本书描述了采用NI公司的软件无线电教学平台进行通信实验的内容，包括实验目的及原理、实验方法和步骤等。

　　随着无线电通信电路的集成化和通信系统的小型化、数字化、智能化和网络化，无线电通信已经开始从模拟转向数字，而且正在向软件型方向发展。软件无线电通信是无线通信系统和计算技术结合的产物。目前已经广泛应用于移动通信、卫星通信和军事等领域。受传统实验条件和实验教材的限制，目前在大学开展基于软件无线电平台的通信原理实验的院校并不多，但从通信领域教学研讨会反馈的信息来看，很多院校目前也在调研和选择教材着手进行通信原理实验的改革，以跟进时代的发展变化。
　　“通信原理”和“无线通信”等课程在大学本科和研究生水平的电气工程课程中被广泛教授，都采用抽象的讲授方法，更加强调理论。这些典型课程中的抽象理论与实践中的具体应用之间的差异越来越大。这种差异在无线通信系统中尤其明显，随着课程理论越来越抽象，也越来越依赖模拟教学的方式来验证理论。典型的模拟教学，通常基于一定的简化假设条件，因此对一些重要的实际问题未能有所体现。理论和实践之间的差异日趋明显，加上对模拟教学的日趋依赖，导致现在很多学生无法将学到的知识迅速应用于一个真正的通信系统当中。为了尽快克服这样的问题，我们建立了开放性的软件无线电实验教学平台，使得学生能够在实验室的环境下快速构建验证自行设计的通信系统，而且通过软件的交互性界面帮助学生更形象地理解概念，并能够从零散知识点的灌输发展到建立“系统”的概念。
　　LabVIEW软件编程语言在工程中应用极其广泛，其图形化的编程思想更符合工程师的理念，同时具备灵活的用户界面与强大的交互性，使LabVIEW亦成为工程教育的领先工具。越来越多的美国大学开始使用LabVIEW作为通信教学的软件仿真工具。美国国家仪器公司（National Instruments）的通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral,USRP），可以将基于LabVIEW的软件仿真系统无缝地融合到硬件平台上，构建“真实”的通信系统，而且具有更灵活的操作方式，尺寸小巧，成本较低，可用以太网线连接主机，即可以兼容“基于真实信号的课堂实验”。在这种软件无线电教学平台上可以用虚拟仪表测量时域、频域、误码等性能，可以验证文本信息及音视频的实时通信效果，或为当前及未来无线通信系统构建仿真测试平台。使用软件无线电教学平台设备，学生可以专注于算法本身，但同时也能接触到无线系统的工程实践，而不必担心复杂的模拟前端以及RF电路设计问题。这是因为当硬件平台中出现了灵活的RF上变频器和下变频器以及相匹配的高速DAC和ADC后，促进了软件定义无线电概念的发展，终于有一种方法能够以高品质和可重复性来创建和处理波形。
　　本教材共分为三个部分：
　　第一部分为实验基础知识，在软件无线电及实验平台一节中讲述了软件无线电的概念和相应的软硬件设备，接下来的环节中重点介绍了本教材所采用的NI公司的软件无线电教学平台，即LabVIEW图形化编程语言和USRP硬件设备的组合，以及所采用的实验设备的型号配置等。同时，还讲述了实验的基本过程，在实验的每个环节中应完成的基本任务及意义。最后，因为对数字通信系统是划分为多个不同的功能模块分别进行实验的，因此，为使实验者对这部分有一个整体的了解，将相对应的几个实验的实验方法进行了整体的说明。
　　第二部分基础实验篇与通信原理理论课程的教学紧密结合，通过对模块的设计以及对整体系统的构建等实践内容加深对通信基本算法理论的认识和理解，其中包括了几个基本的通信系统链路设计实验，如用LabVIEW语言分别构建AM及FM发送和接收链路，在基于USRP的软件无线电平台上运行； 以及构建单载波的BPSK/4QAM数字调制解调基本链路，即发送端采用二进制频移键控（BPSK）或正交幅度调制（QAM）和升余弦脉冲整形及信道编码； 接收机功能设计上增加了一定的难度，除了匹配滤波、解调、信道解码和检测之外，还包括信道估计与时域均衡、各级同步等相关的内容。这部分内容有的与通信原理理论教材中所讲授的方法有很大的不同，甚至没有包含在理论教程中，但在实际工程中却是非常重要的内容，对于在信道中受损的无线信号完整有效地接收起着不可或缺的作用。
　　基础篇中的每个实验都描述了实验目的和实验原理，希望能在实验前仔细阅读，结合所提供的参考教材和资料真正理解相关的理论知识。实验原理部分从实践的角度介绍通信原理乃至无线通信课程的相关内容，不仅仅包含一些处理实际问题的理论，更希望学生能够真正知道如何发送和接收实际的通信波形。
