基于LabVIEW和USRP的軟件無線電通信實驗平臺設計

邢　鑫， 趙　慧

(北京郵電大學 信息與通信工程學院， 北京　100876)

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基于LabVIEW和USRP的軟件無線電通信實驗平臺設計

邢鑫， 趙慧

(北京郵電大學 信息與通信工程學院， 北京100876)

為培養學生的實踐創新能力，提高實驗教學效果，開發了一套基于LabVIEW和USRP的新型軟件無線電通信實驗平臺。該通信實驗平臺的無線信號收發鏈路按照IEEE802.11ac物理層協議編寫，同時支持鏈路級仿真和真實射頻信號收發。基于該平臺可以設計包括信源端、信號發送端、信號接收端在內的一系列新型通信實驗，既可以應用于通信基礎課程的原理驗證，也可以應用于無線通信專業課程的系統開發。

通信實驗平臺； 軟件無線電； 實驗教學；LabVIEW；USRP；IEEE802.11ac

傳統的通信實驗教學大致分為兩類：一類是基于固化的實驗箱，另一類是基于軟件仿真工具；前者存在實驗可擴展性不強的問題，后者則存在實驗效果不直觀的缺憾。為了克服傳統通信實驗的種種弊端，筆者開發了一套基于LabVIEW和USRP的新型軟件無線電通信實驗平臺。該平臺通過軟件仿真以及配套硬件實驗，可以幫助學生理解通信系統中的抽象概念，進一步擴展系統知識，加深對實際系統的感性認識，同時培養學生使用軟硬件平臺來仿真和開發通信鏈路及系統的方法和技巧。這一做法已經受到國內外很多高校的認可[1-3]。

1　軟件無線電通信實驗平臺的特點

以往一些基于軟件定義無線電(softwaredefinedradio，SDR)的實驗設計中，有的主要側重通信原理的局部基本概念[4-6]，諸如調制方式、載波同步等；有的只針對特定的通信場景[7]，適用專業有限；有的所用平臺不通用[8]。基于LabVIEW和USRP的軟件無線電通信實驗平臺是一個基于實際系統標準協議編寫的完整收發鏈路，更接近真實通信設備。由于采用通用平臺，它的適用性更廣。通過此平臺的實踐，學生不但可以學習到信源和信道編碼、CDMA、OFDM和MIMO等現代通信技術，還可以學習信道建模與仿真、信道估計、時頻偏糾正、典型通信系統物理層鏈路開發等內容。而該平臺的軟硬件實驗內容既有選單方式可供學生靈活選擇，又有很好的開放性可讓學生自主添加，以滿足學生的個性化實驗需求。

軟件無線電通信實驗平臺以可編程的硬件作為通用平臺、用可重配置的軟件實現各種無線電功能的設計。通過更新軟件可以兼容多種無線通信制式，具有方便參數配置、能全方位觀察各模塊信號的優勢。本平臺利用LabVIEW軟件進行軟件編程，選用NI公司的USRP(universalsoftwareradioperipheral，通用軟件無線電外設)平臺實現基帶信號和射頻信號之間的轉換。USRP收發器配合LabVIEW強大的數據處理能力，為開發基于軟件無線電的實時系統創造了條件。LabVIEW的一大優勢是支持混合語言編程，這就意味著開發人員可以很容易地重用已有代碼(C語言代碼、Matlab腳本等)而不必對代碼本身進行過多的修改，這大大降低了代碼移植的難度。

2　軟件無線電通信實驗平臺的組成

軟件無線電通信實驗平臺主要由基于軟件開發的基帶數字信號處理模塊和真實的射頻信號收發模塊組成。該實驗平臺的軟件是基于最新一代無線局域網通信標準IEEE802.11ac物理層協議編寫的，可以實現Gbps級的峰值速率。該實驗平臺的實物包括1臺普通計算機(PC)和2臺USRP。無線信號發送端由運行于PC上的Transmitter模塊和1臺USRP組成；接收端由運行于PC上的Receiver模塊和另1臺USRP組成。

2.1無線信號發送端

IEEE802.11ac的物理幀結構如圖1所示。物理幀前導碼中的L-STF、L-LTF和L-SIG子域主要是為了后向兼容以前的協議版本而存在的，分別表示傳統IEEE802.11ac設備可識別解析的短訓練序列、長訓練序列和信令信息；VHT-SIG-A和VHT-SIG-B表示IEEE802.11ac設備(VHT設備)可以識別和解析的信令信息；VHT-STF和VHT-LTFs表示VHT設備可以識別解析的短訓練序列和長訓練序列。物理幀數據域進一步由SERVICE域，PHY服務數據單元PSDU、PHY填補比特以及拖尾比特4部分組成。

