史​丹​福​大學 (Stanford University) 透過 NI USRP 與 LabVIEW 而​設計​無線​通訊​的​實​機​操作​實驗​課程

Dr. Sachin Katti, Stanford University

"整合 LabVIEW 與 NI USRP 的​軟、​硬體​優點,​學生​可​建構​並​探索​完整​通訊​系統的​訊號​一系列​要素。" ​

- Dr. Sachin Katti, Stanford University

挑戰:

除了​讓​學生​了解​無線​通訊​的​初階​理論​並可​進行​模擬​之外,​亦可​提供​實際​訊號​以​利​實​機​操作​實驗。 ​

解決​方案:

NI USRP 與 LabVIEW 所​建構​的​軟體​定義​無線電​平台,​讓​學生​可於​實驗室​活用​無線​通訊​理論,​親手​構​建​真正​的​通訊​系統,​並​作為​史​丹​福​大學 (Stanford University) 二年級​的 EE 49 Building Networked Systems 課程。 ​

實驗室​中的​實際​訊號

傳統​的​射頻 (RF) 與​通訊​課程,​往往是​透過​理論​與​數學​公式​的​方法,​讓​學生​推導​公式​並​建立​模擬​作業​而已。​但有​越來越​多​教師​更​發現​實驗​設備​的​優勢,​可​讓​學生​套用​理論​而​製作​原型,​進一步​透過​實際​訊號​進行​實驗;​但是​這種​教學​設備​極​難以​兼顧​低價​位、​簡單​易​用、​豐富​的​相關​工具​等​特點。

 

史​丹​福​大學 Stanford Networked Systems Group (SNSG) 團隊​的 Sachin Katti 教授,​則​透過 LabVIEW 與 NI USRP 而​自行​設計​了 EE 49 Building Networked Systems 課程,​並將​此​教學​解決​方案​用於​大​二​課程,​以​軟體​定義​的​無線電​建構​實際​通訊​訊號。

 

創建​完整​的​通訊​系統

Katti 教授​首先​在 2011 春季​的 EE 49​課程,​讓​實驗​班​的​學生​們​體驗​此​教學​方式。​整合 LabVIEW 與 NI USRP 之後,​學生​可​建立​並​探索​完整​通訊​系統的​訊號​通路​要素,​進而​體驗​通道​編碼、​調​變 (Modulation)、​時序​回復、​隨機​位元​產生,​還有​更多​數位​通訊​系統的​最新​相關​主題。​在​課程​尾聲​時,​學生​必須​完整​銜接​發送​器​與​接收​器,​作為 RF 與​通訊​基礎​課程​的​期末​專案。

 

學生​可​實​機​操作 NI USRP RF 收發​器,​以​最高 20 MHz 瞬時​頻寬​而​即時​存取 50 MHz ~ 2.2 GHz 的​頻率​範圍。​另​透過​標準​的​車輛​遠端​控制​無​鍵​輸入​裝置,​搭配 850 MHz 的 GSM 行動​電話​上​傳​功能,​即可​觀察 RF 的​簡易 On-​Off 鍵入​訊號。​另​可​分析​頻譜​而​找出 FM 無線電​台,​甚而​建構 FM 解​調​器​而​收聽 FM 廣播​無線電。​在​課程​尾聲​時,​所有​學生​均​自行​設計​了​封包​式​收發​器,​只要能​成功​接收​並​解碼​資料​封包,​即可​回​傳​認可​字元 (ACK) 訊號。

 

