何 维，胡安琪，李兆玉，张 毅

运用虚拟测试仪表技术深度革新信号解调实验

何 维，胡安琪，李兆玉，张 毅

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065）

针对在信号解调实验中，商用设备封闭、实验箱设备不稳定、传统Matlab实验偏重仿真与实际脱节的不足，借鉴虚拟测试仪器仪表的工程实现方法来革新传统信号调制解调实验内容，基于软件无线电思想，设计出一套新的调制信号解调实验体系。该体系将通信原理、信号与系统和数字信号处理课程的知识点有机联系，综合在一起。同时该体系实验过程遵循工程实际，更具有现实和工程意义。

实践教学；虚拟仪表；软件无线电

在教育部的大力引导以及当前就业形势的影响下，通信工程专业实践教学环节的重要性愈发显现出来。信号的调制解调是本科通信原理和数字信号处理课程研究的重点内容。信号调解是从接收信号中恢复原信号的重要过程，通过教学实践可以让学生直观、详细地了解接收信号的处理流程，并掌握信号解调原理[1-3]。

1 存在的问题

现阶段信号解调实验的教学主要是基于商用设备、实验箱设备或Matlab仿真，这些教学手段存在一些问题。

1.1 商用设备的技术封闭性

商用设备可靠性高、性能稳定，但接口不开放，无法获取调制解调原理中关键步骤点的数据，不适于学生动手实践，主要用于展示或基本过程的讲解。

1.2 实验箱设备不稳定性

对于实验箱设备，由于调制解调涉及高频的射频电路，元器件要求高，设计费用昂贵；若受限于费用，采用一般元器件，则无法保证稳定性和可靠性；实验箱设备一般开放信号探测接口，即学生通过外接示波器可以观察信号波形，但编程接口开放度很低，不能编程控制信号调制解调算法，学生的实际参与度很低。

1.3 Matlab仿真与实际工程不符

鉴于商业设备和实验箱设备的缺陷，一个折中的解决方案是使用Matlab平台进行仿真。

Matlab是一个稳定开放的仿真验证平台，从一定程度上很好地解决了商业设备的封闭性缺陷和实验箱设备不稳定、半开放的缺陷，但目前国内外基于Matlab平台的调制解调实验都是“仿真”性质的，而非工程或接近工程处理方法。这种基于仿真性质的调制解调实验的大致流程是：首先调用Matlab的随机函数，生成发送数字序列，即调制信号，用密集等间隔的正弦信号采样仿真载波信号，用调制信号调制载波，得到已调信号，再乘以载波信号，即恢复得到基带信号，恢复出发送信号[4]。这个过程和通信原理中的信号调制解调过程大体一致，对学生深入理解理论知识起到一定的作用。但这种仿真实验也存在缺陷，这些缺陷体现在以下几个方面：

（1）仿真数据的特性不能客观反映真实数据的特性。比如信号中出现连续的“1”或“–1”的时候，仿真信号峰值较为平坦。而真实信号由于电路的“惯性”特性，峰值非常尖锐，这对信号解调过程中的时间同步处理算法提出了非常高的要求，因为这种情况下信号的最佳采样点在“半峰”附近，而不是在“峰顶”。

（2）仿真过程不能客观反映真实传输信道的特性。真实信道中的多径效应（信道的频率选择性衰落特性）、多普勒效应（信道的时间选择性衰落特性）、阴影效应以及各种窄/宽带干扰等传输特性很难通过Matlab仿真出来，信号经过拥有这样特性的信道之后的效果也很难通过Matlab准确仿真出来[5]。

（3）仿真调制解调过程和真实调制解调过程存在巨大差异。硬件的接收机需要硬件电路来实现滤波器、载波同步、相位同步、符号时间（定时）同步等关键功能。基于软件无线电的接收机对硬件的载波同步、相位同步要求非常低，对符号时间（定时）同步没有要求，只要求精准（时间间隔严格准确）的采样时钟即可，但在软件算法处理阶段，重采样、数字滤波器、载波同步、相位同步、符号时间（定时）同步等都是必须精确处理的，否则无法准确恢复出发送信号。

