無線多通道通信實驗平臺的製作方法
2023-08-13 00:06:51 2
專利名稱：無線多通道通信實驗平臺的製作方法
技術領域：
本發明屬於無線通信技術領域，涉及無線通信算法的實驗驗證，為一種無線多通道通信實驗平臺。
背景技術：
無線通信是由發射機與接收機組成的。而傳統的發射機或接收機通常包括一個發射天線或接收天線，也即屬於單通道無線通信系統。隨著無線通信技術的迅猛發展，採用具有多個發射天線或者接收天線的多通道無線通信技術也越來越多。特別的，需要具有多個接收天線的多通道無線通信技術主要有多輸入多輸出(MIMO)技術、無線信道統計復用技術(《統計復用無線通信系統》CN200910028468.0)、盲源分離技術、偵查測向技術、多通道抗幹擾技術等。對於教學與科研來說，設計一種便於實施現場教學演示相應無線通信技術的實驗平臺，以及在科研工作中易於進行不同無線通信算法驗證的實驗平臺，是一件具有重要意義的工作。目前在高校《通信原理》課程中所使用的「通信原理實驗箱」，就是一種便於實施現場教學演示單通道無線通信技術的實驗平臺。但該實驗平臺功能單一，只能完成對單通道無線通信系統中的基本模塊，例如調製解調、編解碼等固定於實驗箱內的器件功能的驗證。有部分文獻對多通道數據採集系統進行了研究《工業CT多通道數據採集系統研究》(《計算機工程與設計》2004年第9期)、《多通道信號遙測系統數據採集與顯示研究》 (《測控技術》2009年第12期)、《基於FPGA的多通道數據採集卡開發》(《組合工具機與自動化加工技術》2010年第2期)、《基於LabVlEW的可攜式多通道溫度數據採集系統設計》 (《光電技術應用》2009年第6期)、《基於USB的高精度多通道數據採集卡設計》(《電子科技》2010年第2期)，但這些研究仍然存在以下問題1、應用方向較窄，且無用於無線通信方向的；2、結構複雜，均需專用的模數轉換晶片或數據採集卡才能完成A/D變換功能；3、多數需在特定的FPGA程式語言環境下使用；4、功能單一，只能完成數據採集功能。此外，專利《基於音效卡的調製解調方法和系統》(CN200310104160. 2)提供了一種用於數字通信的調製解調方法和系統，利用計算機CPU完成對信號的實時調製與解調，用音效卡完成A/D、D/A變換及信號的輸入輸出；擴大了音效卡的用途；信號的調製與解調算法採用計算機軟體實現，可以根據當前通信使用的信道類型，調用不同的調製與解調算法模塊來通信，可以非常靈活、方便、廉價地實現數位訊號傳輸，並且可以通過短波、超短波電臺來實現數據的無線數字通信。但這份專利所設計的系統屬於單通道無線通信系統，用於處理調製與解調技術，同時需專門的接口匹配模塊以及設置專用的輸入輸出緩衝器等。 目前尚未見到有關無線多通道通信實驗平臺的有關文獻及專利。
發明內容
本發明要解決的問題是在無線通信領域，特別是多通道無線通信系統，尚無能夠便於實施現場教學演示相應無線通信技術，或在科研工作中進行不同無線通信算法驗證的實驗平臺。本發明的技術方案為無線多通道通信實驗平臺，發射端設有至少一個發射機，發送通道總數為N，發射端經無線信道發送信號，接收端由一個通道總數為M的無線通信多通道接收機接收信號，並轉為M路音頻信號輸出，M > 2，以計算機中的音效卡作為模數轉換器， 每一個聲道對應接收端的一個通道，將M路音頻信號轉換為數位訊號，輸出至計算機保存， 在計算機中以所述數位訊號為基礎，驗證不同的無線通信算法，其中，發送通道總數N與接收機通道總數目M取決於所驗證的無線通信算法。接收機的通道總數目M大於或等於所驗證的無線通信算法中所要求的接收端通道數目，音效卡為單聲道音效卡時，由M個音效卡構成音效卡陣列來對應採集M個接收通道的音頻數據；音效卡為雙聲道音效卡，接收端通道總數M > 2時，由[Μ/2」個音效卡構成音效卡陣列，L·」表示對式內數據進行向上取整。優選音效卡陣列共用同一晶振，構成共晶振音效卡陣列。進一步的，計算機的輸出端連接音效卡，計算機中經無線通信算法處理的數位訊號輸出至音效卡，以音效卡作為數模轉換器，將處理後的數位訊號轉換為音頻信號輸出。通過電腦程式控制音效卡進行模數轉換或數模轉換，由電腦程式調用無線通信算法進行驗證，所述電腦程式的編程軟體與無線通信算法的編程軟體一致。