Projetando laboratórios práticos de comunicação sem fio com o USRP (Universal Software Radio Peripheral) e o LabVIEW

Dr. Sachin Katti, Stanford University

"Com a combinação de software e hardware do LabVIEW e do NI USRP, os estudantes foram capazes de construir e explorar cada elemento da cadeia de um sistema de comunicação de sinal"

- Dr. Sachin Katti, Stanford University

O desafio:

Ir além da teoria e simulação para expor os estudantes, nos primeiros anos de comunicação sem fio, aos sinais reais em um laboratório prático para aprendizagem.

A solução:

Usando o NI USRP e a plataforma de rádio definido em software do LabVIEW para oferecer aos estudantes oportunidades de aplicar conceitos práticos de comunicação sem fio no laboratório como parte do curso de construção de sistemas em rede da Universidade de Stanford.

Sinais do mundo real no laboratório

Tópicos de RF e comunicações são tradicionalmente ensinados usando uma abordagem teórica e com foco na matemática nas quais os estudantes derivam fórmulas e constroem simulações. Muitos educadores vêem valor na adição do componente laboratório para os estudantes aplicarem a teoria com implementação de protótipos e experimentar com sinais reais. No entanto, a oportunidade de realizar isso é limitada pela falta de ferramentas econômicas, acessíveis e relevantes.

 

O professor Sachin Katti, chefe do grupo de sistemas em rede da faculdade de Stanford, retirou essa limitação do curso de construção de sistema em rede implementando uma nova abordagem com o software LabVIEW e o hardware NI USRP.

 

Construindo um sistema de comunicação completo

Inicialmente, o professor Katti introduziu esta abordagem a um grupo experimental de estudantes na primavera de 2011. Com a combinação de software e hardware do LabVIEW e do NI USRP, os estudantes foram capazes de construir e explorar cada elemento da cadeia de um sistema de comunicação de sinal. Ao fazerem isso, os estudantes ganharam experiência com codificação de canal, modulação, recomposição de sincronismo, geração de bit aleatório e muitos outros tópicos associados ao moderno sistema de comunicação digital. Por fim, os estudantes terminaram as aulas trabalhando em um projeto para completar uma conexão entre um transmissor e um receptor, um processo raramente atingido em um curso de introdução a RF e comunicação.

 

Experimentos na sala de aula deram aos estudantes experiência prática com o transceptor de RF NI USRP, oferecendo acesso em tempo real a faixa de frequência de 50 MHz a 2.2 GHz com uma banda instantânea de até 20 MHz. Os estudantes puderam imediatamente ver simples sinais de RF de um controle remoto padrão para abrir portas de carro até um uplink de um celular GSM em 850 MHz. Eles puderam também analisar o espectro para encontrar e até ouvir estações de rádio FM. No projeto final, cada estudante projetou um transceptor de pacotes que retornava um sinal de reconhecimento (ACK) quando um pacote de dados era recebido e decodificado com sucesso.

 

Cada laboratório encorajava progressivamente os estudantes a implementar uma parte específica de um sistema de comunicação. Por exemplo, numa aula de laboratório quatro estudantes estudaram o conceito de demodulação e implementaram partes de receptor BPSK (Binary Phase-Shift Keying) sem fio para uma comunicação entre dois USRP. Um único transmissor emitia repetidamente um pacote BPSK de informação para os estudantes decodificarem. Cada estudante, com seu próprio computador e o NI USRP desenvolveu um receptor para demodular e decodificar o sinal. Eles implementaram correção de canal, De-mapper, esquema de detecção de preâmbulo, decodificação de pacote e detecção de erro por CRC (Cyclic Redundancy Check) em um curso de duas semanas no laboratório. A sequência dos laboratórios permitiu aos estudantes usarem o código que eles desenvolveram no laboratório anterior para decodificação do pacote no laboratório final para estabelecer uma comunicação sem fio.

 

Conforme comentário do estudante Michael Duarte, a avaliação do curso por parte dos alunos foi extremamente positiva.
“Foi incrível ver como o conteúdo aprendido na sala de aula é aplicado na prática no laboratório,” disse Duarte. “Eu não tinha familiaridade com hardware USRP antes desse curso, mas através do uso com o LabVIEW eu aprendi muito com a programação do dispositivo. Foi excelente trabalhar com o LabVIEW. Foi muito fácil obter as coisas funcionando e a depuração foi muito simples. Por fim, esta aula foi com certeza a minha favorita em três anos que passei em Stanford.”

 

Os estudantes foram capazes de visualizar e interagir facilmente com esses processos usando o software LabVIEW e o driver para o hardware NI USRP. O sistema de desenvolvimento LabVIEW é ideal para processamento de sinais, tarefas de programação e interface com hardware como o rádio definido por software NI USRP, o que permitiu aos estudantes desenvolver e explorar algoritmos para processar sinais recebidos e sintetizar sinais para transmissão

 

Uma nova oportunidade para professores e estudantes

“Nós tocamos em algo grande aqui que pode revolucionar a forma com que professores introduzem conceitos de comunicação aos estudantes,” disse Katti. “Escolas ao longo do país tem tido um decréscimo em matrículas nas engenharias elétricas e computacionais, e uma das razões para isto é que nós nem sempre estamos aptos a dar aos estudantes experiências práticas e relevantes nos laboratórios. Esta solução ajuda a resolver essa questão.”

 

As avaliações do curso confirmaram que os estudantes estavam altamente comprometidos e se beneficiaram muito dessas aulas.  “As avaliações do curso para nossas aulas foram fantásticas,” disse Katti. “Os estudantes avaliaram as aulas entre 4.94 e 5.0, provavelmente tornando-se uma das mais altas avaliações entre todas as aulas da escola de Engenharia de Stanford.”


Os comentários dos estudantes ecoaram essa forte classificação, com feedbacks como:

“Com certeza a melhor aula de engenharia elétrica que eu tive até agora."

“Ótima para uma aula inicial… Os laboratórios foram realmente úteis para o entendimento dos conceitos na prática e eram interessantes no projeto. Eu recomendarei esta aula para todos os meus amigos da Engenharia Elétrica.”

“Aula maravilhosa! Eu realmente apreciei as leituras e os laboratórios foram legais porque tivemos que utilizar o hardware.”

 

Devido ao sucesso no curso piloto, o professor Katti planeja expandir a plataforma do NI USRP e LabVIEW para mais de 40 estudantes com 20 estações de laboratório para o próximo semestre. Katti antecipa que este tipo de curso preparará melhor os estudantes para os futuros cursos de processamento de sinais e comunicações. Devido à acessibilidade desta solução educacional, a plataforma é também aplicável a uma variada faixa de outros cursos de nível introdutório do processamento de sinais, como teoria da informação, sinais e sistemas. Adicionalmente, a plataforma acompanha os estudantes conforme eles progridem nos seus estudos podendo seguir em frente na área de pesquisa ou aplicações industriais.

 

Por fim, o software LabVIEW e o hardware NI USRP fornecem uma solução econômica, acessível e relevante para o desenvolvimento da proficiência do estudante que o fará competitivo no andamento de sua carreira em comunicações sem fio. O Dr. Katti ofereceu-se para compartilhar o material do curso com outras universidades para elas também encontrarem caminhos para engajá-los e proporcionar-lhes de forma rápida um currículo de experiências práticas em comunicações sem fio.

 

O material de laboratório já esta disponível no site ni.com/courseware.

 

Informações sobre o autor:

Dr. Sachin Katti
Stanford University
236 Packard, Stanford University
Stanford, CA 94305
United States
skatti@stanford.edu