2 基于虚拟测试仪表技术对信号解调的实现

虚拟测试仪器仪表运用软件无线电的思想来实现信号的解调（处理），通过计算机屏幕绘图来虚拟展示信号解调（处理）的结果。本文的内容主要借鉴虚拟测试仪器仪表的工程实现方法来革新传统信号调制解调实验内容。

2.1 软件无线电平台前端处理流程

基于软件无线电架构的数字信号解调系统中，数字信号处理尽可能靠近接收射频信号的最前端。图1为基于软件无线电平台的信号解调前端硬件处理流程。模拟射频信号（X(t)）经过下变频（Down Convert）得到模拟中频信号（IF），接着对模拟中频信号进行带通采样（ADC）得到中频数字信号，然后，对中频数字信号进行数字下变频（DDC），得到准基带（或近似基带）的I/Q两路的采样点数据（Samples）[6]。

图1 软件无线电平台前端硬件处理流程

2.2 软件无线电平台后端处理流程

软件无线电平台前端得到基带IQ两路采样数据后，通过USB/Ethernet/SPI等高速接口（data interface）把数据传递给后端全数字信号处理平台进行处理。在本文中，为了减少硬件开发维护的成本与工作量，省去软件无线电平台前端硬件的开销，把基带IQ两路采样数据直接存为CSV文件格式，如此一来，后端全数字化信号处理平台软件通过操作系统标准的文件接口（或Matlab文件接口）即可轻松获取基带数据，进行信号解调处理。接下来，针对不同信号或系统类别，分别介绍后端信号解调（实验）的基本流程与步骤。

2.2.1 单载波调制信号

对于单载波调制信号（比如PSK、FSK、MSK、QAM）的解调，总结出图2所示的流程图。通过数据接口读入准基带信号的IQ两路采样数据后，进行重采样处理。加上重采样处理算法后，可以降低软件无线电平台前端硬件的设计要求，即硬件采样时钟频率可以不严格遵循特定系统调制信号的采样频率倍数要求，而是通过重采样算法把非标准采样率变换到特定调制信号解调需要的标准采样率或每符号整数个采样点的要求。然后通过匹配测量数字滤波器，构建完整的波形成型函数，比如发端信号通过根号升余弦函数滤波，接收端必须通过同样的根号升余弦函数滤波，如此构造一个升余弦滤波的完整波形成型函数效果[7]。时间修复或定时修复算法的作用是回复信号的符号定时，此算法模块使得软件无线电平台前端硬件无须提供硬件相关的信号符号定时模块，极大地简化了软件无线电平台前端硬件的设计要求。载波频率偏移检测和消除模块的主要功能是检测准基带信号中的残余频偏。由于多普勒效应和本地晶振频率不精确等因素，造成本地载波频率和实际接收到的射频信号频率之间存在一定偏差，造成射频解调后得到的基带信号中有残余的频率成分存在，造成基带信号星座图旋转，必须予以纠正[8]。纠正频偏之后的信号再消除相位偏移的影响，即恢复出准确的基带信号，根据不同调制类型，送入相应的解调判决算法模块，既可恢复出原始比特流，也可送入功率谱分析等算法模块得到相应测试参数。

2.2.2 TD-LTE下行信号

对于TD-LTE下行信号的解调，总结出如图3所示的信号解调流程图。

2.2.3 WLAN802.11a下行信号

对于WLAN802.11a下行信号的解调，总结出如图4所示的信号解调流程图。

图2 单载波信号解调流程图

图3 TD-LTE下行信号解调流程图

图4 WLAN OFDM信号解调流程图

3 基于虚拟测试仪表技术的新体系的优越性

上述体系是基于虚拟测试仪器仪表技术（即软件无线电技术），运用Matlab平台和VS2010 C/C++平台设计并实现各类调制信号的全数字化（纯软件化）的解调算法实验。从工程实际中的信号解调算法和流程入手，设计一般层次的基于Matlab（非仿真）的信号解调实验，设计较高层次的基于VS2010 C/C++平台的进阶调制信号解调实验，以适应不用层次的实验。基于软件无线电的思想实现信号的解调（处理），并通过计算机屏幕绘图来虚拟展示信号解调（处理）的结果的实验体系，具有较好的开放性，方便学生实际参与编程控制信号调制解调算法，并增进对相关知识的了解。它解决了以下问题：

