CN102510312A - 无线多通道通信实验平台 - Google Patents

Abstract

无线多通道通信实验平台，包括发射端和接收端，发送通道总数为N，发射端经无线信道发送信号，接收端由一个通道总数为M的无线通信多通道接收机接收信号，并转为M路音频信号输出，M≥2，以计算机中的声卡作为模数转换器，每一个声道对应接收端的一个通道，将M路音频信号转换为数字信号，输出至计算机保存，在计算机中以所述数字信号为基础，验证不同的无线通信算法。本发明针对多通道无线通信，提供了一种用于验证各种无线通信算法的实验平台，方便了教学与科研工作者的使用，易于与所调用的算法兼容，同时也方便了对整个无线多通道通信实验平台的调试和改进。

Description

无线多通道通信实验平台

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及无线通信算法的实验验证，为一种无线多通道通信实验平台。

背景技术

无线通信是由发射机与接收机组成的。而传统的发射机或接收机通常包括一个发射天线或接收天线，也即属于单通道无线通信***。随着无线通信技术的迅猛发展，采用具有多个发射天线或者接收天线的多通道无线通信技术也越来越多。特别的，需要具有多个接收天线的多通道无线通信技术主要有：多输入多输出(MIMO)技术、无线信道统计复用技术(《统计复用无线通信***》CN200910028468.0)、盲源分离技术、侦查测向技术、多通道抗干扰技术等。

对于教学与科研来说，设计一种便于实施现场教学演示相应无线通信技术的实验平台，以及在科研工作中易于进行不同无线通信算法验证的实验平台，是一件具有重要意义的工作。

目前在高校《通信原理》课程中所使用的“通信原理实验箱”，就是一种便于实施现场教学演示单通道无线通信技术的实验平台。但该实验平台功能单一，只能完成对单通道无线通信***中的基本模块，例如调制解调、编译码等固定于实验箱内的器件功能的验证。

有部分文献对多通道数据采集***进行了研究：《工业CT多通道数据采集***研究》(《计算机工程与设计》2004年第9期)、《多通道信号遥测***数据采集与显示研究》(《测控技术》2009年第12期)、《基于FPGA的多通道数据采集卡开发》(《组合机床与自动化加工技术》2010年第2期)、《基于LabVlEW的便携式多通道温度数据采集***设计》(《光电技术应用》2009年第6期)、《基于USB的高精度多通道数据采集卡设计》(《电子科技》2010年第2期)，但这些研究仍然存在以下问题：

1、应用方向较窄，且无用于无线通信方向的；

2、结构复杂，均需专用的模数转换芯片或数据采集卡才能完成A/D变换功能；

3、多数需在特定的FPGA编程语言环境下使用；

4、功能单一，只能完成数据采集功能。

此外，专利《基于声卡的调制解调方法和***》(CN200310104160.2)提供了一种用于数字通信的调制解调方法和***，利用计算机CPU完成对信号的实时调制与解调，用声卡完成A/D、D/A变换及信号的输入输出；扩大了声卡的用途；信号的调制与解调算法采用计算机软件实现，可以根据当前通信使用的信道类型，调用不同的调制与解调算法模块来通信，可以非常灵活、方便、廉价地实现数字信号传输，并且可以通过短波、超短波电台来实现数据的无线数字通信。但这份专利所设计的***属于单通道无线通信***，用于处理调制与解调技术，同时需专门的接口匹配模块以及设置专用的输入输出缓冲器等。

目前尚未见到有关无线多通道通信实验平台的有关文献及专利。

发明内容

本发明要解决的问题是：在无线通信领域，特别是多通道无线通信***，尚无能够便于实施现场教学演示相应无线通信技术，或在科研工作中进行不同无线通信算法验证的实验平台。

本发明的技术方案为：无线多通道通信实验平台，发射端设有至少一个发射机，发送通道总数为N，发射端经无线信道发送信号，接收端由一个通道总数为M的无线通信多通道接收机接收信号，并转为M路音频信号输出，M≥2，以计算机中的声卡作为模数转换器，每一个声道对应接收端的一个通道，将M路音频信号转换为数字信号，输出至计算机保存，在计算机中以所述数字信号为基础，验证不同的无线通信算法，其中，发送通道总数N与接收机通道总数目M取决于所验证的无线通信算法。

