王 洪，陳祝明

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

基于USRP的通用無線電實驗平臺構(gòu)建與教學(xué)實踐

王 洪，陳祝明

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

通信、雷達、廣播、電視等無線電系統(tǒng)在電磁波信號的收發(fā)和處理上具有相似的特點。該文介紹了通用軟件無線電外設(shè)平臺（USRP）的由來與特點、系統(tǒng)架構(gòu)、實驗開發(fā)、課程應(yīng)用和教學(xué)實踐狀況。同時，該文利用軟件無線電技術(shù)建立了無線電系統(tǒng)的通用硬件平臺，以軟件方式實現(xiàn)功能的重構(gòu)，使多門無線電類課程能夠共享相同的實驗平臺。學(xué)生在該平臺上可快速建立不同的無線收發(fā)系統(tǒng)，從系統(tǒng)的層面掌握無線電系統(tǒng)的設(shè)計，加深對理論的理解和感性認識。

通用軟件無線電外設(shè)平臺；軟件無線電；實驗平臺；教學(xué)實踐

怎樣讓學(xué)生能夠快速地搭建多樣化、個性化的無線電系統(tǒng)，親自體驗無線數(shù)據(jù)收發(fā)、外界電磁波信號接收、音視頻信號呈現(xiàn)帶來的樂趣，在感受無線電波存在的同時，體會抽象無線電理論的簡單可實現(xiàn)性與可操作性？USRP就是能實現(xiàn)這些目標(biāo)的通用無線電實驗平臺。USRP是一個面向軟件編程的可重構(gòu)系統(tǒng)，經(jīng)過多年的發(fā)展，該平臺在軟件無線電領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，在教學(xué)科研上的應(yīng)用也逐漸活躍。美國斯坦福大學(xué)、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校、弗吉尼亞理工大學(xué)和羅格斯大學(xué)等將該平臺引入通信課程的教學(xué)，國內(nèi)上海交通大學(xué)和電子科技大學(xué)也在軟件無線電、通信原理等課程的實驗中應(yīng)用了該平臺［1－3］。國內(nèi)許多科研院所也使用USRP平臺做前期的原型樣機研制或原理性驗證，在該平臺上實現(xiàn)的2G、3G、LTE、LTE－A、ADS－B和雷達系統(tǒng)證明了其功能的強大［4］。掌握基于USRP的軟件無線電技術(shù)成為學(xué)生求職的亮點。

1 USRP的由來與特點

1992年，文獻［5］提出了軟件無線電的概念，而美國麻省理工學(xué)院的Spectrumware是軟件無線電的標(biāo)志性發(fā)展項目之一。從Spectrumware的代碼集Pspectra中產(chǎn)生了GNU Radio軟件，Pspectra代碼集也是Spectrumware商業(yè)化應(yīng)用Vanu Software radio的基礎(chǔ)。2001年，Eric Blossom創(chuàng)辦了GNU Radio公司［6］，于2004年重寫了GNU Radio源碼，當(dāng)他需要開發(fā)軟件化HDTV接收機時，研究團隊中的Matt Ettus研制了所需的母板和子板，該硬件上同時實現(xiàn)了FM、GPS等信號的接收，這便是USRP的雛形［7］。2005年，Matt Ettus創(chuàng)辦了Ettus Research公司，推出了USRP的第一代產(chǎn)品；2010年，NI公司收購了Ettus Research。

USRP即通用軟件無線電外設(shè)，由母板、收發(fā)子板和天線構(gòu)成。母版通過USB或千兆以太網(wǎng)口與PC機相連，收發(fā)子板覆蓋不同頻段，用途不同，實現(xiàn)射頻信號的發(fā)射和接收。最新的UBX子板覆蓋了10 MHz～6 GHz范圍，母板上由ADC／DAC芯片實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA芯片實現(xiàn)中頻信號到基帶的搬移，之后送到PC機中。FPGA預(yù)留了資源供用戶編程，多部USRP可級聯(lián)，特別適合MIMO應(yīng)用，外接GPS模塊可獲得定位和同步信息。

USRP的母板分為嵌入型、總線型、網(wǎng)絡(luò)型和X系列4個類別。USRP的子板有多種類型，包括收發(fā)子板、發(fā)射子板、接收子板，并分為寬帶子板和特殊用途的子板。多樣化的硬件選擇，高速的數(shù)據(jù)采集，大容量存儲空間，豐富的邏輯資源，覆蓋很寬的頻段，和較小的外形尺寸使USRP構(gòu)建的平臺適合教學(xué)應(yīng)用。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與通用平臺的構(gòu)建

