一、产品综述
1、软件无线电设计（SDR）
随着通信技术的发展，无线通信的使用越来越广泛，像4G/5G移动通信，WIFI（802.11a/b/g/n），蓝牙，微波通信，卫星通信等都已经深入我们的日常生活。但是无线通信技术的发展，不断带来新的技术应用，对研发人员也会来带新的技术挑战，对设备厂商和用户则会带来设备更新的经济压力。例如移动通信从2G到3G发展过程，淘汰了众多专用的2G设备，所以在4G时代，众多设备厂商开始采用软件无线电的理念，即用一个统一的硬件平台（或者只修改部分硬件，比如射频前段），通过修改软件算法的方式，完成不同的通信功能。
在高校实验教学中同样存在上述问题，很多刚购买1-2年的教学实验设备，还未到淘汰周期，但是已经无法体现近期1-2两年的技术发展。由于采用的是专业硬件，也无法开发升级新的实验内容，导致实验课程无法开展有效的更新和改革，而采用软件无线电设计理念的实验设备可以解决这个问题。

2、“线上”+“线下”混合式实验模式
2019年教育部提出了开展国家级线下一流课程、国家级线上线下混合式一流课程和国家级社会实践一流课程的要求；要求推动教师全员参与课程理念创新、内容创新和模式创新，形成打造“金课”、淘汰“水课”的教学改革氛围。加强一流本科课程建设与应用，提升本科课程的高阶性、创新性和挑战度。在之前，教育部层提出了国家精品在线开放课程（现国家级线上一流课程）和国家虚拟仿真实验教学项目（现国家级虚拟仿真实验教学一流课程）的认定工作。这些课程的认定工作及要求均将对在线课程设置了较高的目标，同时引领了当前在线教育课程的改革。
2020年初突发的疫情，又将在线教学推到了风口，理论教学的在线课程可采用网课或MOOC模式，但是实验课就遇到了难题，只能借助社会开放资源完成有限的实验课程，而且由于资源有限，很多课程都设置了很短的时间限制，导致实验效果大打折扣，很多高校已经意识到，在线实验教学已经到不得不改革的程度。

3、在线实验管理系统
在传统的实验课程方式下，一般采用课表安排--实验室课内实验--提交实验报告--批改打分，该模式在执行中有诸多弊端：实验内容多为验证性实验，根据实验步骤完成实验操作；课堂时间有限，无法在课内完成实验；课时限制因素，无法对二次开发提出较高要求。通过功能完善的在线教学管理平台可解决上述问题。首先，在线实验采用“线上”+“线下”混合模式，在线下无法完成的预习，可在线下完成；在线下来不及做完的实验，可在线上抽空补做；在线的二次开发，支持随时进行二次开发的验证，让学生充分利用课外时间。

4、工程应用级创新开发
在国内众多的工科类高校，主要任务是培养具备研发能力的工程师人才，当前“新工科建设”，“工程认证”等学科发展标准，也对工程技术性人才培养提出了更高的要求。但是目前很多高校实验设备仍然停留在理论验证或纯仿真阶段，该方式只能加深学生对理论的理解，无法解决学生完成工程实践的环节，以通信为例：很少有同学可以制作一个完整的硬件DQPSK收发系统。
很多学生在实践环节，仅仅完成虚拟仿真实验或Matlab仿真，没有在真实硬件（FPGA，DSP，无线射频）上完成实际的性能验证，无法理解在实际通信中存在的噪声、无线信道衰落、频率偏移、收发同步等因素对通信系统造成的影响，导致最终缺乏实际的工程应用经验。

二、平台介绍
1、总体功能
互联网+软件无线电平台是集成了双平台（Xilinx和Intel），高带宽无线覆盖（70M-6Ghz）的软件无线电系统。为了满足远程在线实验和系统管理的功能，系统还包含提供了基于B/S架构的服务器端和客户端功能。



系统整体包含四个部分：
■硬件设备平台
■软件操作终端
■管理系统平台
■二次开发资源
其中硬件平台主要完成通信算法的运行和二次开发算法的验证；软件操作终端主要包含服务端数据管理及采集,远程实验操作客户端，以及虚拟仪器仪表软件；管理系统平台主要包含课程管理，教务管理，实验过程管理和实验报告管理等管理功能；二次开发资源主要包含二次开发对应的源代码，开发资料，以及对应的厂家配套开发工具软件，如Vivado，Quartus II，Matlab等。

