南安普敦大学一直在寻找新的和创新的方法来教授无线通信原理,因为在这个时候,学生们对无线电技术非常感兴趣。

演示无线通信的实际挑战

世界上大多数电子教育教授的无线通信,重点主要在通信理论方面。在南安普敦大学,教育工作者对教授学生通信技术的实践性环节方面采取了不同的措施,以便更好地为他们的行业生涯做好准备。学生们专注于无线通信系统的快速原型技术,该系统具有实时射频(RF)信号流,这为通信教育提供了一种实用的方法。通过这种方法,学生在操作实时信号方面获得了宝贵的经验,也帮助他们更好地理解了无线通信和相关的实际挑战。

一个用来演示实践概念的真实通信系统

南安普敦大学在其无线通信硕士课程中已经完成了无线通信实践概念的演示。重点是创建一个无线通信系统,以演示差分正交相移键控(DQPSK)的概念和以及它如何在无线通信中使用。学生们得到了一个USRP™(通用软件无线电外设),任务是在一个实际的会话中构建一个DPSK收发器。在此之前,他们参加了一个关于USRP的一小时的讲座,以及如何使用它来实现他们的学习成果。此外,他们还要做一项会前作业,熟悉LabVIEW及其环境。

无线通讯的实际挑战

南安普敦学生的任务是建设一半的无线通信系统。该设置由一个不完整的DQPSK解调器组成,需要完成DQPSK解调器的工作,以便能够解码由一个单独的USRP设备发送的调制信号。为了完成这项任务,需要涉及不同概念的许多步骤,以便最终得到一个完全工作的通信系统。

图1:系统框图

学生们首先对接收到的和下变频信号应用了滤波器,并将其与系统发射机中滤波器的输入进行比较。然后,他们对数据进行采样,以检测、同步和从波形中提取DPSK符号,并将它们与发射机中的符号进行比较。最后,学生们对这些DPSK符号进行解调和解码,以恢复信息位,并再次与发射机中的数据进行比较。

在解调器中实现了这三个特征之后,学生们通过将自己的星座图和信号眼图与发射机的星座图和信号眼图进行对比,并对自己的系统进行了严格的测试,如下图所示。

图2:星座图和眼图

星座图直观地概述了相移键控调制方案中的不同相位如何与符号匹配,以及它们如何在信号包络内表示的。它们之所以重要,是因为它们给出了信号或信道中干扰或失真程度的视觉概述--一种快速查看一切是否正常运行的方法。

眼图提供了一个类似的视觉参考,因为它帮助显示一个通道中所有不同类型的符号,这些符号相互叠加,以查看系统的特性。从这个实验中,学生们可以推断出一些特征,比如符号太长、太短、有噪声或者不同步。如果眼睛是“睁开的”,就像上图所示,那么它就能推断出信号的最小失真。如果信号被扭曲,那么眼图就开始关闭,减少了图形中的空间。

4/5的学生希望更多地使用USRPs

通信系统模块结束后,学生完成满意度调查问卷,并对实用课程进行了反馈。

超过4/5(82%)的学生表示,未来他们希望在课程的教学方面使用USRP。此外,75%的学生表示,他们希望在他们的理学硕士研究项目中使用USRP--显示出它在无线通信教育和研究的各个方面的巨大潜力。

一名学生说:“USRP为探索提供了一条道路。这是一个很好的工具,弥补了实际和理论之间的差距”。而另一位则表示:“USRP生动地帮助我理解了我在课堂上学到的理论。”这表明南安普敦在实际通信教育方面树立了一个强有力的标杆。