基于USRP的通用平臺的總體架構(gòu)如圖1所示。從外觀上看，平臺的硬件包含USRP機盒、PC機和連接線，USRP硬件在母板、子板和天線中選配。通用平臺的軟件則是圖1的層次化結(jié)構(gòu)，主要支持的是LINUX操作系統(tǒng)，如Ubuntu。在Windows系統(tǒng)下需安裝虛擬機軟件，虛擬在Linux下的運行，如VMware虛擬軟件。USRP與PC機之間有以太網(wǎng)口、USB接口和PCIe接口等。在操作系統(tǒng)下，需安裝USRP的驅(qū)動程序UHD，目的是使用UDP socket和庫函數(shù)，UDP（user datagram protocol）指用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議，基于UHD的用戶API則包裝在配套的軟件中。

可應(yīng)用的軟件主要有GNU Radio、LabVIEW、OSSIE和Matlab。GNU Radio以流程圖的方式實現(xiàn)無線電系統(tǒng)的設(shè)計，由軟件和第三方提供大量信號處理模塊，用戶將模塊連接好后，設(shè)置參數(shù)即可。GNU Radio是一款開源軟件，無線電愛好者可以分享自己開發(fā)的模塊。軟件有常見的信號處理模塊，如FFT、濾波、調(diào)制解調(diào)和同步等，沒有相應(yīng)模塊的時候，用戶則要用C＋＋語言和Python語言自己編寫。GNU Radio的另一個優(yōu)點是GUI設(shè)計，可以時域、頻域、星座圖、眼圖和瀑布圖等方式展示信號處理的結(jié)果，GNU Radio中的頻譜分析圖如圖2所示，圖中還可看出多種調(diào)制方式，多速率信號處理和不同頻段的選擇。LabVIEW針對NI的USRP292～295系列，優(yōu)勢是使用NI的圖形化編程軟件，虛擬儀器的界面和豐富的數(shù)據(jù)庫，并可在Windows和Linux操作系統(tǒng)下運行。OSSIE是弗吉尼亞理工大學(xué)對軟件無線電研究的成果，包含基于SCA（software communication architecture）的核心構(gòu)架、快速開發(fā)軟件無線電的部件和信號波形處理程序的工具、預(yù)制部件的庫及信號處理程序，偏重于教學(xué)科研應(yīng)用。Mathworks公司在MATLAB軟件中增設(shè)了USRP toolbox，開發(fā)了一系列函數(shù)和模塊，并支持硬件描述語言HDL，若掌握了Matlab中編寫硬件程序的技術(shù)，也可使用該軟件。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 GNU Radio中的頻譜分析

綜上所述，當(dāng)實驗內(nèi)容確定后，可根據(jù)需要選擇所需的硬件和軟件。如圖3所示，通用平臺按即可搭建起來，第三方開發(fā)機構(gòu)不斷在開發(fā)新的應(yīng)用和模塊，GNU Radio和OSSIE的開放性與USRP的通用性結(jié)合，為多門課程開發(fā)實驗提供了方便［8］。為了與適用于多門課程，本學(xué)院選擇了性能適中的USRP210作為母版，選擇的WBX子板覆蓋50 MHz～2.2 GHz頻段，選擇VERT400天線可支持3個頻段的信號收發(fā)，并配備耳麥做音頻信號處理、收音機和語音通信實驗。軟件選擇Ubuntu操作系統(tǒng)和適合教學(xué)的GNU Radio。

圖3 通用平臺搭建

3 平臺的多課程應(yīng)用與教學(xué)實踐

基于USRP構(gòu)建的通用無線電平臺具有以下4個特點。

1）實現(xiàn)無線電信號的收發(fā)，學(xué)生可接收自己產(chǎn)生的信號，也可接收外部的無線電波，增加學(xué)生的感性認識和學(xué)習(xí)興趣。

2）通過調(diào)用和設(shè)置無線電系統(tǒng)的各個模塊，加深對理論知識的認知，例如通信中的調(diào)制解調(diào)、編碼解碼、成形濾波和匹配濾波、符號映射、信道模型、同步均衡、OFDM等均能找到相應(yīng)的模塊，使學(xué)生充分理解這些理論的具體作用。