　　第三部分扩展实验篇中对系统进行了扩展，不仅仅局限于通信原理的内容，而是需要对无线通信理论有更广泛或更深入的了解，以及与其他数字信号处理方法相结合的能力。而且，通过这部分实验旨在引入开放创新的实验教学方式，发挥学生的主观能动性，积极深入拓展，将多方面的知识融会贯通，因此，在该部分的实验内容撰写上较为简化，希望学生能够根据对实验目的和实验原理的了解，参考实验内容的部分示例，进行深入探索，使用软件无线电平台及较高级的设计方法，结合实际无线信号和真实通信系统开发构建更为复杂的仿真系统或者完整的通信链路，力求使整个系统的综合性能更佳、代码更为优化以及界面更为美观。
　　这部分包括6个独立的实验内容：
　　实验10为数字锁相位同步提取的LabVIEW仿真，是用LabVIEW语言模拟数字锁相环的位同步提取过程。位同步提取在接收机电路中非常重要，关系到接收信号的正确与否。在工程实践中通常采用数字锁相法从接收到的数字基带信号中提取位同步信号，系统的主要性能指标，如恢复得到的位同步时钟信号的相位抖动，系统的捕捉带宽、捕捉时间等，相互之间存在一定的天然对立。其中一种指标的改善，往往会以另一种指标的折损为代价。这些性能指标的相互关系是值得探究的课题。但在实体电路实验中，这些指标都表现为某种形式的随机变化量。要精确测量它们是一件比较复杂的事，通常要使用特别专门的测量仪器和测量方式。而利用LabVIEW编程，可以建立符合前述理论原理和逻辑设计方案的动态仿真模型。通过这种仿真模型，可以方便地获得主要性能指标的各种统计测量结果，这就为开展相关问题研究提供了一条可行的技术路径。
　　实验11的内容为添加了自动请求重传机制的文本信息传输。由于噪声或同步不准确等多种因素的影响，在SNR大于1时也常常会有丢包或错误的包。因此，在通信系统中添加CRC校验及重传机制可保证数据包较可靠地传输，降低丢包率，本实验中接收端根据接收包的校验结果回复ACK信号，而发送端则根据ACK回复信息决定是否重新发送前一个包或继续进行下一个包的发送。本实验的拓展部分为设计一个定制的通信协议，实现点对点的无线通信链路满足协议要求。
　　实验12的内容是在文本信息传输系统中采用高灵敏度的包捕获方法。包捕获机制的灵敏度关系到信息的最远传输距离或者说在固定的传输距离下发送信号增益的强度，高灵敏度的包检测方法必将带来更远的传输距离或者可以适当降低发送信号的增益强度。本实验的目的是实现参考资料中给出的一种新的包捕获机制，与已提供的文本传输链路中的仅仅根据接收信号能量进行包捕获的方法相比较，体会高灵敏度包捕获方法的效果。本实验的拓展部分希望实验者能够进一步尝试基于相关性的包捕获方法。
　　实验13、实验14和实验15都可基于已给的文本信息传输链路，修订代码，或者是添加语音或视频的信源编解码，或者是变为直序扩频或跳频传输，除了相关的信号处理及通信理论知识外，还要重点讨论的问题是程序模块的并行性设计以降低传输时延，保证信息传输的实时性和有效性。
　　当前诸多的商业通信协议中都采用了多载波的OFDM调制，包括无线LAN标准，如IEEE 802.11g、IEEE 802.11a和IEEE 802.11n； 宽带无线接入，包括IEEE 802.16（WiFi）； 移动宽带无线IEEE 802.20； 数字视频广播DVB（用于欧洲）以及3GPP蜂窝标准的几个版本等。因此，在实验16和实验17中分别将OFDM调制解调和频域均衡设计以及载波频偏估计和帧同步作为实验内容。
　　本书及实验教程的开发得到了美国国家仪器公司的支持和授权，提供了包括美国德州大学奥斯汀分校以及斯坦福大学和加州大学圣地亚哥分校等多所大学的无线通信实验内容作为参考。本教材基础实验篇中实验3直到实验9以及扩展实验篇中实验16和实验17的大部分内容都直接采用了文献［1］的相关部分，它们是德州大学奥斯汀分校 Robert W.Heath Jr.教授所讲授的数字无线通信(Introduction to Wireless Digital Communication: A Signal Processing Perspective)的内容，对这些内容更多的是进行了翻译，但对实验顺序的安排进行了一些调整，并根据上海交通大学通信原理教学课程大纲的要求添加了一些内容，如基于循环码的信道编解码等。这部分内容的发表也已经征得了Robert W.Heath Jr.教授的同意。美国国家仪器公司与上海交通大学电子工程系实验中心合作建立的“大学生创新实践基地——图形化系统设计实验室”让本课程得以实施，NI同时提供了专业技术支持和国际领先的实践教学经验分享，进一步加快了NI软件无线电平台与中国本地通信实践教学的融合，衷心感谢他们的支持。
　　同时感谢上海交通大学电子工程系实验中心的多位老师和研究生助教以及多届参与课程设计学生的帮助，使得这本实验教材得以最终完成，其中包括： 陈大华老师撰写了信道编解码实验中循环码部分的初稿； 李安琪老师对码元同步恢复的资料翻译和整理并提供了扩展实验中位同步提取的演示程序； 李立安助教对部分扩展实验内容的添加和修订； 顾之诚、黄森洪等多位同学设计了音视频通信等的程序代码及前面板示例等。在此衷心感谢所有人的帮助。
编者2015年6月