圖1　IEEE 802.11ac物理幀結構示意圖

平臺支持協議在20MHz帶寬下可用的全部MCS方案，設計并實現了擾碼、信道編碼、CRC校驗編碼、交織、調制、插導頻、循環移位、相位旋轉、OFDM調制、循環前綴、脈沖成形濾波等一整套基帶數字信號處理模塊，每個數字信號處理模塊均被封裝成子VI的形式并對外提供了清晰的接口，以方便后續的擴展和修改。LabVIEW通過驅動程序將生成的基帶信號寫入NI-USRP的發送緩存，NI-USRP將發送緩存中的基帶信號加載到射頻并發送出去。

除實現了一系列數字信號處理模塊之外，平臺還提供了一些方便用戶調試程序的控件，這些控件可以圖形化顯示各個基帶數字信號處理模塊的輸入和輸出(見圖2)。例如，用戶可以察看基帶信號生成過程中各種參數的配置、生成信號的理想時域波形，并跟蹤擾碼器、編碼器的狀態等。

2.2無線信號接收端

平臺在進行無線信號接收時，USRP作為射頻接

收端，首先采集空間的無線信號并存入環形儲存器中，LabVIEW通過相應的驅動程序讀取環形儲存器中的數據并進行幀檢測、時偏和頻偏估計與矯正、信道估計與均衡、信令解析、數據還原等一系列無線信號解析操作，以還原信源信息。

(1) 幀檢測。平臺使用軟件定義的閾值接收并配合S&C算法[9]進行IEEE802.11ac幀的檢測。閾值接收模塊能夠根據接收功率的大小對信號和噪聲做初步的區分。S&C算法是一種經典的OFDM同步算法，它利用L-STF的周期性(L-STF序列可視為16位長的序列的10次重復)來完成系統的初步定時同步和頻偏估計。

(2) 時偏和頻偏的估計與矯正。幀檢測算法不僅可以檢測出IEEE802.11ac的信號幀，還能夠初步估計出接收信號的時偏和頻偏。精確的時間同步是基于幀結構中的L-LTF序列完成的。L-LTF序列是一個特定64位長序列的2.5次重復，用L-LTF序列與接

圖2　平臺發送端用戶界面

收到的信號進行互相關運算，便可獲得精同步的定時度量曲線。圖3所示為某一幀信號的精同步度量曲線，根據曲線中出現的尖銳峰值便可精確判定一幀信號的時偏。

平臺使用的頻率偏移估計算法是P.Moose算法[10]，P.Moose算法是一種最大似然的頻偏估計算法，可以捕獲誤差不超過1/2個子載波間隔的頻率誤差。在系統已經精確定時的前提下，該算法能夠準確判定出系統的頻偏。

圖3　某一幀信號的精同步定時度量曲線

(3) 信道估計和頻域均衡。平臺當前使用最小二乘估計算法(leastsquares，LS)配合幀結構中的L-LTF序列進行信道的估計。LS算法的實現復雜度低，在無線環境相對簡單的情況下有不錯的性能。將LS算法估算出的信道響應序列經FFT操作變換到頻域進行頻域均衡，就能夠消除無線信號在信道中傳輸時引入的誤差。

(4) 信令解析和數據還原。接收到的無線信號經過頻偏和時偏的校正以及信道均衡后，就可以用來進行信令和數據的解析了。IEEE802.11ac物理幀中信令部分的調制編碼方式是已知的，根據已知的調制編碼方式可以解出幀信號的信令，然后經過CRC校驗并判斷信令解析是否正確。正確解析的信令中包含數據域部分所使用的調制編碼方式等信息，根據這些信息就能夠還原出幀無線信號所承載的信源數據。

同樣，平臺也提供了用戶界面來圖形化顯示接收端各個基帶模塊的輸入和輸出，如圖4和圖5所示。例如，用戶可以察看接收信號的時域波形、解調信號的星座圖、譯碼后恢復的信源信息(圖中顯示的是文本信源)等。

圖4　平臺接收端用戶界面之時域波形顯示

圖5　平臺接收端用戶界面之解調信號星座圖展示

2.3軟件層仿真平臺

新型通信實驗平臺還包含一個完全基于軟件的仿真程序，可以不借助USRP，僅在一臺主機上運行，從而為用戶進行初期信號處理算法設計和簡單的性能分析提供了方便。在設計上，軟件層仿真平臺的信號發送端與接收端與真實信號收發平臺類似，但不會經過USRP傳入真實的無線信道，而是將基帶信號傳入軟件設計的信道模型，這個信道模型可以模擬信號經過信道時引入的多徑效應、頻率偏移、加性噪聲、時偏和大尺度衰落等。