無線多通道通信實驗平臺適用於在教學中對現有通信技術，如MIMO技術、無線信道統計復用技術、盲源分離技術、偵查測向技術、多通道抗幹擾技術等，進行現場演示。同時，也適用於在科研中對一些新的通信技術算法加以驗證。計算機中所配置的音效卡價格低廉，方便使用。採用計算機中常用於教學與科研工作中的軟體對音效卡加以控制，方便了教學與科研工作者的使用，易於與所調用的算法兼容，同時也方便了對整個無線多通道通信實驗平臺的調試和改進。現有技術中雖然也有基於音效卡的調製解調系統(CN200310104160. 2)，但是僅限於單通道無線通信系統，用於處理調製與解調技術，同時需專門的接口匹配模塊以及設置專用的輸入輸出緩衝器等。本發明通過構建音效卡陣列，可實現對> 2通道的多通道數據的處理，通過將音效卡陣列共晶振使用，可實現對多通道數據的同步採集。本發明提出了一種無線多通道通信實驗平臺，與其他類型的實驗平臺相比，其顯著優點有1)專注於無線多通道通信，在該實驗平臺上，可完成對具有多個接收天線的多通道無線通信技術的演示與驗證工作；2)平臺構造簡單，平臺使用計算機音效卡完成數據採集工作，而無需專用模數晶片或昂貴的數據採集卡；3)平臺使用靈活方便，平臺上所使用的控制軟體為教學與科研工作中所常用，且可以與使用者編制所需演示或驗證的算法的軟體一致，無需使用者掌握其他更為複雜的程式語言，有利於教學與科研工作者使用；4)平臺具有完整性，結合使用某一無線通信算法，在該平臺上可以實現整個無線多通道通信過程。
圖1為本發明方法原理圖。圖2為本發明實施例1的實現框圖。圖3為音效卡系統的一般結構框圖。圖4為實施例1中的兩個音效卡連接示意圖。圖5為實施例1中通過音效卡1左聲道所採集數據的時域以及頻譜圖，(a)為時域圖，(b)為頻譜圖。圖6為實施例1中通過音效卡1右聲道所採集數據的時域以及頻譜圖，(a)為時域圖，(b)為頻譜圖。圖7為實施例1中通過音效卡2左聲道所採集數據的時域以及頻譜圖，(a)為時域圖，(b)為頻譜圖。圖8為實施例1中通過音效卡2右聲道所採集數據的時域以及頻譜圖，(a)為時域圖，(b)為頻譜圖。
具體實施例方式本發明無線多通道通信實驗平臺，結構簡單，使用靈活方便，下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。如圖1，通道總數為N的一個或多個發射機經無線信道發送信號到達接收端；接收端採用一個通道總數為M的無線通信多通道接收機輸出M路音頻信號，現有接收機大部分可直接以音頻形式輸出信號，具體輸出頻率可能有所不同，但均在音頻範圍內，也即位於音效卡的接收處理範圍內；將計算機中的音效卡作為A/D轉換器，使用計算機中的編程軟體編制控制軟體，來控制音效卡完成對M路音頻信號的數據採集工作，並保存至硬碟；然後通過控制軟體調用具體的無線通信技術的算法，實現對該無線通信技術的教學演示或科研驗證工作；最後，如需要，可再次通過控制軟體控制音效卡，將經該無線通信技術的算法處理後的數據輸出，完成整個無線多通道通信過程。本發明中，無線多通道通信實驗平臺中的發射機可以是單通道發射機，也可以是多通道發射機，而其通道總數目N與多通道接收機的通道總數目M，取決於所調用的具體的無線通信技術的算法，一般來說，M > N。無線通信多通道接收機的通道總數目M,應大於或等於控制軟體所調用的無線通信技術的算法所要求的通道數目，且該多通道接收機能夠輸出模擬音頻信號。所使用的計算機中的編程軟體，包括但不限於常用於教學與科研中的MATLAB、 LABVIEW等，且該軟體具有編程控制音效卡完成數據採集的功能。當該編程軟體與所調用的無線通信技術的算法所使用的編程軟體一致時，將更有利於算法的調用與調試。本發明以計算機中的音效卡作為模數轉換器，每一個聲道對應接收端的一個通道， 將M路音頻信號轉換為數位訊號，輸出至計算機保存。計算機中的音效卡為具有雙聲道的音效卡，此時音效卡的左右兩個聲道可以直接對應並採集兩個通道的音頻數據。當接收通道總數目M大於2時，可通過在計算機中安裝多個音效卡構成音效卡陣列的方法來實現。因此，對於接收通道總數目為M的情況，需安裝/ 2」個音效卡，U表示對式內數據進行向上取整。若所採用的音效卡為單聲道音效卡時，則需安裝M個音效卡構成音效卡陣列來對應採集M個接收通道的音頻數據。特別的，當所演示或驗證的無線通信技術對所處理數據的同步要求較高時，多個聲