接收机的通道总数目M大于或等于所验证的无线通信算法中所要求的接收端通道数目，声卡为单声道声卡时，由M个声卡构成声卡阵列来对应采集M个接收通道的音频数据；声卡为双声道声卡，接收端通道总数M＞2时，由

个声卡构成声卡阵列，

表示对式内数据进行向上取整。

优选声卡阵列共用同一晶振，构成共晶振声卡阵列。

进一步的，计算机的输出端连接声卡，计算机中经无线通信算法处理的数字信号输出至声卡，以声卡作为数模转换器，将处理后的数字信号转换为音频信号输出。

通过计算机程序控制声卡进行模数转换或数模转换，由计算机程序调用无线通信算法进行验证，所述计算机程序的编程软件与无线通信算法的编程软件一致。

无线多通道通信实验平台适用于在教学中对现有通信技术，如MIMO技术、无线信道统计复用技术、盲源分离技术、侦查测向技术、多通道抗干扰技术等，进行现场演示。同时，也适用于在科研中对一些新的通信技术算法加以验证。计算机中所配置的声卡价格低廉，方便使用。采用计算机中常用于教学与科研工作中的软件对声卡加以控制，方便了教学与科研工作者的使用，易于与所调用的算法兼容，同时也方便了对整个无线多通道通信实验平台的调试和改进。

现有技术中虽然也有基于声卡的调制解调***(CN200310104160.2)，但是仅限于单通道无线通信***，用于处理调制与解调技术，同时需专门的接口匹配模块以及设置专用的输入输出缓冲器等。本发明通过构建声卡阵列，可实现对≥2通道的多通道数据的处理，通过将声卡阵列共晶振使用，可实现对多通道数据的同步采集。

本发明提出了一种无线多通道通信实验平台，与其他类型的实验平台相比，其显著优点有：1)专注于无线多通道通信，在该实验平台上，可完成对具有多个接收天线的多通道无线通信技术的演示与验证工作；2)平台构造简单，平台使用计算机声卡完成数据采集工作，而无需专用模数芯片或昂贵的数据采集卡；3)平台使用灵活方便，平台上所使用的控制软件为教学与科研工作中所常用，且可以与使用者编制所需演示或验证的算法的软件一致，无需使用者掌握其他更为复杂的编程语言，有利于教学与科研工作者使用；4)平台具有完整性，结合使用某一无线通信算法，在该平台上可以实现整个无线多通道通信过程。

附图说明

图1为本发明方法原理图。

图2为本发明实施例1的实现框图。

图3为声卡***的一般结构框图。

图4为实施例1中的两个声卡连接示意图。

图5为实施例1中通过声卡1左声道所采集数据的时域以及频谱图，(a)为时域图，(b)为频谱图。

图6为实施例1中通过声卡1右声道所采集数据的时域以及频谱图，(a)为时域图，(b)为频谱图。

图7为实施例1中通过声卡2左声道所采集数据的时域以及频谱图，(a)为时域图，(b)为频谱图。

图8为实施例1中通过声卡2右声道所采集数据的时域以及频谱图，(a)为时域图，(b)为频谱图。

具体实施方式

本发明无线多通道通信实验平台，结构简单，使用灵活方便，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1，通道总数为N的一个或多个发射机经无线信道发送信号到达接收端；接收端采用一个通道总数为M的无线通信多通道接收机输出M路音频信号，现有接收机大部分可直接以音频形式输出信号，具体输出频率可能有所不同，但均在音频范围内，也即位于声卡的接收处理范围内；将计算机中的声卡作为A/D转换器，使用计算机中的编程软件编制控制软件，来控制声卡完成对M路音频信号的数据采集工作，并保存至硬盘；然后通过控制软件调用具体的无线通信技术的算法，实现对该无线通信技术的教学演示或科研验证工作；最后，如需要，可再次通过控制软件控制声卡，将经该无线通信技术的算法处理后的数据输出，完成整个无线多通道通信过程。

