于正威， 李 鵬， 劉 文

(南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，南京 210044)

0 引 言

近年來，無線通信技術(shù)迅猛發(fā)展，但隨之而來的是系統(tǒng)的日益復(fù)雜，因此以傳統(tǒng)方案去設(shè)計和評估通信系統(tǒng)早已顯得十分困難[1]。就教學(xué)領(lǐng)域來看，傳統(tǒng)的通信實驗可以分為2類：第1類是固化的實驗箱，第2類是基于軟件的仿真。固化的實驗箱，存在可擴(kuò)展靈活性不強(qiáng)的問題，軟件仿真存在實驗效果不夠貼近實踐的問題[2]。而現(xiàn)代的通信實驗更趨向于通用軟件無線電外設(shè)(Universal Software Radio Peripheral，USRP)和實驗虛擬儀器工程平臺(Laborary Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW)組成的新型通信實驗平臺。USRP是可使用軟件重配置的射頻硬件和數(shù)字信號處理模塊，具有可擴(kuò)展、使用簡單等特點(diǎn)；LabVIEW是目前應(yīng)用廣泛、發(fā)展迅速、功能強(qiáng)大的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，被視為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。結(jié)合USRP和LabVIEW可以快速的構(gòu)建通信系統(tǒng)，并彌補(bǔ)傳統(tǒng)通信實驗的不足[3]。

本文基于USRP和LabVIEW組成的通信實驗平臺，設(shè)計并實現(xiàn)了一個以正交頻分復(fù)用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM) 技術(shù)為基礎(chǔ)的視頻傳輸實驗[4]。

1 USRP軟件無線電系統(tǒng)

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(xiàn)各種無線電功能。通過更新軟件可以兼容多種無線通信制式，具有方便參數(shù)配置、全方位觀察各模塊信號的優(yōu)勢[5]。

現(xiàn)有的軟件無線電的實驗設(shè)計，主要側(cè)重于通信的局部模塊，例如調(diào)制方式、載波同步等。但USRP實驗平臺是一個通用平臺，適用性更寬。USRP的基本硬件結(jié)構(gòu)包括：射頻天線、射頻轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)[6]。

本文選用USRP-2943R作為射頻收發(fā)設(shè)備，有TX1、TX2、RX1、RX2通道，可支持2天線同時收發(fā)，使用多輸入、多輸出MIMO擴(kuò)展口(MIMO EXPANSION)可與其它USRP設(shè)備相連組成MIMO系統(tǒng)。具體收發(fā)端性能參數(shù)如表1和表2所示。

表1 USRP-2943R發(fā)射端性能參數(shù)

表2 USRP-2943R接收端性能參數(shù)

1.1 實驗平臺軟件LabVIEW介紹

本實驗平臺利用LabVIEW進(jìn)行軟件編程。LabVIEW使用圖像化開發(fā)語言，編程過程清晰簡單。USRP配合LabVIEW具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，為開發(fā)軟件無線電的實時系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。LabVIEW支持混合語言編程，兼容Matlab腳本或者C語言代碼，能夠提高軟件開發(fā)效率，降低代碼移植難度。

1.2 USRP工作流程

如圖1 USRP硬件框圖所示：USRP通過PCI-Ex(peripheral component interconnect express)插槽與主機(jī)相連后，主機(jī)產(chǎn)生已調(diào)制的基帶信號，通過PCIe傳送給USRP，通過數(shù)字上變頻(DUC)和雙通道16 bit的D/AC將其轉(zhuǎn)換成模擬信號，由此產(chǎn)生的模擬信號與指定的載頻混頻，最后經(jīng)過放大器和天線RX1將信號以一定的頻率發(fā)出[7]。

圖1 USRP硬件框圖

信號在真實的信道環(huán)境傳播后，被接收天線RX2接收，然后接收端利用低噪聲放大器，將RX2中的信號放大、混頻操作，產(chǎn)生同相正交(I/Q)信號，再經(jīng)過濾波和雙通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣。接收端對采樣生成的信號進(jìn)行數(shù)字下變頻(DDC)，并通過PCIe傳送到PC主機(jī)端進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)原始信號[8]。