3　基于新型通信實驗平臺的實驗設計

基于新型通信實驗平臺，可以針對通信系統的各個組成部分，靈活地設計一系列實驗課程。

在信源端，新型通信實驗平臺提供了多種信源生成方案，包括隨機生成0/1比特流、獲取本機中的文本和圖像、采集環境中的信息等。例如可以利用LabVIEW提供的聲音采集函數設計聲音信號的采樣和量化實驗、信源壓縮編碼(哈夫曼編碼等)實驗。

在信號發送端，平臺支持擾碼、信道編碼、交織、調制、插導頻、循環移位、相位旋轉、OFDM調制、加保護間隔、脈沖成形濾波等一系列經典的數字信號處理實驗設計。各個信號處理模塊都是相對獨立且明確定義接口的，它們對學生來說是實現特定功能的“黑盒子”。學生可以用自己編寫的模塊替換平臺現有模塊；可以結合平臺的接收端進行正確性驗證；或者與被替換模塊的輸出進行對比，以定位和分析可能出現的錯誤。

不同于傳統通信實驗平臺，在信號接收端，新型通信實驗平臺不僅支持解擾、解碼、解交織、解調、導頻移除、相位旋轉恢復、OFDM解調、匹配濾波器等經典數字信號解調實驗的設計，還提供了包括幀檢測、時間同步、頻率同步、信道估計和均衡等真實通信系統必不可少的模塊作為擴展實驗。這些擴展實驗有多種實現算法和思路，學生可以對比每種算法的性能并分析產生這些性能差異的原因。

除設計基于平臺自帶模塊的實驗外，新型通信實驗平臺還支持對已有模塊的重新定義和修改。例如，IEEE802.11ac協議中規定使用的信道編碼方式為BCC(binaryconvolutionalcode)，學生可以用自己編寫的信道編解碼模塊替換平臺中的BCC編解碼模塊，搭建自定義的通信系統。

4　新型通信實驗平臺的優勢

新型通信實驗平臺的優勢主要體現在以下方面。

(1) 基于新一代WLAN協議標準編寫。新型通信實驗平臺主要基于IEEE802.11ac協議編寫，該協議是IEEE制訂的新一代超高速無線局域網通信標準，包含了無線通信系統中典型的幀結構設計和物理層處理流程。在智能終端普遍接入Wi-Fi上網的背景下，通信實驗中引入IEEE802.11ac協議和軟件無線電的概念，不僅能夠進行通信原理課程教學，還能幫助學生了解和掌握前沿的通信知識、開拓視野，為他們的科學研究工作打下基礎。

(2) 實現了真實無線傳輸，實驗結果更具說服力。基于傳統通信實驗平臺設計的實驗一般會輸出誤碼率、接收星座圖等來驗證實驗結果的正確性，但生成的信號并不經過真實的無線信道傳輸。新型通信實驗平臺實現了真實無線信號的收發，通過發送端信源數據與接收端解調數據的比較，學生可以直觀地驗證實驗結果的正誤，提高了實驗結果的說服力。

(3) 學習成本低，學生可集中主要精力學習通信知識。新型通信實驗平臺是基于LabVIEW開發設計的。LabVIEW是一種圖形化編程語言的開發環境，其圖形化的界面和基于數據流的編程方法使編程的過程變得清晰、簡單。LabVIEW的內部集成了包括矩陣運算、數組操作在內的許多現成函數可供用戶調用，為學生自行設計信號處理模塊提供了方便。

(4) 容易擴展。新型通信實驗平臺依據模塊化的編程思想設計，各個模塊定義了明確的接口和功能，學生可以通過修改某些模塊的實現算法而對平臺的功能進行擴展。

(5) 支持混合語言編程，方便利用已有資源。在傳統的通信實驗中，學生往往需要熟悉一種編程語言或仿真方法。LabVIEW支持混合語言編程，在基于

新型通信實驗平臺設計的實驗中，學生可以選用自己更熟悉的語言(C語言或者Matlab腳本)進行信號處理模塊的設計，這大大提高了學生的實驗效率。另外，基于LabVIEW和USRP開發實驗，也有一些國外大學的資料可供借鑒[11-13]。

(6) 更容易激發學生的實驗興趣。新型通信實驗平臺提供了文本傳輸、語音信號傳輸等功能，學生在實驗過程中可以基于實驗平臺進行一些交流互動。學生還可以自主設計新的信號處理模塊、更新平臺功能、搭建自定義的通信系統。