本发明中，无线多通道通信实验平台中的发射机可以是单通道发射机，也可以是多通道发射机，而其通道总数目N与多通道接收机的通道总数目M，取决于所调用的具体的无线通信技术的算法，一般来说，M≥N。

无线通信多通道接收机的通道总数目M，应大于或等于控制软件所调用的无线通信技术的算法所要求的通道数目，且该多通道接收机能够输出模拟音频信号。

所使用的计算机中的编程软件，包括但不限于常用于教学与科研中的MATLAB、LABVIEW等，且该软件具有编程控制声卡完成数据采集的功能。当该编程软件与所调用的无线通信技术的算法所使用的编程软件一致时，将更有利于算法的调用与调试。

本发明以计算机中的声卡作为模数转换器，每一个声道对应接收端的一个通道，将M路音频信号转换为数字信号，输出至计算机保存。计算机中的声卡为具有双声道的声卡，此时声卡的左右两个声道可以直接对应并采集两个通道的音频数据。当接收通道总数目M大于2时，可通过在计算机中安装多个声卡构成声卡阵列的方法来实现。因此，对于接收通道总数目为M的情况，需安装

个声卡，

表示对式内数据进行向上取整。若所采用的声卡为单声道声卡时，则需安装M个声卡构成声卡阵列来对应采集M个接收通道的音频数据。特别的，当所演示或验证的无线通信技术对所处理数据的同步要求较高时，多个声卡需共用同一晶振，构成共晶振声卡阵列，实现对多通道数据的同步采集。

共晶振声卡阵列可以通过共同使用阵列中某一声卡晶振的方法实现，也可以通过共同使用外部同一晶振电路的方法实现。

在调用具体的无线通信技术的算法时，实验平台只需要将保存至硬盘的数据格式，包括采样频率、采样时间等告知无线通信算法，并对经算法处理后的数据格式提出相应要求即可。

实施例1

如图2，在本实施例中，拟对盲源分离技术中的FAST ICA(Independent ComponentAnalysis，独立成分分析)算法进行性能测试。该算法要求接收天线应大于或等于可能发送信号的通道之和，也即M≥N。在本实施例中，发送端使用四个单天线短波电台(N＝4)，发送频率均设为10MHz，工作模式均为USB，通过话筒发送的音频或经MODEM发送的数据信号分别记为S₁，S₂，S₃和S₄，经无线信道传播到达接收端。接收端采用具有4根天线的四通道接收机(M＝4)进行接收。因此，满足M≥N的要求。四通道接收机的四根天线的工作频率同样均设置为10MHz，工作模式为USB。经四通道接收机接收，将所接收到的四路信号通过相应的四个音频口输出。由于四路发送信号会在传播过程中混迭，因此，对于接收机中的任意一个天线而言，所接收到的信号应为四路发送信号的混合。FAST ICA算法认为，任一天线接收到的混合信号为原始发送信号的线性组合。假设接收天线i对第j路发送信号的线性因子为K_ij，则对于接收天线1来说，其音频输出信号可假设为K₁₁S₁+K₁₂S₂+K₁₃S₃+K₁₄S₄，依此类推，相对应于天线2、3、4的音频输出2、3、4分别为K₂₁S₁+K₂₂S₂+K₂₃S₃+K₂₄S₄，K₃₁S₁+K₃₂S₂+K₃₃S₃+K₃₄S₄和K₄₁S₁+K₄₂S₂+K₄₃S₃+K₄₄S₄。

