寇辰光

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0 引言

在新科技迅猛發(fā)展浪潮的沖擊下,推動著包括衛(wèi)星通信、光纖通信等在內的現(xiàn)代通信技術不斷發(fā)展[1-3]。隨著現(xiàn)代通信技術的進步,使得信息傳輸技術的重要作用逐漸凸顯, 同時對物理層信息的傳輸質量和效率提出了更加苛刻的要求[4]。物理層作為計算機網(wǎng)絡體系結構中的最底層,為設備之間的數(shù)據(jù)通信提供了傳輸媒體及互聯(lián)設備,為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境[5]。因此,物理層技術在現(xiàn)代通信的發(fā)展中發(fā)揮著至關重要的作用,可以為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供強有力的保障。

1 背景與意義

物理層是計算機網(wǎng)絡體系結構中的最底層,為現(xiàn)代通信技術提供了一個可靠的傳輸介質,以確保數(shù)據(jù)能夠在網(wǎng)絡中實現(xiàn)可靠傳輸[6]。因此,物理層的硬件實現(xiàn),在現(xiàn)代通信中扮演著重要角色。物理層硬件性能直接決定著信號的傳輸質量,硬件性能較差時會導致信號解調性能下降,嚴重時甚至會導致無法正常解調。因而,一個穩(wěn)定可靠的硬件是傳輸性能可靠保證的關鍵[7-8]。

在物理層的硬件設計中,其發(fā)射性能可依賴外接頻譜儀等標準儀器進行測量確認,但是硬件的接收性能往往沒有便捷的工具和方式來確認。一般需要將硬件數(shù)據(jù)導入MATLAB工具,再通過編寫測試程序來分析硬件數(shù)據(jù),進而判斷硬件性能。但是該方法需要掌握通信傳輸知識及流程才能合理設計測試程序,對于硬件工程師是一個挑戰(zhàn),因此一般需要信號傳輸人員或者專業(yè)的測試人員進行程序調試及測試,這影響了測試周期和測試效率。

針對上述挑戰(zhàn),本文提出一種基于圖形用戶界面(GUI)的物理層硬件性能測試方法,通過GUI可視化界面加載硬件數(shù)據(jù),利用MATLAB在后臺對數(shù)據(jù)進行處理,可視化分析信號質量,以此來達到準確判斷物理層硬件性能的目的。

2 基于GUI的可視化物理層硬件性能測試方法設計

2.1 基于GUI的物理層硬件性能測試可視化方法的設計思路

為了提高物理層硬件性能測試的效率和易操作性,本文提出的基于GUI的物理層硬件性能測試方法主要由數(shù)據(jù)加載、參數(shù)配置、信號頻譜的可視化、相位可視化、解調結果可視化5部分組成。具體而言,基于GUI的可視化物理層硬件性能測試方法的設計思路如下。

步驟一:數(shù)據(jù)加載。

設定待加載數(shù)據(jù)的并行路數(shù)m以及待加載數(shù)據(jù)的文件格式,完成硬件數(shù)據(jù)的加載,并在后臺將加載的數(shù)據(jù)轉換為串行數(shù)據(jù)。

步驟二:參數(shù)配置。

配置信號參數(shù),包括符號速率Rs、模數(shù)轉換工作鐘clkAD、匹配濾波器的滾降系數(shù)α,根據(jù)并行路數(shù)m,計算采樣鐘fs和采樣倍數(shù)n:

fs=clkAD·m,n=fs/Rs

(1)

步驟三:可視化信號頻譜。

通過FFT運算分析信號的頻域特征,設置中心頻點和頻寬,并將信號頻譜顯示在可視化界面中。

步驟四:可視化星座圖和誤差向量幅度。

根據(jù)步驟二配置的信號參數(shù),對加載的數(shù)據(jù)進行匹配濾波和定時,得到定時后的數(shù)據(jù),并對定時后的數(shù)據(jù)進行相點繪制和誤差向量幅度計算,將星座圖和誤差向量幅度呈現(xiàn)在可視化界面中。誤差向量幅度計算方式如下:

(2)

步驟五:可視化誤碼率曲線和解調損失。

對加載的數(shù)據(jù)施加不同信噪比的高斯白噪聲,根據(jù)步驟二配置的信號參數(shù)對加噪聲后的數(shù)據(jù)進行匹配濾波、定時、解調和誤碼比對,得到誤碼率,然后將誤碼率的實測值與理論值做差以進行對比,得到解調損失,并將誤碼率曲線和解調損失呈現(xiàn)在可視化界面中。