2 視頻傳輸實驗的實現(xiàn)過程

視頻傳輸系統(tǒng)實驗分為2個發(fā)送和接收模塊。如圖2所示：發(fā)送模塊先將獲取到的視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，再將數(shù)據(jù)流在LabVIEW上進(jìn)行QAM調(diào)制，OFDM調(diào)制，最后經(jīng)過USRP對信號進(jìn)行DUC、D/AC后進(jìn)行濾波、混頻和放大等處理，由TX發(fā)射[9]。與之對應(yīng)，接收模塊在RX接收到射頻信號后，USRP將射頻信號進(jìn)行放大、混頻和濾波，再進(jìn)行A/DC、DDC轉(zhuǎn)換，然后通過PCIe輸送到PC端，在LabVIEW軟件中進(jìn)行反OFDM、QAM解調(diào)等操作，最后將視頻流數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行播放。

實驗中， LabVIEW不但起到控制作用而且還被用于獲取視頻流數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)流和配置USRP。其中最重要部分在于處理數(shù)據(jù)流，即使用LabVIEW實現(xiàn)OFDM傳輸系統(tǒng)。

圖2 視頻傳輸實現(xiàn)框圖

2.1 發(fā)送模塊的建立

發(fā)送模塊鏈路流程如圖3所示：將視頻數(shù)據(jù)每2 bit映射為一個QAM符號，再把串行符號數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿蟹枖?shù)據(jù)，之后在每個并行流中每隔5個符號數(shù)據(jù)放置一個導(dǎo)頻，導(dǎo)頻放置完成后，再插入虛擬子載波(即插入0序列)，由此構(gòu)成新的符號序列，對新構(gòu)成的符號序列再進(jìn)行256點(diǎn)IFFT變換，然后加上64點(diǎn)的加循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)，再由并行轉(zhuǎn)為串行，最后加入傳統(tǒng)的短訓(xùn)練序列(Legacy Short Training Field，L-STF)和傳統(tǒng)的長訓(xùn)練序列(Legacy Long Training Field，L-LTF)，到此就建立好了實驗的發(fā)送模塊。實驗中實際發(fā)送一幀數(shù)據(jù)為7 000 bit，每幀有5 000 bit有效數(shù)據(jù)[10]。發(fā)送幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 發(fā)射模塊框圖

圖4 發(fā)送幀結(jié)構(gòu)

在圖3中從QAM調(diào)制后到USRP前模塊都是OFDM技術(shù)的實現(xiàn)細(xì)節(jié)。OFDM技術(shù)是本實驗中的一個關(guān)鍵技術(shù)，其具有頻譜利用率高、抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾等優(yōu)點(diǎn)。OFDM的基本原理是將單個碼周期為Ts的信息流由串行轉(zhuǎn)變?yōu)镹路并行碼流，每個碼流都加載到一個子載波上，子載波的頻率滿足fn=f0+n/(NTs)，n=0,1…，N-1，即子載波的頻譜相互正交[11]。

OFDM調(diào)制方法如下：令Xl[k]表示在第k個子載波上的第l個發(fā)送符號，l=0,1,…,∞，k=0,1…，N-1。由于串并的轉(zhuǎn)換，N個符號的傳輸時間變?yōu)镹Ts，一個OFDM符號的傳輸時間為Tsym=NTs，令Ψl,k(t)為第k個子載波上的第l個OFDM信號：

(1)

時間連續(xù)的基帶信號表示為：

(2)

在時刻t=lTsym+nTs，Ts=Tsym/N，fk=k/Tsym，對式(2)時間連續(xù)的基帶OFDM信號進(jìn)行采樣，可以得到相應(yīng)的離散時間的OFDM符號：

(3)

實驗根據(jù)圖3、4所示的發(fā)送端框圖和幀結(jié)構(gòu)，再結(jié)合OFDM的相關(guān)公式，利用LabVIEW進(jìn)行編程，實現(xiàn)了基于OFDM技術(shù)的實時視頻傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端功能。LabVIEW程序如圖5所示，圖中各個信號的處理是相對獨(dú)立的，因此可對每個模塊進(jìn)行黑盒測試[12]。

