再传给数据处理与路由模块；

所述光纤收发模块通过光纤接收来自外部数据，并传入数据处理与路由模块，或者是将数据处理与路由模块的数据，经光纤收发模块中的光纤发送出去；

所述上位机也可以模拟光纤通信实验的数据，经高速总线将数据发送给数据处理与路由模块，再进一步发送给光纤收发模块，并由光纤收发模块经光纤发送出去；

所述数据处理与路由模块中的数据经D/A模块转换后传输至示波器显示波形；

所述实验项目管理模块包括：实验项目分类、实验数据与波形显示、硬件系统控制与数据收发；

所述实验项目分类用于：管理不同类别实验的生成、添加与调用，以及，实验软件平台上实验目录采用分层分类设计；不同的实验课程对应不同的目录分类，同一实验下还有多级目录分层，多级目录的最底层对应为一个个具体的实验目录，包括单个实验项目的设计实验框图、实验程序；这些实验具有统一的数据接口、统一的文件布局方式，所有实验项目都遵循统一的操作与管理；

所述实验数据与波形显示是使用虚拟示波器观察实验的全部的中间结果，虚拟示波器用于选择和切换数据源，并进行相关波形的对比分析；虚拟示波器的数据通过D/A模块同步送至真实示波器显示；虚拟示波器是实施远程操作实验的基础；

所述硬件系统控制与数据收发模块用于完成硬件平台与软件平台上的控制命令交互和数据交换。

2.一种基于软件无线电技术的通信实验设备的实验方法，包括生成与添加实验方法、实验操作方法、实验分析模块三部分；其特征在于：

所述实验分析模块是按照通信专业课程中涉及的各种信源产生、信源编码、信道编码、基带调制与解调、信道解码、信源解码等各个环节的要求，编写相关程序，实现各个通信子过程；

所述生成与添加实验的方法如下：

首先通过界面控制软件中设计实验原理呈现模块，按照教材的内容设计实验原理的框图，将教材中复杂的实验原理分解为若干模块，通过模块之间的组合方式来解释实验原理；实验原理框图设计好后，利用实验分析模块按照实验原理设计实验算法和编写好实验程序，针对通信课程中的各个环节的不同要求，都对应设计了实验算法和实验程序；然后利用界面控制软件，将设计好的实验算法和程序集成到一起，完成实验数据与波形显示模块设计，实现实验数据、实验波形的输出，并且统一设计与硬件平台的接口，完成硬件系统控制与数据收发模块设计，使得所有的实验都可以通过软件平台上统一的接口进行控制；设计好所有实验后，利用界面控制软件设计实验项目管理模块，按照教材中的实验内容建立起实验目录，最底层的实验目录，都包含单个实验项目的设计实验框图、实验程序，这些实验具有统一的数据接口、统一的文件布局方式，所有的实验项目都可以通过实验项目管理模块统一的操作与管理；

所述实验操作方法如下：

利用高速总线连接上位机和硬件平台，打开界面控制软件，首先找到实验项目管理模块，选中对应的实验目录，会出现实验原理呈现模块，实验原理呈现模块利用框图形式解释实验原理；然后点击程序下载按钮，将设计好的实验程序下载进入硬件平台上，界面控制软件上有指示灯可以显示硬件平台运行是否正常，这时可以利用硬件系统控制与数据收发模块，来控制硬件平台的与软件平台的数据交互，并可以控制硬件平台的射频发射功率等参数；实验数据与波形显示模块，可以显示实验过程中的数据和波形，并且可以将多路波形放在一起做对比分析。