声卡是计算机***中最基本的配置硬件之一，基本功能是把来自话筒的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备，或通过音乐设备数字接口(MIDI)使乐器发出美妙的声音。通常台式PC机配置的声卡提供了麦克风输入(MIC)、线路输入(LINE IN)、线路输出(LINE OUT)、MIDI/GAME四个接口。声卡的性能指标主要有以下几种：①采样的位数。采样的位数有8位、16位、32位。位数越大，精度越高，所录制的声音质量也越好。②最高采样频率。最高采样频率即每秒钟采集样本的数量，一般声卡提供了11.025KHz、22.025KHz、44.1KHz的采样频率，目前，较高档的声卡采样频率可达48KHz，今后也许还会出现更高采样频率的声卡。③数字信号处理器(DSP)。数字信号处理器是一块单独的专用于处理声音的处理器。带DSP的声卡要比不带DSP的声卡快的多，而且可以提供更好的音质和更高的速度；不带DSP的声卡要依赖CPU完成所有的工作。④内置混音芯片。内置混音芯片或功放卡中的内置混音芯片，可完成对各种声音进行混合与调节的工作，该芯片具有功率放大器，可以在无源音箱中放音。图3给出了声卡***的一般结构框图。在本实施例中，需要利用声卡的A/D与D/A功能，分别完成对四通道接收机输出的音频信号的A/D采样功能与盲源分离处理后的数据经D/A变换后输出音频的功能。

本实施例中所采用的是处理芯片为ES1938S的PCI声卡，该声卡16位分辨精度、6KHz到48KHz的采样率。其提供了MIC、LINE IN、SPK1、SPK2、MIDI/GAME五个接口。本实施例中采用了四通道接收机接收四路信号，因此需要用两个声卡的左右两个声道实现四通道采样。而本实施例中所采用的FAST ICA算法，要求对接收到的数据进行同步采样。要达到两个声卡同步采集数据的目的，则两个声卡需同时启动并触发即要求两个声卡的时钟同步。这可以通过两个声卡共同使用某一声卡上的晶振或外接同一晶振电路来实现。在本实施例中，采用的是两个声卡共同使用其中一块声卡的晶振的方法来实现的。

通过查找所购买声卡的相关芯片资料，寻找芯片管脚的说明。根据芯片管脚说明，找出声卡同步信号所对应的芯片输入输出管脚。使用电烙铁等工具除去一个声卡的晶振，将另一个声卡的同步信号输出端连接到此声卡的同步信号输入端，以达到两个声卡的时钟取自于同一晶振源，从而保证对输入信号进行同步采样。

本实施例所采用芯片为ES1938S，根据ES1938S芯片资料，芯片的18脚连接Oscillator output(晶振输出)，19脚连接Oscillator/external clock input(晶振/外部时钟输入)。则两个声卡要共用一个晶振，应使声卡1(有晶振声卡)芯片的18脚XO与声卡2(无晶振声卡)芯片的19脚XI相连，连接时应使两个声卡共地。两个声卡连接的示意图如图4。然后再将该共晶振双声卡安装至计算机的PCI插槽上。

本实施例所使用的计算机中的编程软件为MATLAB。MATLAB软件是一款集数据采集、计算、分析、处理功能十分强大的工程和科学计算软件。在数据采集方面，Matlab提供了各种工具箱，如Data Acquisition Toolbox数据采集工具箱，利用此工具箱中的函数可以对声卡以及其它数据采集设备进行控制。在数据采集过程中，声卡将线路输入(LINE IN)接口所获取的模拟信号转换为数字信号并送入计算机进行处理。MATLAB软件控制声卡同步采集数字信号存储为数据文件，MATLAB软件再通过编程实现对这些文件的调用、处理，例如盲源分离、频谱分析等。输出时，计算机通过总线将数字化的信号以脉冲编码调制PCM方式送到D/A转换器，变成模拟的音频信号通过MIC插孔送到音箱等设备转换为人耳可听到的声音。

