基于LabVIEW-USRP的直接序列擴頻通信系統仿真實驗

李 毅, 楊 棟, 李曉輝

(西安電子科技大學 通信工程學院, 陜西 西安 710071)

傳統的通信系統實驗平臺往往趨于兩個極端：一種平臺完全以硬件板卡實現,沒有二次設計開發功能,學生只能在指定測試點接入儀器進行波形或頻譜觀察；另一種平臺采用Matlab/Simulink、SystemVIEW等進行純軟件仿真。前一種方式雖使學生對真實通信系統有直觀體驗,但難以對底層理論有深刻理解；后一種方式則偏重于數學模型的建立與驗證,但缺失了對通信系統實驗的工程性支撐。將可編程的PC端通信仿真軟件與軟件無線電平臺結合起來,構成半實物實驗系統,可以將模型建立、原理的仿真驗證、與通信系統的硬件工程有效結合起來[1-4]。

本文利用美國國家儀器公司(NI)的LabVIEW圖形化編程語言[5]和通用軟件無線電平臺(USRP)[6],完成直接序列擴頻(DSSS)通信系統的設計、數據幀結構設計、BPSK調制與解調實現方案的設計等,并給出了流程框圖、實現過程、功能界面、性能仿真測試與測試結果。所開發的仿真實驗避免采用復雜的可編程門陣列(FPGA)開發技術[7-9],為擴頻通信領域教學、科研和快速開發提供了可擴展的解決方案。擴頻通信技術在抗窄帶噪聲等方面具有傳統無線通信方式所不可比擬的優勢,因此在衛星通信、GPS定位、移動通信以及軍事抗干擾通信等領域具有廣泛應用[10]。

1 直接序列擴頻通信系統原理

直接序列擴頻通信系統的寬帶傳輸與偽隨機碼具有優良的特性,因而可在很低的功率譜密度下實現抗干擾通信。

僅做基帶等效系統原理推導,擴頻信號s(t)可以寫作

s(t)=a(t)b(t)

其中a(t)為待傳輸的雙極性二進制數字信號波形,b(t)為擴頻碼信號波形[11-12]。

相關解擴是利用本地產生的擴頻碼與接收信號進行相關運算,用R(τ)表示,即

R(τ)=E[b(t)br(t+τ)]

其中τ為所取兩個時間點的間隔,br(t)為本地參考擴頻碼波形,E[x(t)]表示求x(t)的均值。

若采用相干解調,在不考慮噪聲與等效信道沖擊響應影響的條件下,解擴信號為

s′(t)=E[a(t-Td)b(t-Td)br(t-Td)]

其中Td為信號傳輸過程中產生的隨機時延,E[x(t)]表示求x(t)的均值。

根據擴頻碼的性質有

E[b(t-Td)br(t-Td)]=1

可得

s′(t)=a(t-Td)

即發射的擴頻信號在經過相關解擴后,可以恢復出原始的傳輸信號。

直接序列擴頻通信原理如圖1所示。

圖1 直接序列擴頻通信原理框圖

(1) 由編碼器輸出碼元的持續時間為Ta的數據流a(t)；

(2) 擴頻序列產生器產生速率較高的偽隨機序列b(t),其碼元寬度為Tb；

(3) 擴頻器根據擴頻序列對a(t)與b(t)做乘法或模二加運算,進行直接序列擴頻,產生一個與偽隨機序列速率相同的擴頻信號c(t),此時原信源信號頻譜帶寬會得到擴展；

(4) 載波調制模塊能夠對擴頻后的信號進行載波相位鍵控調制；

(5) 發射機模塊完成濾波、功率放大等；

(6) 接收機模塊完成濾波、低噪聲放大、自動增益控制等,恢復出所傳信號d′(t)；

(7) 擴頻解調模塊將與發送端完全相同的偽隨機序列b(t)和擴頻信號d′(t)做乘法運算或模二加運算完成解擴,將信號的頻帶寬度恢復為與編碼后a(t)相同的c′(t)；

(8) 載波解調模塊完成基帶解調、時頻同步等,恢復出所傳信號a′(t)；

(9) 完成物理層幀解析、譯碼等,從而實現信息傳輸的整個過程。

2 直接序列擴頻通信實驗仿真系統構建

2.1 硬件系統介紹

基于USRP的軟件無線電平臺由一臺NI USRP-2920和運行在計算機上的LabVIEW編程環境構成,兩者通過千兆以太網相連。在發射端,計算機通過LabVIEW實現編碼、調制等功能,經過USRP-2920進行處理,再通過天線發射出去；在接收端,天線接收到信號,經過USRP-2920傳送到計算機,再用LabVIEW實現解碼、解調等功能。

2.2 數據幀結構設計

原始信息產生模塊對待發送的文本是否為空進行判斷,如果待發送的文本不為空,則將文本轉換為比特數據,否則產生隨機PN序列數據。隨后,給產生的序列添加保護比特、同步比特與填充比特。數據幀結構為保護比特16 bit,同步20 bit,數據段≥1 bit,填充16 bit。其中,保護比特為接收機、PLL、濾波器等預留初始化時間；同步比特用于幀和符號的同步；數據段是長度可變的數據區域,可以傳輸1比特以上任意長度的數據；填充部分用于濾除系統中濾波器引起的邊界效應。