5卡需共用同一晶振，構成共晶振音效卡陣列，實現對多通道數據的同步採集。共晶振音效卡陣列可以通過共同使用陣列中某一音效卡晶振的方法實現，也可以通過共同使用外部同一晶振電路的方法實現。在調用具體的無線通信技術的算法時，實驗平臺只需要將保存至硬碟的數據格式，包括採樣頻率、採樣時間等告知無線通信算法，並對經算法處理後的數據格式提出相應要求即可。實施例1如圖2，在本實施例中，擬對盲源分離技術中的FAST ICA(Independent Component Analysis，獨立成分分析)算法進行性能測試。該算法要求接收天線應大於或等於可能發送信號的通道之和，也即M > N。在本實施例中，發送端使用四個單天線短波電臺(N = 4)， 發送頻率均設為10MHz，工作模式均為USB，通過話筒發送的音頻或經MODEM發送的數據信號分別記為S1, S2, &和、，經無線信道傳播到達接收端。接收端採用具有4根天線的四通道接收機(M = 4)進行接收。因此，滿足M彡N的要求。四通道接收機的四根天線的工作頻率同樣均設置為10MHz，工作模式為USB。經四通道接收機接收，將所接收到的四路信號通過相應的四個音頻口輸出。由於四路發送信號會在傳播過程中混迭，因此，對於接收機中的任意一個天線而言，所接收到的信號應為四路發送信號的混合。FAST ICA算法認為，任一天線接收到的混合信號為原始發送信號的線性組合。假設接收天線i對第j路發送信號的線性因子為Ku，則對於接收天線1來說，其音頻輸出信號可假設為K11SAK1^dK1JfK14S4, 依此類推，相對應於天線2、3、4的音頻輸出2、3、4分別為K21SJK22SfK23SfK24S4,
K31 S^K32S2+K33S3+K34S4 禾Π K4iSi+K42S2+K43S3+K44S4o音效卡是計算機系統中最基本的配置硬體之一，基本功能是把來自話筒的原始聲音信號加以轉換，輸出到耳機、揚聲器、擴音機、錄音機等聲響設備，或通過音樂設備數字接口 (MIDI)使樂器發出美妙的聲音。通常臺式PC機配置的音效卡提供了麥克風輸入(MIC)、線路輸入(LINE IN)、線路輸出(LINE OUT)、MIDI/GAME四個接口。音效卡的性能指標主要有以下幾種①採樣的位數。採樣的位數有8位、16位、32位。位數越大，精度越高，所錄製的聲音質量也越好。②最高採樣頻率。最高採樣頻率即每秒鐘採集樣本的數量，一般音效卡提供了 ll.025KHz.22. 025KHz、44. IKHz的採樣頻率，目前，較高檔的音效卡採樣頻率可達48KHz，今後也許還會出現更高採樣頻率的音效卡。③數位訊號處理器(DSP)。數位訊號處理器是一塊單獨的專用於處理聲音的處理器。帶DSP的音效卡要比不帶DSP的音效卡快的多，而且可以提供更好的音質和更高的速度；不帶DSP的音效卡要依賴CPU完成所有的工作。④內置混音晶片。內置混音晶片或功放卡中的內置混音晶片，可完成對各種聲音進行混合與調節的工作， 該晶片具有功率放大器，可以在無源音箱中放音。圖3給出了音效卡系統的一般結構框圖。在本實施例中，需要利用音效卡的A/D與D/A功能，分別完成對四通道接收機輸出的音頻信號的 A/D採樣功能與盲源分離處理後的數據經D/A變換後輸出音頻的功能。本實施例中所採用的是處理晶片為ES1938S的PCI音效卡，該音效卡16位分辨精度、 6KHz 到 48KHz 的採樣率。其提供了 MIC、LINE IN、SI3Kl、SPK2、MIDI/GAME 五個接口。本實施例中採用了四通道接收機接收四路信號，因此需要用兩個音效卡的左右兩個聲道實現四通道採樣。而本實施例中所採用的FAST ICA算法，要求對接收到的數據進行同步採樣。要達到兩個音效卡同步採集數據的目的，則兩個音效卡需同時啟動並觸發即要求兩個音效卡的時鐘同步。這可以通過兩個音效卡共同使用某一音效卡上的晶振或外接同一晶振電路來實現。