各組​實驗​均​鼓勵​學生​能​親手​建構​通訊​系統​其中​的​某一​特定​模組。​舉例來說,​學生​可​透過​第四​個​實驗​而​了解​調​概念,​再​針對 USRP-​to-​USRP 連結​而​設計​無線​的​二元​相位​鍵​移 (BPSK) 調​變​的​接收​器。​單一​傳輸​器​可​重複​發送 BPSK 資訊​封包,​並由​學生​將之​解碼。​所有​學生​均​透過​自己​的​電腦​與 NI USRP 而​開發​接收​器,​即可​解​調/​解碼​訊號。​在 2 個​星期​的​實驗​專案​中,​學生​將​建構​通道​修正、​BPSK 符碼​解​映​器 (De-​mapper)、​前​置​符碼 (Preamble) 偵測、​封包​解碼、​循環​冗​餘​校​驗 (CRC) 錯誤​偵測​碼​等​實​機​操作。​實驗​流程​的​尾聲,​學生​還可​使用​自己​開發​的​程式碼,​在​最後​的​封包​解碼​實驗​中​建立​無線​連結。

 

此​試驗​課程​均​獲得​學生​的​極高​評價。​學生 Michael Duarte 對​課程​的​反應​如下:

「真的​把​課堂​知識​應用​到​實驗​中​實在​太​好玩​了。​我​之前​根本​就不​熟 USRP 硬體,​但​使用 LabVIEW 之後,​我​敢說​我​現在​已經​熟悉 USRP 的​程式設計​了。​LabVIEW 真好​用,​要​操作​設備​或​除錯​都​很簡單。​我​只能​說​這是​我在​史​丹​福 3 年來​最​喜歡​的​一門​課。」

LabVIEW 軟體​與 NI USRP 驅動​程式,​均​讓​學生​能​輕鬆​體驗​相關​程序。​LabVIEW​開發​系統​極​適於​訊號​處理​與​程式設計​作業,​並能​完美​整合 NI USRP 硬體​定義​無線電​硬體,​讓​學生​可​開發​自己​的​演算法,​進一步​處理​已​接受​的​訊號,​再​合成​傳輸​用​的​訊號。

 

教師​與​學生​的​新​選擇

Katti 教授​說:​「我們​全新​嘗試​了​通訊​理論​的​教學​方法。​全美​學校​的​電子​相關​系​所​均​招生​不足,​其中​一個​原因​就是​我們​無法​提供​實​機​操作​的​體驗​課程。​NI 解決​方案​正好​對症下藥。」

 

學生​對​課程​的​評價,​證明​大家​都能​充分​投入 EE 49 課程​且​收穫​良​多。​Katti 教授​接著​表示:​「大家​對​此​課程​都​給​了​極高​評價,​平均​獲得 4.94/5.0 分;​大概是​我們​理工學院​最​受歡迎​的​課​了。」

 

學生​均​給予​極高​評分,​評語​摘​選​如下:

「這是​我​上​過​最​有意思​的​電子​課程。」

「很​有趣​的​課……​實​機​操作​讓​我​了解​理論​又​愛上​設計。​我要​向​其他​唸​念​電機​的​同學​推薦​這​門​課。」

「我​很喜歡​這​門​課,​還可以​使用​實驗室​的​超​酷​硬體。」

 

因為​試驗​課程​很​成功,​Katti 教授​下一步​將於​秋季​課程​擴充 NI USRP 與 LabVIEW​平台,​達到 40 名​學生​使用 20 組​實驗​台。​Katti 認為​這類​課程​將為​學生​往後​的​訊號​處理/​通訊​理論​打下​絕佳​基礎。​此​教學​解決​方案​也​適用​其他​訊號​處理​的​入門​課程,​如​資訊​理論、​訊號、​系統。​此外,​該​平台​可​根據​學生​的​學習​進度,​或​產業​應用/​研究​趨勢​而​加以​調整。

 

LabVIEW 與 NI USRP 提供​低價​位、​簡單​易​用​的​軟體​定義​無線電​教學​平台,​可​提高​學生​在​無線​通訊​領域​的​競爭力。​Katti 博士​願意​分享​其​課程​教材,​幫助​更多​學生​能​實​機​操作​無線​通訊​的​理論,​進而​產生​學習​興趣。

此​課程​教材​可​至 ni.com/​courseware 取得。

 

作者​資訊:

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