2、硬件平台介绍
硬件平台采用双平台软件无线电架构，同时支持Xilinx和Intel（原ALTERA）的系统开发，并集成了双发双收的AD9361射频模块，可实现70Mhz-6Ghz的频率范围调节。其中Xilinx采用ZYNQ平台，主要完成基于ZYNQ+AD9361的高阶软件无线电实验；Intel平台采用Cyclone IV硬件平台，可完成原理实验的验证及二次开发；双平台通过总线方式组合起来，可完成原理和系统实验的有机结合，并通过连接的千兆网口，完成实验数据的远程交换，实现互联网+在线实验方式。
■ 硬件参数性能：
1、硬件采用双FPGA+ARM的架构，同时支持Xilinx和Intel平台的FPGA开发，两个平台通过总线连接，可以实现数据交互和通信。
2、Xilinx平台采用ZYNQ系列XC7Z020硬件平台。内置：存储器：512MB DDR3；256Mb Quad-SPI Flash；板载USB-JTAG编程接口；支持10/100/1000以太网接口；
3、Intel平台采用EP4CE40+ARM硬件平台，硬件资源全开放，支持IP访问、支持所有实验的二次开发、远程固件升级、远程开发算法动态加载、远程配置模块对应实验的全部参数；
4、射频前端采用AD9361模块，支持集成12位DAC和ADC的RF 2×2收发器；TX频段：47MHz至6.0GHz；RX频段：70MHz至6.0GHz；支持TDD和FDD操作；可调谐通道带宽：<200kHz至56MHz；双通道接收器：6路差分或12路单端输入；噪声系数为2dB(800MHz LO)；支持RX增益控制；支持实时监控和控制信号用于手动增益；独立的自动增益控制；支持双发射器：4路差分输出；支持高线性度宽带发射器；TX EVM：≤−40dB；TX噪声：≤−157dBm/Hz本底噪声；TX监控器：动态范围≥66dB，精度=1dB；集成式小数N分频频率合成器；2.4Hz最大本振(LO)步长。
5、设备采用工控机箱结构，便于桌面的放置及移动携带；接口包含：1路10/100/1000M自适应网络接口；2*2MIMO射频前端（70M-6Ghz）；4路基带输出接口，可同时输出数字信号和模拟信号；1路JTAG开发接口；

3、软件操作终端
软件操作终端主要包含本地软件和远程软件客户端。本地实验采用传统的实验方式，可通过“JTAG下载线+硬件平台”，直接完成通信算法的开发及运行，开发方式包含verilogHDL/VHDL硬件描述语言开发或C语言开发，也可通过“Matlab+平台”，实现matlab和硬件平台的连接，验证matlab开发的通信算法，或者采用“仿真+硬件”联合的实验模式，如采用硬件产生QPSK调制数据，MATLAB完成QPSK解调算法；
 
远程软件客户端采用浏览器登录的方式进行远程实验，将本地端硬件平台算法发送到远程客户端，采用虚拟信号源，虚拟示波器，逻辑分析仪，误码仪等方式呈现实验过程的中间数据。

4、管理系统平台
教学综合管理平台为整个系统提供管理功能，包含四大管理模块：系统管理、课程管理、在线实验管理、教务管理。

■系统管理功能子系统：支持多种类型账号的分配及管理，包含管理员，教师，学生三种类型账号，并可为每种账号分配不同的权限。支持系统平台的当前总资源，可用资源，近期使用情况等数据的统计，帮助老师了解平台的动态使用数据；支持系统资源管理及资源分配；系统提供平台使用帮助，协助平台管理员及使用人员对系统的快速入门。
■课程管理功能子系统：支持在线实验课堂的创建与编辑，并能针对创建的实验课堂进行实验项目的发布，实现实验课程的统一规划与管理。支持不同在线课程的线上实验课堂开设、实验项目发布、在线实验等功能，无需下载安装实验课程的客户端软件即可直接进行远程实验操作；支持教师对在线实验课堂的管理，支持发布课堂、删除课堂、结课等操作，教师能够根据实验课程规划进行实验课堂的发布与结课管理。
■在线实验功能子系统：支持通过浏览器进行平台的登录，在平台完成实验的预习；支持进入选定的实验，根据实验文档和实验步骤完成实验的操作；支持在实验操作过程，通过截图方式记录实验结果，并添加账号水印；支持后台对实验操作的记录，以便了解各个学生实验操作的具体情况。
■教务管理功能子系统：支持平台的通知及公告发布；支持以班级为单位进行教学管理及数据统计；支持在线实验报告的提交和批阅功能，支持教师在线对学生提交的电子实验报告进行批注及评分，支持学生查看自己的实验报告评审结果；支持实验教学各类KPI指标统计，实验报告结果得分统计。

5、二次开发资源
系统支持三种类型的二次开发，可适用于不同层次，不同类型，不同场景的二次开发要求。
■方式1 为基于ZYNQ+AD9361的二次开发，主要满足工程应用级别的二次开发，可作为高阶实验课程，实训课程以及毕设课题的二次开发
■方式2 为基于原理实验的远远程+本地二次开发，主要作为实验课程配套的二次开发；
■方式3 为系统模块级二次开发，通天模块级连接，让学生了解通信系统的搭建。

三、二次开发功能说明
1、本地无线通信算法验证及二次开发
系统支持基于Xilinx平台ZYNQ+AD9361的两种模式软件无线电二次开发。方式1为基于ZYNQ平台硬件的二次开发，开发方式为基于FPGA的PL和PS二次开发，支持verilogHDL+C语言开发方式。方式2为基于Matlab的二次开发，通过Matlab连接到硬件平台，实现Matlab软件和硬件平台的通信和数据交互。
 