2.2 接收模塊的建立

接收模塊的鏈路流程如圖6所示：對USRP接收的數(shù)據(jù)流，利用L-LTF和L-STF分別進(jìn)行互相關(guān)和自相關(guān)計算，以實現(xiàn)粗同步和精同步[13]。在找到同步頭后，對數(shù)據(jù)流執(zhí)行串轉(zhuǎn)并，去CP，F(xiàn)FT變換，去導(dǎo)頻和去虛擬子載波等操作。再根據(jù)導(dǎo)頻使用最小平方算法(Least Squares，LS)進(jìn)行信道估計，根據(jù)信道估計結(jié)果進(jìn)行線性插值，即可得到其他子載波上的信道特性[14]。對接收到的數(shù)據(jù)流乘上各子載波的信道特性，就可以得到均衡后的數(shù)據(jù)。最后并串轉(zhuǎn)換即可恢復(fù)成QAM符號流，再經(jīng)過QAM解調(diào)就可得到視頻比特流數(shù)據(jù)。

圖5 發(fā)射端程序

圖6 接收端程序框圖

從圖6中可以看出，從USRP后到QAM解調(diào)前的模塊都是OFDM的解調(diào)過程。接收模塊中OFDM的原理如下式所示：

lTsym

(4)

(5)

接收端關(guān)鍵點(diǎn)除了FFT變換過程，還包括信道估計過程。因信道環(huán)境較好，選擇了相對簡單、復(fù)雜度相對較低的LS算法進(jìn)行信道估計[15]。實驗中利用導(dǎo)頻和LS算法進(jìn)行信道估計，此時的頻域信號為:

Y=HX+Z

(6)

(7)

(8)

(9)

實驗根據(jù)圖6和相關(guān)的OFDM解調(diào)原理，搭建了LabVIEW的接收端程序，如圖7所示。此程序中各個模塊也應(yīng)該進(jìn)行黑盒測試，以保證各模塊的功能完整性和正確性。

圖7 接收端程序

3 實驗結(jié)果與分析

本實驗環(huán)境是室內(nèi)，實物如圖8所示。運(yùn)行程序前，設(shè)置載波頻率、采樣率、本振頻率、輸出功率等參數(shù)，具體參數(shù)如圖9所示。

接收信號的頻譜圖如圖10所示。

圖11為接收端星座圖。由圖11(b)可見,接收端能夠接收正確數(shù)據(jù)。

圖12(a)為正在發(fā)送的視頻圖片，圖12(b)為接收到的視頻圖片。通過對比圖12(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn),PC端能夠正確恢復(fù)發(fā)送的視頻，但會出現(xiàn)細(xì)微的延時。

圖8 實物圖

圖9 發(fā)送端(左)和接收端(右)參數(shù)設(shè)置

圖10 接收端信號頻譜

(a) 未均衡的星座圖

(b) 均衡的星座圖

(a) (b)

圖12 視頻接收界面

4 結(jié) 語

本文基于USRP和LabVIEW的通信實驗平臺搭建并實現(xiàn)了基于OFDM技術(shù)的實時無線視頻傳輸系統(tǒng)。文章首先介紹了USRP和LabVIEW構(gòu)成的軟件無線電平臺的組成和優(yōu)點(diǎn)。闡述了系統(tǒng)的設(shè)計和實驗的實現(xiàn)過程。最后結(jié)合視頻播放軟件，在接收端觀察到了實驗發(fā)送的視頻。

實驗結(jié)果表明，這種基于真實環(huán)境的無線通信實驗平臺，完全適用于通信系統(tǒng)原型的整體設(shè)計，解決了科研中真實環(huán)境下算法驗證的問題，提高了驗證算法的可行性，值得推廣于無線通信教學(xué)領(lǐng)域，以此加深學(xué)生對通信原理的理解，提高學(xué)生的動手能力。