5　結語

基于LabVIEW和USRP的新型通信實驗平臺提供了一種全新的實驗模式。學生在實驗過程中不僅能夠更深入地理解學到的通信知識，提高動手搭建通信系統的能力，還能夠在實驗中體會到基于真實無線通信的樂趣，并且接觸到通信領域的前沿技術和理念。在新型通信實驗平臺上設計的系列實驗有助于開拓學生的視野，為他們未來的科學研究和工程實踐打下良好的基礎。基于LabVIEW和USRP的軟件無線電通信實驗平臺，不僅可以為“通信原理”、“移動通信”等相關課程進行配套實驗開發，為學生的工程訓練、綜合設計提供軟硬件平臺，還可以進一步拓展，開發出信號發生器、頻譜分析儀等虛擬儀器設備。將信號庫中的信號與射頻前端連用，可生成各種標準的無線射頻信號，幫助無線研發和制造人員對下一代無線通信產品進行設計和測試。

References)

[1] 王根英.通信原理實驗內容與培養高質量綜合性通信專業技術人才關系的探索[J].教育教學論壇,2014(52):117-118.

[2]El-HajjarM,NguyenQA,MaunderRG,etal.DemonstratingthePracticalChallengesofWirelessCommunicationsUsingUSRP[J].IEEECommunicationsMagazine,2014(52):194-201.

[3] 霍曉磊,張弛,陶杰,等.通信原理實驗模式研究[J].科教文匯：上旬刊,2013(9):71-72.

[4] 楊宇紅,袁焱,田礫，等.基于軟件無線電平臺的通信實驗教學[J].實驗室研究與探索,2015,34(4):186-188.

[5] 魏以民,黃葆華,高媛媛.通信原理課程中載波同步的教學方法研究[J].電氣電子教學學報,2013,35(5):61-65.

[6] 楊宏,孔耀暉,茹晨光，等.基于GNURadio和USRP的無線通信系統建模仿真[J].現代電子技術,2013,36(18):73-77.

[7] 梁銘倩,馮靜,余華,等.基于軟件無線電技術的高速水聲通信實驗系統設計[J].海洋技術學報,2013，32(4):1-5，10.

[8] 李擎,全厚德,陳明.基于軟件無線電的教學實驗平臺設計與實現[J].實驗室研究與探索,2010,29(12):41-44.

[9]SchmidlTM,CoxDC.RobustfrequencyandtimingsynchronizationforOFDM[J].IEEETransactionsonCommunications,1997,45(12):1613-1621.

[10]MoosePH.Atechniquefororthogonalfrequencydivisionmultiplexingfrequencyoffsetcorrection[J].IEEETransactionsonCommunications,1994,42(10):2908-2914.

[11] 金寧，金小萍，史濟剛.IEEE802.11a的OFDM系統幀檢測研究[J].中國計量學院學報，2005，16(4)：275-278.

[12] 熊建設,石雷,徐洪梅.基于軟件無線電的802.11aOFDM系統實現[J].中國海洋大學學報:自然科學版,2006,36(5):795-798.

[13] 甘秉鴻.無線局域網IEEE802.11ac基本原理與測量解決方案[J].電子產品世界,2012,19(5)：16-19.

DesignofexperimentalplatformforwirelesscommunicationbasedonLabVIEWandUSRP

XingXin,ZhaoHui

(SchoolofInformationandCommunicationEngineering,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China)

Aimingatcultivatingstudents'abilityofpracticeandinnovation,andimprovingtheefficiencyofexperiment,anewcommunicationplatformwasdevelopedbasedonsoftwaredefinedradio.ThewirelesssignaltransceiverisdesignedaccordingtotheIEEE802.11acPHYprotocol,bywhichbothsimulationandrealRFsignalaresupported.Differentfromtraditionalexperiments,aseriesofnewcommunicationexperimentscanbedesignedonthenewplatform,notonlyfortheprincipleverificationofcoresubject,butalsoforsystemdevelopmentofwirelesscommunication.

communicativeexperimentalplatform;softwaredefinedradio;experimentalteaching;LabVIEW;USRP;IEEE802.11ac

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.041

2015- 10- 22修改日期：2015- 12- 01

北京高等學校“青年英才計劃”項目(96254010)；北京市電子信息類專業群共建項目

邢鑫(1991—)，男，山西大同，碩士研究生，研究方向為無線傳輸技術和無線信號處理

E-mail：bupt_xingxin@163.com

趙慧(1980—)，女，山西臨汾，博士，副教授，研究方向為無線通信信號處理.

E-mail：hzhao@bupt.edu.cn

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1002-4956(2016)5- 0160- 05