基于Matlab平台对共晶振双声卡共四个声道(声卡1左右声道、声卡2左右声道)所接收到的数据进行采集的一般步骤如下：

a.创建两个输入声卡设备

AI＝analoginput(′winsound′)；

AI1＝analoginput(′winsound′，1)；

创建两个输出声卡设备

AO＝analogoutput(′winsound′，0)；

AO 1＝analogoutput(′winsound′，1)；

b.分别添加两个声卡的左右两个通道

chan＝addchannel(AI，1:2，{′chan1′，′chan2′})；

chan1＝addchannel(AI1，1:2，{′chan3′，′chan4′})；

addchannel(AO，1:2)；

addchannel(AO 1，1:2)；

c.设置属性

设置采样时间：duration＝1；

设置采样率：set(AO，′SampleRate′，8000)；

set(AO1，′SampleRate′，8000)；

set(AI，′SampleRate′，8000)；

set(AI1，′SampleRate′，8000)；

将设置好的采样率传送给变量：

ActualRate＝get(AI，′SampleRate′)；

ActualRate1＝get(AI1，′SampleRate′)；

设置采样数：

set(AI，′SamplesPerTrigger′，duration*ActualRate)；

set(AI1，′SamplesPerTrigger′，duration*ActualRate1)；

将设定好的采样数传送给变量：

blocksize＝get(AI，′SamplesPerTrigger′)；

locksize1＝get(AI1，′SamplesPerTrigger′)；

d.开始、触发、等待

start(AI)，start(AI1)；

trigger(AI)，trigger(AI1)；

wait(AI，duration+1)；

wait(AI1，duration+1)；

e.获取采样数据

data＝getdata(AI)；

data1＝getdata(AI1)；

f.删除对象

start(AO)；

delete(AI)；

clear AI；

start(AO1)；

delete(AI1)；

clear AI1；

同步获取到四路数据后，便可以在Matlab平台上做进一步的分析与处理工作了。在Matlab工作空间中，四路数据分别被存储在了data与data1两个矩阵中，且每个矩阵分别为2×8000的矩阵。通过使用Matlab编程，可以很方便的对所采集数据进行如获取时域图、频域图等处理。图5～图8即分别给出了共晶振双声卡所采集到的四路数据相对应的时域与频域图。经该实验平台，计算机对所接收到的音频数据成功完成了数据采集与预处理的功能，且获得的数据清晰完整，很方便对其做进一步的处理工作。将所获得的四路数据送给同样由Matlab编程实现的FAST ICA算法，此时即可得到经算法处理后的四路新的输出信号，利用Matlab自带的sound或waveplay函数，均可很方便的再次通过共晶振双声卡的四个声道输出并经音箱等设备播放出来。

本发明使用计算机声卡这一计算机***中最基本的配置硬件来完成数据采集工作，简单易实现，而无需专用模数芯片或昂贵的数据采集卡，特别是适用于多通道无线通信的实验测试，提供了一种通用性好，成本低，便于实施现场教学演示相应无线通信技术，或在科研工作中进行不同无线通信算法验证的实验平台。

Claims (6)

1.无线多通道通信实验平台，包括发射端和接收端，其特征是发射端设有至少一个发射机，发送通道总数为N，发射端经无线信道发送信号，接收端由一个通道总数为M的无线通信多通道接收机接收信号，并转为M路音频信号输出，M≥2，以计算机中的声卡作为模数转换器，每一个声道对应接收端的一个通道，将M路音频信号转换为数字信号，输出至计算机保存，在计算机中以所述数字信号为基础，验证不同的无线通信算法，其中，发送通道总数N与接收机通道总数目M取决于所验证的无线通信算法。

2.根据权利要求1所述的无线多通道通信实验平台，其特征是接收机的通道总数目M大于或等于所验证的无线通信算法中所要求的接收端通道数目，声卡为单声道声卡时，由M个声卡构成声卡阵列来对应采集M个接收通道的音频数据；声卡为双声道声卡，接收端通道总数M＞2时，由

个声卡构成声卡阵列，

表示对式内数据进行向上取整。

3.根据权利要求2所述的无线多通道通信实验平台，其特征是声卡阵列共用同一晶振，构成共晶振声卡阵列。

4.根据权利要求1或2或3所述的无线多通道通信实验平台，其特征是计算机的输出端连接声卡，计算机中经无线通信算法处理的数字信号输出至声卡，以声卡作为数模转换器，将处理后的数字信号转换为音频信号输出。

5.根据权利要求1或2或3所述的无线多通道通信实验平台，其特征是通过计算机程序控制声卡进行模数转换或数模转换，由计算机程序调用无线通信算法进行验证，所述计算机程序的编程软件与无线通信算法的编程软件一致。

6.根据权利要求4所述的无线多通道通信实验平台，其特征是通过计算机程序控制声卡进行模数转换或数模转换，由计算机程序调用无线通信算法进行验证，所述计算机程序的编程软件与无线通信算法的编程软件一致。

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