實驗設計中選用15位的m序列作為擴頻序列進行擴頻調制,并采用BPSK(二進制相移鍵控)調制方式進行載波調制。

2.3 系統總體框圖

在設計的系統總體框圖中，包括原始信息產生模塊、發射模塊、信道模塊、接收模塊、誤比特率計算模塊等。

原始信息產生模塊按照保護比特等要求,生成所需的待發送比特序列；

以二維空間中6個樣本點(包含3個繼承點)為例，對繼承拉丁超立方采樣過程進行具體描述，如圖1所示。首先，將設計空間的每一維度劃分為6個區間，移除繼承點(黑色圓點)占據的空白網格，形成新采樣空間(縮減的設計空間)。將新采樣空間的每一維度劃分為3個區間，并用拉丁超立方采樣選取3個樣本(如圖1b)。最后，將此3個拉丁超立方樣本映射到圖1a中的陰影區域，最終生成的樣本集既包含了3個繼承點，又具備拉丁超立方采樣的均勻性。

發射模塊對待發送的原始信息比特序列進行擴頻、插值、脈沖成形濾波、調制等,生成發送波形；

信道模塊為信道部分,分為仿真與USRP兩種模式。在仿真模式下,按照設定的干擾強度與信噪比,對發送信號加入干擾與噪聲。在USRP模式下,經過USRP進行發送與接收；

接收模塊對接收到的信號進行匹配、濾波、抽取、解擴、判決、解映射等,恢復出比特信息；

誤比特率計算模塊按照發送比特序列與恢復的比特序列進行比較,計算出誤比特率。

系統總體框圖如圖2所示。

圖2 系統總體框圖

2.4 發射模塊

在發射模塊設計中,首先產生脈沖成形濾波器系數、PSK調制參數與15位擴頻碼,然后對輸入的比特序列依次進行擴頻、插值、脈沖成形濾波與載波調制處理。發射模塊如圖3所示。

圖3 發射模塊

2.5 接收模塊

圖4 接收模塊

3 基于USRP的DSSS無線發射/接收流程

對于發射機,首先配置USRP參數。發送啟動后,發送序列產生模塊將發送的文本從ASCII碼轉換成比特流,發送端將發送比特流按照設定的數據幀格式分段,并加入保護間隔、同步序列、填充比特等信息,再經BPSK調制得到正弦波。然后,發送端通過發射模塊產生復波形信號,該攜帶發送信息的復波形信號的實部經過上變頻后,被發送端USRP由天線發送出去。

對于接收機,同樣需要先配置USRP參數。接收啟動后,信息經過無線信道由接收端USRP的接收天線接收。接收到信息后,通過下變頻并重建復波形信號,接收模塊將復波形信號恢復為比特信息,然后接收端按照設定的數據幀格式去除保護間隔、同步序列、填充比特等信息,重建原始發送信息。

4 性能仿真

4.1 DSSS與BPSK誤碼率(BER)性能比較

系統的符號速率設為100 ksym/s。從圖5可以看出,DSSS系統誤碼率與BPSK系統的誤碼率基本相同,這說明,在信道中僅有高斯白噪聲的情況下,擴頻系統與無擴頻系統的誤碼率性能相同。

圖5 DSSS與BPSK誤碼率(BER)性能比較

4.2 DSSS與BPSK頻譜比較

如圖6所示,擴頻前信號主瓣單邊寬度約為100 kHz；擴頻后,信號頻譜展寬,主瓣單邊寬度約為1.5 MHz,是無擴頻信號頻譜寬度的15倍,符合理論計算。圖6中,信號還沒有經過成形濾波器,所以默認按照矩形成形進行頻譜分析,可見其頻譜輪廓呈SINC函數特征。

圖6 DSSS與BPSK頻譜比較

4.3 DSSS抗窄帶干擾性能

在信道中加入頻率為45 kHz的單頻窄帶干擾(Eb),不同窄帶干擾功率情況下的誤碼率曲線如圖7所示。從圖中可見,在DSSS系統中,當誤碼率為0.1、窄帶干擾的功率為信號功率的1倍時,與無窄帶干擾相比較,Eb/N0從-0.85 dB增加到2.75 dB,增加了3.6 dB；窄帶干擾的功率從信號功率的1倍增加到3倍時,Eb/N0從2.75 dB增加到7.5 dB,增加了4.75 dB。誤碼率總體隨著Eb/N0的增加而降低,但是誤碼率隨干擾功率的增大而增大,并且呈現出明顯的惡化趨勢。在BPSK系統中,當窄帶干擾的功率從信號功率的1倍增至2倍時,誤碼率降低至大約0.13后不再隨著Eb/N0的增加而降低。

圖7 DSSS抗窄帶干擾性能仿真圖

5 文本傳輸實驗

5.1 USRP的配置參數

發送端與接收端使用一臺USRP,因此發射機USRP與接收機設置為同一個IP地址。系統中采用16倍插值,因此IQ采樣速率設置為1.6 MS/s,載波頻率設定為438.2 MHz,發射機與接收機的射頻增益都設定為30 dB。

5.2 文本傳輸實驗測試

圖8為文本傳輸實驗的測試結果。從圖中可以看出,發送的時域波形圖為經過成形濾波之后的波形,由于采用了平方根升余弦脈沖成形,可見基帶波形不是理想方波,而是頻帶受限的。接收的時域波形與發送的時域波形相比較,有時延且受噪聲影響,但是波形大致相同。發送的文本與接收的文本完全相同,說明系統工作正常。

圖8 文本傳輸實驗測試

6 結語

利用圖形化編程語言LabVIEW在USRP-2920平臺上搭建的擴頻通信數據傳輸系統軟件無線電實驗平臺，減少了高校教師進行通信仿真實驗設計與開發的工作量,有效地縮短了開發的時間周期,提升了開發效率。應用該實驗平臺,高校學生可以開展無線通信課程的實踐,將抽象的數學理論通過可視化教學案例與實際應用相結合,培養學生開展系統性、綜合性與創新性實驗的能力。