在本實施例中，採用的是兩個音效卡共同使用其中一塊音效卡的晶振的方法來實現的。通過查找所購買音效卡的相關晶片資料，尋找晶片管腳的說明。根據晶片管腳說明， 找出音效卡同步信號所對應的晶片輸入輸出管腳。使用電烙鐵等工具除去一個音效卡的晶振， 將另一個音效卡的同步信號輸出端連接到此音效卡的同步信號輸入端，以達到兩個音效卡的時鐘取自於同一晶振源，從而保證對輸入信號進行同步採樣。本實施例所採用晶片為ES1938S，根據ES1938S晶片資料，晶片的18腳連接 Oscillator output (晶振輸出)，19 連接 Oscillator/external clock input (晶振 / 夕卜部時鐘輸入)。則兩個音效卡要共用一個晶振，應使音效卡1 (有晶振音效卡)晶片的18腳M)與音效卡2(無晶振音效卡)晶片的19腳XI相連，連接時應使兩個音效卡共地。兩個音效卡連接的示意圖如圖4。然後再將該共晶振雙音效卡安裝至計算機的PCI插槽上。本實施例所使用的計算機中的編程軟體為MATLAB。MATLAB軟體是一款集數據採集、計算、分析、處理功能十分強大的工程和科學計算軟體。在數據採集方面，Matlab提供了各種工具箱，如Data Acquisition Toolbox數據採集工具箱，利用此工具箱中的函數可以對音效卡以及其它數據採集設備進行控制。在數據採集過程中，音效卡將線路輸入(LINE IN) 接口所獲取的模擬信號轉換為數位訊號並送入計算機進行處理。MATLAB軟體控制音效卡同步採集數位訊號存儲為數據文件，MATLAB軟體再通過編程實現對這些文件的調用、處理，例如盲源分離、頻譜分析等。輸出時，計算機通過總線將數位化的信號以脈衝編碼調製PCM方式送到D/A轉換器，變成模擬的音頻信號通過MIC插孔送到音箱等設備轉換為人耳可聽到的聲音。基於Matlab平臺對共晶振雙音效卡共四個聲道(音效卡1左右聲道、音效卡2左右聲道)所接收到的數據進行採集的一般步驟如下a.創建兩個輸入音效卡設備AI = analoginput (『 winsound')；All = analoginput (『 winsound' ,1)；創建兩個輸出音效卡設備AO = analogoutput (『 winsound' ,0)；AO 1 = analogoutput (『 winsound' ,1)；b.分別添加兩個音效卡的左右兩個通道chan = addchannel(Al,1:2, {' chanl',chanl = addchannel (All,12, {' chan3『，addchannel (AO,1:2)；addchannel (AO 1,1:2)；c.設置屬性設置採樣時間duration = 1 ；設置採樣率set(A0，『SampleRate'，8000)set(A01， 『 SampleRate' ，8000)；set(Al, 『 SampleRate' ，8000)；set(All, 『 SampleRate' ，8000)；
chan2『 })； 『chan4' })
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將設置好的採樣率傳送給變量ActualRate = get (Al, 『 SampleRate')；ActualRatel = get(All, 『 SampleRate')；設置採樣數set (Al，『 SamplesPerTrigger'，duration^ActualRate)；set (Al1，『 SamplesPerTrigger'，duration^ActualRatel)；將設定好的採樣數傳送給變量blocksize = get (Al，『 SamplesPerTrigger')；locksizel = get (Al1，『 SamplesPerTrigger')；d.開始、觸發、等待start (Al)，start (Al 1)；trigger (Al), trigger (All)；wait(AI, duration+1)；wait (All, duration+1)；e.