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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