其中,誤碼比對所用的數(shù)據(jù)源生成多項式為:

g(x)=x19+x18+x17+x14+1

(3)

這里,初相位全為“1”。

至此,完成基于GUI的可視化物理層硬件性能測試的方案設計。

2.2 基于GUI的可視化物理層硬件性能測試方法的可行性分析

基于以上設計思路,分析得出本文所提基于GUI的可視化物理層硬件性能測試方法具有如下明顯優(yōu)勢:

(1)該方法高度集成信號處理算法,降低了處理復雜度。

(2)該方法采用了GUI可視化的方式,界面操作后自動化處理,較編寫測試程序的方法提高了可操作性。

(3)該方法性能穩(wěn)定可靠,界面簡單,實現(xiàn)復雜度低,可移植性強,具有推廣應用價值。

3 基于GUI的可視化物理層硬件性能測試方法的實例展示

如圖1—4所示,通過具體實例分別展示了基于GUI的可視化物理層硬件性能測試界面的實現(xiàn)方法和使用說明。

圖1 物理層硬件性能測試的初始化可視化界面

3.1 GUI界面的初始化狀態(tài)展示

圖1展示了本文所提出GUI界面的初始化狀態(tài),可以直觀清晰地看出,物理層硬件數(shù)據(jù)的不同參數(shù)配置。這些參數(shù)配置包括:并行路數(shù)設置1,文件格式采用.txt格式,完成硬件數(shù)據(jù)的加載及轉換;配置符號速率為12.5 Msps,AD工作鐘為100 MHz,匹配濾波器滾降系數(shù)為0.3。基于以上參數(shù)配置,鍵入待加載數(shù)據(jù)的并行路數(shù),選擇待加載數(shù)據(jù)的文件格式.txt,點擊可視化界面的加載按鈕,完成硬件數(shù)據(jù)的加載,并在后臺將加載的數(shù)據(jù)轉換為串行數(shù)據(jù)。

3.2 信號頻譜分析圖的可視化展示

圖2展示了可視化的信號頻譜分析,根據(jù)圖1加載得到的硬件數(shù)據(jù),對其進行FFT運算分析信號頻域特征,通過設置中心頻點為0 Hz和頻寬為25 MHz,可清晰明了地在左側窗口觀測信號的頻譜。

圖2 物理層硬件性能測試的信號頻譜分析可視化界面

3.3 相點分析結果界面的可視化展示

圖3展示了可視化的相點分析結果。通過點擊相點分析按鈕,即可對加載得到的數(shù)據(jù)進行匹配濾波和定時,并對得到的定時后的數(shù)據(jù)進行相點繪制和如式(2)的EVM計算,并將星座圖和EVM反饋值呈現(xiàn)在可視化界面中。因此,分析人員可直觀地根據(jù)星座圖特征和EVM反饋值分析信號質量,以判斷硬件性能。

圖3 物理層硬件性能測試的相點分析可視化界面

3.4 解調性能結果界面的可視化展示

圖4給出了物理層硬件性能測試中的解調性能結果可視化顯示。本方法實現(xiàn)的軟件可對加載得到的數(shù)據(jù)施加不同信噪比的高斯白噪聲和參數(shù)配置,并對加噪聲后的數(shù)據(jù)進行匹配濾波、定時、解調和誤碼比對,通過實測值與理論值對比,可得到解調損失,并將誤碼率曲線和解調損失呈現(xiàn)在可視化界面中,進而使分析人員精確地判定硬件性能。

圖4 物理層硬件性能測試的解調性能結果可視化界面

4 結語

針對目前物理層硬件的接收性能不易觀測從而影響測試人員的測試周期和測試效率的問題,本文提出了一種有效的基于GUI的物理層硬件性能測試方法。通過GUI可視化界面加載硬件數(shù)據(jù),利用MATLAB在后臺對數(shù)據(jù)進行處理,可視化分析信號質量,以此來達到準確判斷硬件性能的目的。相對于傳統(tǒng)編寫代碼的測試方法,該方法具有用法簡單的特點,高度集成信號處理算法,在簡化操作的同時解決了物理層硬件測試的問題;此外,還具有穩(wěn)定可靠、可操作性強、易于推廣等優(yōu)點,特別適用于物理層硬件平臺的性能測試。