獲取採樣數據data = getdata(AI)；datal = getdata(AIl)；f.刪除對象start (AO)；delete (Al)；clear AI ；start (AOl)；delete (All)；clear All ；同步獲取到四路數據後，便可以在Matlab平臺上做進一步的分析與處理工作了。 在Matlab工作空間中，四路數據分別被存儲在了 data與datal兩個矩陣中，且每個矩陣分別為2X8000的矩陣。通過使用Matlab編程，可以很方便的對所採集數據進行如獲取時域圖、頻域圖等處理。圖5 圖8即分別給出了共晶振雙音效卡所採集到的四路數據相對應的時域與頻域圖。經該實驗平臺，計算機對所接收到的音頻數據成功完成了數據採集與預處理的功能，且獲得的數據清晰完整，很方便對其做進一步的處理工作。將所獲得的四路數據送給同樣由Matlab編程實現的FAST ICA算法，此時即可得到經算法處理後的四路新的輸出信號，利用Matlab自帶的sound或wav印lay函數，均可很方便的再次通過共晶振雙音效卡的四個聲道輸出並經音箱等設備播放出來。本發明使用計算機音效卡這一計算機系統中最基本的配置硬體來完成數據採集工作，簡單易實現，而無需專用模數晶片或昂貴的數據採集卡，特別是適用於多通道無線通信的實驗測試，提供了一種通用性好，成本低，便於實施現場教學演示相應無線通信技術，或在科研工作中進行不同無線通信算法驗證的實驗平臺。
權利要求
1.無線多通道通信實驗平臺，包括發射端和接收端，其特徵是發射端設有至少一個發射機，發送通道總數為N，發射端經無線信道發送信號，接收端由一個通道總數為M的無線通信多通道接收機接收信號，並轉為M路音頻信號輸出，M >2，以計算機中的音效卡作為模數轉換器，每一個聲道對應接收端的一個通道，將M路音頻信號轉換為數位訊號，輸出至計算機保存，在計算機中以所述數位訊號為基礎，驗證不同的無線通信算法，其中，發送通道總數N與接收機通道總數目M取決於所驗證的無線通信算法。
2.根據權利要求1所述的無線多通道通信實驗平臺，其特徵是接收機的通道總數目M 大於或等於所驗證的無線通信算法中所要求的接收端通道數目，音效卡為單聲道音效卡時，由M 個音效卡構成音效卡陣列來對應採集M個接收通道的音頻數據；音效卡為雙聲道音效卡，接收端通道總數M > 2時，由/ 2」個音效卡構成音效卡陣列，U表示對式內數據進行向上取整。
3.根據權利要求2所述的無線多通道通信實驗平臺，其特徵是音效卡陣列共用同一晶振，構成共晶振音效卡陣列。
4.根據權利要求1或2或3所述的無線多通道通信實驗平臺，其特徵是計算機的輸出端連接音效卡，計算機中經無線通信算法處理的數位訊號輸出至音效卡，以音效卡作為數模轉換器，將處理後的數位訊號轉換為音頻信號輸出。
5.根據權利要求1或2或3所述的無線多通道通信實驗平臺，其特徵是通過電腦程式控制音效卡進行模數轉換或數模轉換，由電腦程式調用無線通信算法進行驗證，所述電腦程式的編程軟體與無線通信算法的編程軟體一致。
6.根據權利要求4所述的無線多通道通信實驗平臺，其特徵是通過電腦程式控制音效卡進行模數轉換或數模轉換，由電腦程式調用無線通信算法進行驗證，所述電腦程式的編程軟體與無線通信算法的編程軟體一致。
全文摘要
無線多通道通信實驗平臺，包括發射端和接收端，發送通道總數為N，發射端經無線信道發送信號，接收端由一個通道總數為M的無線通信多通道接收機接收信號，並轉為M路音頻信號輸出，M≥2，以計算機中的音效卡作為模數轉換器，每一個聲道對應接收端的一個通道，將M路音頻信號轉換為數位訊號，輸出至計算機保存，在計算機中以所述數位訊號為基礎，驗證不同的無線通信算法。本發明針對多通道無線通信，提供了一種用於驗證各種無線通信算法的實驗平臺，方便了教學與科研工作者的使用，易於與所調用的算法兼容，同時也方便了對整個無線多通道通信實驗平臺的調試和改進。
文檔編號H04B17/00GK102510312SQ20111030250
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者楊保峰, 沈越泓, 簡偉, 袁志鋼, 鄭翔, 郭明喜, 魏以民 申請人:中國人民解放軍理工大學