基于USRP和LabVIEW的調頻鑒頻仿真平臺開發

趙寶樂，姬五勝，段 揚，陳建敏

（1.天津職業技術師范大學電子工程學院，天津 300222；2.天津市靜文高級中學，天津 300392）

軟件無線電是以數字信號處理為核心，在一個通用的平臺上集成模塊化硬件，并采用軟件編程技術來改變傳統意義上的純硬件電路技術[1-3]。基于LabVIEW和通用軟件無線電外設（universal software radio peripheral，USRP）的調頻鑒頻虛擬仿真實驗平臺，采用模塊化設計思想和CS網絡架構設計，將平臺劃分為客戶端、服務器和本地硬件[4-6]，實現的調頻鑒頻實驗基于USRP的通信系統，包括軟件和硬件兩部分。其中，硬件以USRP為基礎，設計了相關的信號發射機和接收機[7-8]。目前，大部分院校仍使用傳統的模擬實驗箱設備，開展的是驗證性實驗，學生無法深入了解通信實現的全過程，不利于學生創新能力和實踐能力的培養[9-10]。部分院校開設了基于軟件無線電平臺的通信原理實驗，有的側重于通信原理的局部基本概念，諸如調制方式、載波同步等[11-12]；有的只針對特定的通信場景[13]，適用專業有限；而有的所用平臺不通用[14-15]，導致在實踐教學中無法推廣。無線數據傳輸系統虛擬仿真實驗利用LabVIEW和USRP實現基帶信號和射頻信號之間的轉換，構建無線數據傳輸系統，有效減少實驗設備投入[16-17]。由于采用通用平臺，其適用性更廣。本文重點介紹頻率調制（frequency modulation，FM）和FSK調制解調系統設計的一般步驟原理和應用方法，利用LabVIEW進行FM調制及解調通信系統開發設計流程和系統仿真設計驗證工作；然后進行有效的FM調制和解調系統開發，構建“真實”的通信系統。

1 基于USRP和LabVIEW的虛擬仿真平臺

USRP是定義的無線電硬件平臺，通過千兆以太網端口連接到主機，板上使用的芯片可以在中頻數模單獨轉換。芯片可以將中頻信號傳輸到基帶，自動將高頻信號直接傳輸到上位機。USRP主要工作頻段為50 MHz～2.2 GHz，包括射頻發送音頻以及射頻接收視頻2個不同的數據通道，根據不同種類的硬件類型，無線電發射器或接收器也可以使用相同頻率的USRP。

LabVIEW是簡單易操作的計算機圖形學編程語言，廣泛應用于各種場景，作為通用的數據信息采集和檢測方法以及儀器軟件的分析語言，在分析領域的各種專業應用中都接受了其常規方法。LabVIEW是連接終端用戶的工具，具有多功能、多類型通信接口和多種庫功能，可以快速直觀地配置儀器并直接控制外部輸入輸出設備，方便快捷地使用各種交互式控件、菜單模塊和功能模塊，輕松編程各種儀器，實現虛擬平臺儀器仿真系統設計[18]。USRP和LabVIEW虛擬仿真平臺結構原理圖如圖1所示。

圖1 平臺原理圖

本平臺使用LabVIEW進行軟件系統應用編程操作，USRP實現無線基帶信號與射頻信號之間的數據傳輸。USRP無線收發器系統結合LabVIEW的多功能無線數據傳輸處理能力，為軟件定義無線應用的實時系統軟件開發項目創建重要的環境。

