本書描述了采用NI公司的軟件無線電教學平臺進行通信實驗的內容，包括實驗目的及原理、實驗方法和步驟等。
隨著無線電通信電路的集成化和通信系統的小型化、數字化、智能化和網絡化，無線電通信已經開始從模擬轉向數字，而且正在向軟件型方向發展。軟件無線電通信是無線通信系統和計算技術結合的產物。目前已經廣泛應用于移動通信、衛星通信和軍事等領域。受傳統實驗條件和實驗教材的限制，目前在大學開展基于軟件無線電平臺的通信原理實驗的院校并不多，但從通信領域教學研討會反饋的信息來看，很多院校目前也在調研和選擇教材著手進行通信原理實驗的改革，以跟進時代的發展變化。
“通信原理”和“無線通信”等課程在大學本科和研究生水平的電氣工程課程中被廣泛教授，都采用抽象的講授方法，更加強調理論。這些典型課程中的抽象理論與實踐中的具體應用之間的差異越來越大。這種差異在無線通信系統中尤其明顯，隨著課程理論越來越抽象，也越來越依賴模擬教學的方式來驗證理論。典型的模擬教學，通常基于一定的簡化假設條件，因此對一些重要的實際問題未能有所體現。理論和實踐之間的差異日趨明顯，加上對模擬教學的日趨依賴，導致現在很多學生無法將學到的知識迅速應用于一個真正的通信系統當中。為了盡快克服這樣的問題，我們建立了開放性的軟件無線電實驗教學平臺，使得學生能夠在實驗室的環境下快速構建驗證自行設計的通信系統，而且通過軟件的交互性界面幫助學生更形象地理解概念，并能夠從零散知識點的灌輸發展到建立“系統”的概念。
LabVIEW軟件編程語言在工程中應用極其廣泛，其圖形化的編程思想更符合工程師的理念，同時具備靈活的用戶界面與強大的交互性，使LabVIEW亦成為工程教育的領先工具。越來越多的美國大學開始使用LabVIEW作為通信教學的軟件仿真工具。美國國家儀器公司（National Instruments）的通用軟件無線電外設（Universal Software Radio Peripheral,USRP），可以將基于LabVIEW的軟件仿真系統無縫地融合到硬件平臺上，構建“真實”的通信系統，而且具有更靈活的操作方式，尺寸小巧，成本較低，可用以太網線連接主機，即可以兼容“基于真實信號的課堂實驗”。在這種軟件無線電教學平臺上可以用虛擬儀表測量時域、頻域、誤碼等性能，可以驗證文本信息及音視頻的實時通信效果，或為當前及未來無線通信系統構建仿真測試平臺。使用軟件無線電教學平臺設備，學生可以專注于算法本身，但同時也能接觸到無線系統的工程實踐，而不必擔心復雜的模擬前端以及RF電路設計問題。這是因為當硬件平臺中出現了靈活的RF上變頻器和下變頻器以及相匹配的高速DAC和ADC后，促進了軟件定義無線電概念的發展，終于有一種方法能夠以高品質和可重復性來創建和處理波形。
本教材共分為三個部分：
第一部分為實驗基礎知識，在軟件無線電及實驗平臺一節中講述了軟件無線電的概念和相應的軟硬件設備，接下來的環節中重點介紹了本教材所采用的NI公司的軟件無線電教學平臺，即LabVIEW圖形化編程語言和USRP硬件設備的組合，以及所采用的實驗設備的型號配置等。同時，還講述了實驗的基本過程，在實驗的每個環節中應完成的基本任務及意義。最后，因為對數字通信系統是劃分為多個不同的功能模塊分別進行實驗的，因此，為使實驗者對這部分有一個整體的了解，將相對應的幾個實驗的實驗方法進行了整體的說明。
第二部分基礎實驗篇與通信原理理論課程的教學緊密結合，通過對模塊的設計以及對整體系統的構建等實踐內容加深對通信基本算法理論的認識和理解，其中包括了幾個基本的通信系統鏈路設計實驗，如用LabVIEW語言分別構建AM及FM發送和接收鏈路，在基于USRP的軟件無線電平臺上運行； 以及構建單載波的BPSK/4QAM數字調制解調基本鏈路，即發送端采用二進制頻移鍵控（BPSK）或正交幅度調制（QAM）和升余弦脈沖整形及信道編碼； 接收機功能設計上增加了一定的難度，除了匹配濾波、解調、信道解碼和檢測之外，還包括信道估計與時域均衡、各級同步等相關的內容。這部分內容有的與通信原理理論教材中所講授的方法有很大的不同，甚至沒有包含在理論教程中，但在實際工程中卻是非常重要的內容，對于在信道中受損的無線信號完整有效地接收起著不可或缺的作用。
基礎篇中的每個實驗都描述了實驗目的和實驗原理，希望能在實驗前仔細閱讀，結合所提供的參考教材和資料真正理解相關的理論知識。實驗原理部分從實踐的角度介紹通信原理乃至無線通信課程的相關內容，不僅僅包含一些處理實際問題的理論，更希望學生能夠真正知道如何發送和接收實際的通信波形。
第三部分擴展實驗篇中對系統進行了擴展，不僅僅局限于通信原理的內容，而是需要對無線通信理論有更廣泛或更深入的了解，以及與其他數字信號處理方法相結合的能力。而且，通過這部分實驗旨在引入開放創新的實驗教學方式，發揮學生的主觀能動性，積極深入拓展，將多方面的知識融會貫通，因此，在該部分的實驗內容撰寫上較為簡化，希望學生能夠根據對實驗目的和實驗原理的了解，參考實驗內容的部分示例，進行深入探索，使用軟件無線電平臺及較高級的設計方法，結合實際無線信號和真實通信系統開發構建更為復雜的仿真系統或者完整的通信鏈路，力求使整個系統的綜合性能更佳、代碼更為優化以及界面更為美觀。