3）圖形化的軟件編程，豐富的運行結(jié)果顯示方式，即能輕松建立不同的無線電系統(tǒng)，又能用多種工具分析結(jié)果。

4）兼顧學(xué)生對硬件、軟件或理論的偏好。做硬件的學(xué)生可以不用天線，外接其他信號源，可以直接編寫FPGA程序改變硬件功能。做軟件的學(xué)生可以通過軟件編程駕馭硬件系統(tǒng)，不必過多擔(dān)心對硬件和儀器的陌生。做算法的學(xué)生可以將算法編成模塊，可以從平臺上獲取分析的數(shù)據(jù)源，驗證算法的可用性。

鑒于平臺的通用性和上述特點，在該平臺上可開設(shè)多門課程的實驗。適用的課程包括通信原理、數(shù)字通信、無線通信、軟件無線電技術(shù)、數(shù)字無線電技術(shù)、雷達原理與系統(tǒng)、信號與系統(tǒng)和數(shù)字信號處理等本科生和研究生課程。NI公司將軟硬件與課程打包［9］，使用了德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校RobertW.Heath教授編寫的教材，包含8個實驗，涵蓋了調(diào)制解調(diào)、脈沖整形與匹配濾波、同步、信道估計與均衡、框架檢測與頻偏校正、OFDM和信道編碼等內(nèi)容，在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校已實踐了多年。

電子科技大學(xué)建立了軟件無線電實驗室［10］，為本科生開設(shè)了以下12種實驗：

1）基本信號處理，如信號相加、相乘、傅立葉變換等；

2）低通、帶通和高通濾波器設(shè)計與應(yīng)用；

3）數(shù)字重采樣：抽取與內(nèi)插；

4）AM廣播信號處理；

5）FM數(shù)字收音機和發(fā)射機設(shè)計；

6）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸；

7）復(fù)信號分析及SSB信號解調(diào)；

8）I／Q幅相不一致性、相位噪聲；

9）采樣與量化效應(yīng)；

10）數(shù)字調(diào)制解調(diào)；

11）基于QPSK的數(shù)字通信系統(tǒng)；

12）S模式應(yīng)答信號接收。

圖4 接收并解調(diào)的民航飛機應(yīng)答信號

以民航飛機的S模式信號的接收為例，在WBX子板中實現(xiàn)1 090 MHz信號的接收，混頻到基帶后采樣，采樣率10 MHz；然后做前導(dǎo)脈沖檢測，并輸出參考電平；根據(jù)前導(dǎo)脈沖確定的位置和參考電平，對數(shù)據(jù)位解碼。如圖4所示，GNU Radio中顯示的S模式基帶信號，前面4個脈沖是前導(dǎo)脈沖，后面是56位的數(shù)據(jù)脈沖。

4 結(jié)束語

針對一門課程定制的實驗設(shè)備常常只能做有限的定制實驗，開發(fā)新實驗常常需要更多的資源，并難于與其他課程共享。基于USRP的通用無線電平臺為多門無線電類課程共享實驗設(shè)備創(chuàng)造了條件。既能使學(xué)生調(diào)用現(xiàn)有模塊，快速搭建無線電系統(tǒng)，從系統(tǒng)層面掌握無線通信、無線傳播和探測的理論，也允許學(xué)生從底層做起，自建信號處理模塊，了解理論的技術(shù)細節(jié)，因此，該平臺在未來的無線電類課程中有很好的應(yīng)用前景。

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310－312.

Construction and Teaching Practice of General Radio Experiment Platform Based on USRP

WANG Hong，CHEN Zhuming
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Communication，radar，broadcast，TV and other wireless systems are sim ilar in transmitting，receiving and processing of electromagnetic signals.General hardware platform is constructed for these systems with software defined radio techniques.Functions are redefined by changing software.So it is possible to share same platform by many radio courses.Students can build their radio systems fast on the platform，learn to design radio system and understand corresponding know ledge by themselves.This paper introduces the origin，features，structures，experiments，and teaching situation based on USRP.

universal software radio peripheral；software－defined radio；experiment platform；teaching practice

TN014

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.056

2015－12－01；修改日期：2016－00－00

國家自然科學(xué)基金（61139003）。

王洪（1974-），男，博士，副教授，主要從事軟件無線電、雷達信號處理和民用航空電子技術(shù)方面的研究。