2 調頻鑒頻虛擬仿真實驗

FM調制是指一種可根據載波基帶信號強度的頻率變化自動改變載波調制頻率值的載波調制方式。

2.1 調頻鑒頻實驗原理

（1）FM頻率調制

未調制時的調頻電路輸出電壓uC可表示為

式中：ωc為瞬時角頻率；（ωct+φ0）為已調信號的瞬時相位；Um為載波振幅。

當輸入調制信號uΩ（t）后，調頻信號的瞬時角頻率ω（t）將在ωc的基礎上按照uΩ（t）的規律變化，kf為由調頻電路所決定的比例常數，即

式中：Δω為瞬時頻偏。

經過一個簡單的積分器，頻率調制可以被簡化為相位調制。FM調制信號可表示為

（2）FM頻率解調

FM解調是調制的逆過程，原理是從接收的已調信號中恢復原基帶信號，對已調制的信號進行運算。

2.2 NI USRP與LabVIEW網絡連接（1）硬件要求

一個千兆以太網端口的計算機與USRP設備連接，需要天線、千兆以太網電纜、USRP通用電源變壓器。

（2）軟件要求

使用NI LabVIEW驅動程序調用LabVIEW調制工具包和LabVIEW數字濾波器工具包。配置電腦IP地址為：192.168.10.1，子網掩碼為255.255.255.0。打開網絡和共享中心——更改適配器設置——以太網屬性——TCP/IPv4。工作頻率為50 MHz～2.2 GHz。

2.3 頻率調制發送程序設計

FM調制發送端：LabVIEW編寫上位機程序對參數進行設計，在device name窗口配置電腦IP地址后，將設備名稱地址與USRP的IP地址設置一致，為192.168.10.2，active antenna是USRP-2920的 天 線選擇端。在前面板設置USRP的載波頻率為180 MHz，將增益值設置為10 dB，number of samples是USRP的采樣點數，設置窗口為20 000。FM發送端程序框圖如圖2所示。

圖2 FM發送端程序框圖

在NI-USRP Configure Signal.vi中，將IQ采樣率設置為2k（Samples/s），IQ rate必須大于中頻的2倍，本振頻率是空中需要發送的頻率，將天線選擇端設為TX1，發射端的參數設置為載波頻率200 MHz。調制完的FM信號通過USRP發送到空中，將調頻調制信號直接發送USRP，然后通過USRP對信號進行數字/模擬等轉換后，再將無線信號發送到空中。在該程序中，基帶信號和中頻信號被生成并將其相乘，以獲得調頻調制信號。

2.4 調制接收程序設計

FM調制接收端波形圖如圖3所示。打開FM接收端界面，設置設備地址與發送端一致，程序正常運行調試過程中，如果運行出錯，會在程序“錯誤輸出”的顯示主界面顯示錯誤代碼和相應程序的錯誤信息描述。運行發送端和接收端程序，可以觀察發送端和接收端的波形圖；在FM接收界面中，有3個波形圖表，黑白圖形為解調出最原始的波形，左上角圖形為經過復數至實部虛部轉換變化后，形成的已調信號的波形圖，右上角圖形為經過FFT Power Spectrum and PSD.vi轉化而成的波形圖，調整發送端和接收端載波頻率，觀察接收端的波形變化。

頻率解調也是調制過程中的一種逆變過程，將接收的FM已調信號通過相位解調器，借助USRP設備內部IQ解調器實現，經過求導運算，還原出基帶信號。

2.5 FM調制仿真實驗結果

（1）驗證程序編寫的正確性

發送端將IP地址設置為192.168.10.2，發送界面的載波頻率設置為180 MHz，將增益設置為10 dB，輸入的范圍為0～30 dB，采樣點設置為200 000，各項參數設置如圖3左側所示，FM發送程序調制信號如圖4所示。在程序運行后設備能持續運行，且在發送端面板上能夠觀察到信號正確的波形。

圖3 FM接收端波形圖

圖4 FM發送端調制信號

（2）驗證接收端的正確性

設置設備IP地址，與發送端參數一致，接收端設置天線為RX2（發送端天線為TX1），界面顯示的是經過程序解調出的調制信號，接收界面載波頻率同樣為180 MHz。

（3）運行發送端和接收端

USRP結合LabVIEW的虛擬仿真實驗如圖5所示。

圖5 USRP結合LabVIEW的虛擬仿真實驗

程序FM調制發送端前面板和接收端前面板（包括設備名稱、載波頻率、增益及波形圖）進行對比，在前面板改變基帶信號的頻率，可以觀察到FM調制波形所產生正確的波形變化，能夠觀察到正確的解調波形。由此可以得出，發送調制信號的波形和接收信號的波形一致，表明實現了解調。