（1）提供大量实测调制信号数据。项目取得大量单载波及多载波调制信号的实测数据，还有实验中心TD-LTE基站、WLAN接入点的实测数据以及自身通过安捷伦等信号发生器采集的调制数据。通过以上3个主要渠道，就可以提供数十种调制信号的实测数据。

（2）新实验不依赖特殊硬件平台。以上实测数据可以存储为IQ两路采样点的文件形式，解调算法可以使用Matlab语言或者C/C++等编程语言实现，完全克服了实验设备硬件不稳定会对实验产生不利影响的缺陷，使学生可以专注调制信号解调算法的学习和分析，着重掌握调制解调的主要原理。

（3）解调算法或过程遵循工程实际。本文的解调算法或过程，经过国家科技部重大专项“混合/异构网络架构下数字调制信号测试与分析技术研究”的严格工程验证，而非简单的仿真或模拟，这样的算法设计实验更具有现实和工程意义。

4 主要特色

（1）全数字化解调方案设计。该技术是基于软件无线电思想，设计了全数字化的解调方案和解调流程，方便Matlab或C/C++编程实现。

（2） 全软件化解调方案实现。利用Matlab或VC++平台在普通PC机上即可编程实现解调算法，免除了硬件平台的设备成本，降低维护工作量。

（3）完备的调制信号数据。该技术可以采集完备的（各类）调制信号数据，这些数据通过真实软件无线平台设备接收处理，保留了信号、信道和仪器的真实特性。

（4）实验的综合性。实验将通信原理、信号与系统和数字信号处理课程的知识点有机联系、综合在一起，加强学生对独立知识点的理解，并提高学生将这些知识点融会贯通的能力。

5 结语

本文基于软件无线电思想设计出了一套调制信号解调实验体系，主要借鉴虚拟测试仪器仪表的工程实现方法来革新传统信号调制解调实验内容，减少了硬件开发维护的成本与工作量，适合学生动手实践，既能使学生编程算法提高实践环节的参与度，又能加强学生对信号实际调制解调过程整体架构的掌握。

[1] 吴莉莉，赵安庆，邢玉清，等.电子信息类专业创新应用型人才培养模式的研究[J].中国电力教育，2011(11): 94–95.

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[5] 杨宏，孔耀晖，茹晨光，等.基于GNU Radio和USRP的无线通信系统建模仿真[J]. 现代电子技术，2013(18): 73–77.

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[7] 刘晋东.基于FPGA的软件无线电平台硬件链路的研究与实现[D].北京：北京邮电大学，2014.

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Deep innovation of signal demodulation experiment with virtual testing instrument technology

HE Wei, HU Anqi, LI Zhaoyu, ZHANG Yi

(College of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

In view of the shortcomings of the closed commercial equipment, unstable laboratory box equipment and disconnection between simulation and practice in traditional Matlab experiments, a new set of modulation and demodulation signals is designed on the basis of the idea of software radio and in reference to the innovation of traditional signal modulation and demodulation experiment content by using engineering realization method of virtual test instruments. This system integrates communication principles, signal and knowledge points of system and digital signal processing courses. At the same time, the experimental process of the system follows the engineering practice, and has more practical and engineering significance.

practical teaching; virtual instruments; software radio

TN98

A

1002-4956(2019)11-0230-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.056

2019-03-11

重庆邮电大学校级教改项目（XJG1703）

何维（1980—），男，重庆，硕士，讲师，主要从事移动通信、通信软件等领域的研究开发。E-mail: 380624653@qq.com