這部分包括6個獨立的實驗內容：
實驗10為數字鎖相位同步提取的LabVIEW仿真，是用LabVIEW語言模擬數字鎖相環的位同步提取過程。位同步提取在接收機電路中非常重要，關系到接收信號的正確與否。在工程實踐中通常采用數字鎖相法從接收到的數字基帶信號中提取位同步信號，系統的主要性能指標，如恢復得到的位同步時鐘信號的相位抖動，系統的捕捉帶寬、捕捉時間等，相互之間存在一定的天然對立。其中一種指標的改善，往往會以另一種指標的折損為代價。這些性能指標的相互關系是值得探究的課題。但在實體電路實驗中，這些指標都表現為某種形式的隨機變化量。要精確測量它們是一件比較復雜的事，通常要使用特別專門的測量儀器和測量方式。而利用LabVIEW編程，可以建立符合前述理論原理和邏輯設計方案的動態仿真模型。通過這種仿真模型，可以方便地獲得主要性能指標的各種統計測量結果，這就為開展相關問題研究提供了一條可行的技術路徑。
實驗11的內容為添加了自動請求重傳機制的文本信息傳輸。由于噪聲或同步不準確等多種因素的影響，在SNR大于1時也常常會有丟包或錯誤的包。因此，在通信系統中添加CRC校驗及重傳機制可保證數據包較可靠地傳輸，降低丟包率，本實驗中接收端根據接收包的校驗結果回復ACK信號，而發送端則根據ACK回復信息決定是否重新發送前一個包或繼續進行下一個包的發送。本實驗的拓展部分為設計一個定制的通信協議，實現點對點的無線通信鏈路滿足協議要求。
實驗12的內容是在文本信息傳輸系統中采用高靈敏度的包捕獲方法。包捕獲機制的靈敏度關系到信息的最遠傳輸距離或者說在固定的傳輸距離下發送信號增益的強度，高靈敏度的包檢測方法必將帶來更遠的傳輸距離或者可以適當降低發送信號的增益強度。本實驗的目的是實現參考資料中給出的一種新的包捕獲機制，與已提供的文本傳輸鏈路中的僅僅根據接收信號能量進行包捕獲的方法相比較，體會高靈敏度包捕獲方法的效果。本實驗的拓展部分希望實驗者能夠進一步嘗試基于相關性的包捕獲方法。
實驗13、實驗14和實驗15都可基于已給的文本信息傳輸鏈路，修訂代碼，或者是添加語音或視頻的信源編解碼，或者是變為直序擴頻或跳頻傳輸，除了相關的信號處理及通信理論知識外，還要重點討論的問題是程序模塊的并行性設計以降低傳輸時延，保證信息傳輸的實時性和有效性。
當前諸多的商業通信協議中都采用了多載波的OFDM調制，包括無線LAN標準，如IEEE 802.11g、IEEE 802.11a和IEEE 802.11n； 寬帶無線接入，包括IEEE 802.16（WiFi）； 移動寬帶無線IEEE 802.20； 數字視頻廣播DVB（用于歐洲）以及3GPP蜂窩標準的幾個版本等。因此，在實驗16和實驗17中分別將OFDM調制解調和頻域均衡設計以及載波頻偏估計和幀同步作為實驗內容。
本書及實驗教程的開發得到了美國國家儀器公司的支持和授權，提供了包括美國德州大學奧斯汀分校以及斯坦福大學和加州大學圣地亞哥分校等多所大學的無線通信實驗內容作為參考。本教材基礎實驗篇中實驗3直到實驗9以及擴展實驗篇中實驗16和實驗17的大部分內容都直接采用了文獻［1］的相關部分，它們是德州大學奧斯汀分校 Robert W.Heath Jr.教授所講授的數字無線通信(Introduction to Wireless Digital Communication: A Signal Processing Perspective)的內容，對這些內容更多的是進行了翻譯，但對實驗順序的安排進行了一些調整，并根據上海交通大學通信原理教學課程大綱的要求添加了一些內容，如基于循環碼的信道編解碼等。這部分內容的發表也已經征得了Robert W.Heath Jr.教授的同意。美國國家儀器公司與上海交通大學電子工程系實驗中心合作建立的“大學生創新實踐基地——圖形化系統設計實驗室”讓本課程得以實施，NI同時提供了專業技術支持和國際領先的實踐教學經驗分享，進一步加快了NI軟件無線電平臺與中國本地通信實踐教學的融合，衷心感謝他們的支持。
同時感謝上海交通大學電子工程系實驗中心的多位老師和研究生助教以及多屆參與課程設計學生的幫助，使得這本實驗教材得以最終完成，其中包括： 陳大華老師撰寫了信道編解碼實驗中循環碼部分的初稿； 李安琪老師對碼元同步恢復的資料翻譯和整理并提供了擴展實驗中位同步提取的演示程序； 李立安助教對部分擴展實驗內容的添加和修訂； 顧之誠、黃森洪等多位同學設計了音視頻通信等的程序代碼及前面板示例等。在此衷心感謝所有人的幫助。
編者2015年6月
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