2.6 FSK調制發送程序設計

通過編碼模塊將二進制文本流變成二進制比特流，然后再將二進制比特流映射成為二進制符號流，接下來通過脈沖成形濾波器將符號變成復基帶波形，復基帶波形依次通過數字上變頻器和數模轉換器，形成模擬基帶信號，最后通過射頻前端將模擬基帶信號發射出去。

LabVIEW編寫程序設置參數，設備名稱地址與USRP的IP地址一致，為192.168.10.2，將天線設為TX1，載波頻率為1.20 GHz，增益值設置為10 dB。信道設置窗口將信道模型設置為AWGN。

調試顯示中，打包持續時間為1.456 m/s，強制IQ速率為1 M，碼元速度為250 kHz，信號星座圖、信號眼圖和信號IQ波形與FM調制類似。FSK調制發送端發送的文本為一段由“0”和“1”組成的代碼，FSK調制程序框圖主要包括初始化、調制、脈沖成型、信道設置、生成圖像、傳輸和傳輸關閉。FSK調制發送端程序框圖如圖6所示。

圖6 FSK調制發送端程序框圖

2.7 FSK解調接收程序設計

接收過程與發射過程相反，通過射頻前端將高頻信號變成模擬基帶信號，然后依次通過模數轉換器和數字下變頻器將模擬信號轉換成復基帶信號，通過匹配濾波器將信噪比最大化，抽樣判決將符號變成比特流，最后將比特流解碼成文本。

FSK解調接收端界面硬件設置與發送端一致，打開調制設置，改變調制方式、采樣因子、采樣率、濾波器參數、濾波長度和脈沖成型濾波器。同步設置界面，同步方式設置為定時估計，碼元定時恢復算法為最大能量算法，幀檢測算法為自相關。最后在調試界面，強制載波頻率為100 kHz，強制IQ速率為100 K，強制增益和強制帶寬均為0，FSK解調界面右側顯示的接收文本數據與發送端發送的數據一致。FSK解調接收程序框圖主要包括初始化、信號偵測、接收和關閉會話。

2.8 FSK調制解調仿真實驗結果

發送端和接收端同時運行，FSK調制發送端前面板和FSK解調接收端前面板（包括設備名稱、載波頻率、增益）進行對比。程序運行過程中，子程序顯示當前參數變化。在發送端程序框圖界面改變傳輸的文本，直接從已調波的幅度中恢復出原數字基帶信號，FSK解調接收端所接收的文本與圖6發送端發送的文本進行對比可知兩端的文本信息一致，信號星座圖、信號眼圖和信號IQ波形仿真結果與理論分析內容一致，解調電路正確解調出信號，表明FSK解調實現。

3 結語

本平臺以LabVIEW軟件和USRP硬件相結合的方式，實現典型的模擬通信、數字通信虛擬實驗，構建起直觀的、可以看得見的通信系統，構建出實際需要的模擬通信和測試技術系統，實現模塊的更改，并對平臺的功能進行擴展和延伸，獲得新的實驗體驗。除了本實驗以外，還可以實現模擬調幅和檢波虛擬仿真實驗、USRP與Matlab聯合通信原理實踐教學，構建BPSK/4-QAM數字調制與脈沖成型濾波、BPSK/4-QAM數字解調接收等虛擬仿真實驗，信道編碼、信道均衡和同步技術等虛擬實驗，以及實現從理論到實踐的探究性實驗，包括正交分頻復用系統（OFDM）、4G/5G移動通信系統實驗等。