基于軟件無線電平臺的無線通信信道測量系統設計

夏　鵬（廈門大學信息科學與技術學院,　廈門361005）

基于軟件無線電平臺的無線通信信道測量系統設計

夏鵬
（廈門大學信息科學與技術學院,廈門361005）

摘要：無線信道是無線通信系統研究的基礎。而研究無線信道的最有效的方法就是進行實地信道探測實驗。目前國際上在信道測量和建模的研究較為深入，但是我國在該領域的研究尚處于起步階段。本文基設計了一種基于軟件無線電平臺（USRP）的無線通信信道測量系統，為無線通信系統的網絡規劃提供實測依據。

關鍵詞：USRP；信道測量；無線通信；路徑損耗

無線通信系統的性能主要受到無線信道的制約，鑒于無線信道對于無線通信系統設計的重要性，任何無線通信系統在被研究、采納和應用之前，首先應該對無線信道的各種特征參數做出詳細的分析，建立合理的信道模型。無線信道測量是了解信道特征的最直接途徑。通過信道測量我們可以“捕捉”無線信道的各種特征行為，從這些行為中抽象出表征它們的關鍵參數，由此建立的信道模型具有較高的可靠性，可以為通信系統的仿真和評估提供依據。本文設計了基于軟件無線電（USRP）的無線信道測量系統，主要是包含信號發射源系統、基于USRP的信號接收系統、測量實驗數據的處理。

1　信號發射源系統

1.1 信號源系統的硬件

本文研究中實驗測量的信號源硬件主要包括：7.4V高性能鋰電池、STM32F103YL-8最小系統板、YL-100T信號模塊、433M天線。

1.2STM32F103 YL-8最小系統板

STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARMCortex-M內核。F103系類板嵌入了ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。采用了從32K到512K字節的閃存程序存儲器。系統模塊帶有8個定時器。YL-8是一塊功能較為齊全的單片機開發板，這里利用定時器中斷產生周期性脈沖信號。

1.3 YL-100T信號模塊和天線

YL-100T是無線采集，無線數傳和無線收發模塊。YL-100T是一款高穩定性，低功耗，高性價比的采用GFSK調制方式的無線透明數據收發模塊。它不改變任何數據和協議，完成無線傳輸數據功能。該模塊相對一般模塊具有尺寸小，靈敏度高，傳輸距離遠，通訊數率高，內部自動完成通訊協議轉換和數據收發控制等特點。

2　基于USRP的信號接收系統

USRP硬件平臺基本結構主要是由兩個部分組成，包括母版和射頻前端，核心器件就是母版。USRP-N210母版包含兩路100MS/s14-bit的模數轉換器(ADC)和兩路400MS/s16-bit的數模轉換(DAC)，還有一塊賽靈思Sparten-3A系列FPGA芯片和一個ETHERNET(1Gb/s)接口。其中FPGA主要是做一些非常重要的但是計算量又非常大的輸入信號的預處理工作。

USRP母板通過ETHERNET(1Gb/s)接口與普通PC機相連接，PC機部分主要是完成基帶處理功能。在發送端USRP中FPGA對信號進行內插，上變頻到中頻頻段，并最終通過DAC進行數模轉換，然后由子板形成射頻信號并通過天線發送；在接收端，通過模數轉換將信號轉換FPGA能夠處理的信號，同時在FPGA中完成數字下變頻和信號的抽取，使通過ETHERNET接口的數據率大大降低，以便普通的PC機處理。

每個主板可以安裝最多四個子板：兩個接收，兩個發射。Ettus Research為這些子板配備了多個系列，覆蓋從直流到5.9GHz整個頻率范圍。本文研究中使用的子板類型是SBX，支持復采樣的子板（頻率覆蓋范圍為400MHz至4.4GHz）。

USRP硬件平臺需要依靠GNURadio信號處理方案在主機CPU上完成所有時域、頻域波形相關的處理。GNURadio是一個開源的軟件定義無線電平臺。它提供許多通用軟件無線電需要的庫，其中包括各種調制方式（例如：GMSK,QAM,PSK,OFDM等）、信號處理模塊（最優濾波器、FFT、均衡器、定時恢復）、糾錯碼（R-S碼、維特比碼、Turbo碼）和系統調度等。

本測量系統中采用的是基于Ubuntu12.04的Linux系統下的GNU Radio軟件模塊。它提供一整套信號處理模塊庫，并架起了將用C++程序語言編寫的信號處理模塊連在一起的橋梁。GNURadio是一個很靈活的系統，允許用戶使用C++或者Python開發應用程序。因此，開發者能夠簡單快速的構建一個實時、高容量的無線通信系統，而所有高速通用操作都在FPGA上完成，比如數字上下變頻、抽樣和內插等。

3　實驗測量以及數據處理

本文的實驗測量主要是利用USRP硬件平臺來測試接收到的無線信號源的功率大小與距離的關系以構建無線信道的損耗模型。GNU Radio軟件平臺里面現有的uhd_fft的Python模塊可以直接測量并顯示接收到的信號經過fft變換后的頻譜圖，只需要將fft計算的C++模塊得到的相關頻譜數據保存下來，然后在Matlab里面處理，就可以計算信號在有效帶寬范圍內的功率值。根據信號處理的理論，fft運算的結果是一個包含實部和虛部的復數，如，各個分量的功率計算為：信號源的總功率即為各分量功率和。

4　結語

本文設計的實時信道測量系統具有價格低廉、可擴展性好、連續數據存儲速率高和存儲容量大的特點，適用與科研工作者與在校學生對無線信道的探測與研究，不但價格低廉，而且靈活性強。它的主要缺點是測量帶寬有限，暫時只能測量信號的接收功率無法測試更多的信道參數的。

參考文獻：

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[2]曹瀚文,王文博.GNURadio:開放的軟件無線電平臺[J].電信快報:網絡與通信,2007(04):31-34.楊宏,孔耀暉,茹晨光等.

[3]王朕.無線通信系統的信道測量與建模關鍵技術研究[D].中國科學院研究生院(上海微系統與信息技術研究所),2008.

作者簡介：夏鵬（1988-），男，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向：無線信道建模。