2、互联网+在线实验及二次开发
互联网+在线实验是基于浏览器方式的远程在线实验，支持学生登录平台通过虚拟示波器，逻辑分析仪，误码仪等虚拟仪表完成在线实验。学生可通过管理系统登录平台，完成实验课程的在线预习，实验操作，实验报告提交；老师可通过管理系统完成在线实验课程的设置，发布及实验报告的批改及打分。
另外，系统支持在线实验的二次开发，支持基于FPGA+verilogHDL硬件描述语言的的硬件远程开发，同时支持matlab方式的远程硬件连接算法开发。
 
3、基于模块化的二次开发
系统提供80多个基于FPGA的无线通信和软件无线电算法控件，至少包含抽取插值、半带和CIC滤波、NCO、DDC、DUC、Costas、成型、匹配、均衡、AGC、多径、衰落、多普勒等算法控件；学生能在浏览器上通过拖放、关联、配置、下载等工作，设计并测试无线通信系统；也可用面向产品的FPGA硬件描述语言设计算法，仿真后远程加载到无线通信平台，验证算法性能；算法的各个信号输出到端口后，既可以使用真实示波器观测又可以使用虚拟示波器观测，以证明算法是真实实现而非仿真；二次开发设计的无线通信系统算法和硬件模块对应，训练学生掌握实际通信要素间速率、码型、带宽等参数的匹配设计；
 
四、实验内容
1、课程规划
（1）基础实验课程
平台硬件采用软件无线电架构，每个实验算法均通过软件算法实现，因此可支持多类型的基础实验课程，并可方便的扩展新的实验内容，支持的课程包括《通信原理》、《无线通信》、《移动通信》、《软件无线电》、《数字信号处理》等课程类型。
（2）工程实训
平台在完成基础实验课程的基础上，可完成课程设计、工程实训、毕业设计，甚至可以满足研究生及老师的科研等综合类要求。以工程实训为例，系统可采用循序渐进由浅入深的形式，帮助学生了解实际的无线通信系统中众多的知识点，并最终独立或合作实现一个完整的工程实践项目。

对于学生而言，如果希望在硬件平台采用verilogHDL语言完成一个完整通信收发系统，往往是较为困难的，甚至很多学生都无从下手。目前众多软件无线电设备在设计实验时，基本都是采用软件层采用matlab或labview调用已有的算法或模块，完成某个功能的搭建，最终并没接触到实际的硬件原理，其效果和纯仿真没什么区别，这和工程实践的本质是背离的，工程实践的最终目的是需要培养可以参与产品研发的工程师。在课程设置中，平台针对该问题，提供了多个完整的工程实训案例，让学生可以真正体会一个实际的通信系统工作的原理。

2、课程列表
《通信原理》课程
（1）抽样定理实验
（2）PCM编译码实验
（3）CVSD编译码实验
（4）帧同步与时分复用
（5）汉明编码调制解调
（6）循环编码调制解调
（7）卷积编码调制解调
（8）交织编码调制解调
（9）码型变换调制解调
（10）线路编码调制解调
（11）ASK调制解调
（12）FSK调制解调
（13）PSK调制解调
（14）DPSK调制解调
（15）QPSK调制解调
（16）DQPSK调制解调
（17）OQPSK调制解调
（18）眼图观测实验
（19）载波同步实验
（20）位同步实验
《移动通信及软件无线电》课程
（1）M序列特性研究
（2）GOLD序列特性研究
（3）WALSH序列特性研究
（4）伪随机序列特性研究
（5）扩频解扩
（6）码分多址（CDMA）
（7）MSK调制解调
（8）GMSK调制解调
（9）QAM调制解调
（10）OFDM调制解调实验
（11）小尺度路径损耗
（12）大尺度路径损耗
（13）基带成型与匹配
（14）星座映射
（15）上变频与下变频
（16）带通采样定理
（17）exAMDSB实验
（18）FM实验
（19）时域采样与频谱分析实验
（20）系统实验
《信号与系统与数字信号处理》课程
（1）矩形脉冲信号的分解
（2）矩形脉冲信号的合成
（3）谐波幅度对波形合成的影响
（4）相位对波形合成的影响
（5）任意信号的分解
（6）信号卷积-自卷积实验
（7）信号卷积-系统卷积实验
（8）FIR滤波器实验
（9）连续信号的时域采样与离散信号的零阶保持输出
（10）时间离散型号的傅里叶变换（FT）与频域采样定理
（11）系统响应机器稳定性实验
（12）利用z变换的零极点图设计简单的滤波器（matlab设计，硬件验证）
（13）离散傅里叶变换(DFT)及其应用
（14）直接型IIR滤波器实验
（15）级联型IIR滤波器实验
（16）多速率滤波器-插值
（17）多速率滤波器-抽取
（18）数字信号处理在双音多频拨号系统中的应用
（19）有限冲激响应（FIR）数字滤波器

五、系统配置推荐（30学生数）
互联网+软件无线电平台 30套 
在线教学管理系统 1套
远程操作客户端 30套
工程应用开发平台 30套
教学管理服务器 1套