朱艷萍，卞方軍，金聰偉，陳金立

（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

新工科是教育部為應(yīng)對(duì)科技革命和產(chǎn)業(yè)變革提出的推動(dòng)高等工程教育改革的新思路和新方案。通信原理的課程設(shè)置也需要突出對(duì)電子信息類專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)［1-2］?；诘奶摂M儀器設(shè)計(jì)了多輸入多輸出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）通信系統(tǒng)。

本實(shí)驗(yàn)使用LabVIEW 平臺(tái)和通用軟件無線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripheral，USRP）來搭建2×2 MIMO 通信系統(tǒng)，編寫空時(shí)分組編碼（Space time block coding，STBC）程序，實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)傳輸?shù)热蝿?wù)。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，其核心概念就是“軟件即是儀器”。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠突破時(shí)空的限制，對(duì)實(shí)驗(yàn)室減少購入、維護(hù)的設(shè)備資金等方面具有較大幫助，還可以增強(qiáng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，提升學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，在實(shí)用和經(jīng)濟(jì)方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)［3-5］，是將來EDA實(shí)驗(yàn)室熱門應(yīng)用。

1 硬件平臺(tái)的搭建

1.1 硬件原理與連接

所謂軟件無線電，就是一種用軟件實(shí)現(xiàn)物理層連接的無線通信設(shè)計(jì)。一部無線通信機(jī)，其通信功能由特定的軟件來實(shí)現(xiàn)。同樣的硬件，輸入不同軟件，就具有不同的通信功能，就可以使不同單位的、不同制式的通信機(jī)器進(jìn)行相互通信［6］。

如圖1 所示，USRP 軟件無線電設(shè)備是一種靈活的軟件無線電外設(shè)平臺(tái)，可以與眾多軟件配套使用，比如：GNU Radio、Matlab／Simulink、LabVIEW等。只需將USRP平臺(tái)與計(jì)算機(jī)通過一根網(wǎng)線連通，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟件無線電系統(tǒng)。

圖1 通用軟件無線電外設(shè)實(shí)物圖

本實(shí)驗(yàn)采用兩臺(tái)計(jì)算機(jī)配合4 臺(tái)USRP軟件無線電設(shè)備構(gòu)成完整的MIMO通信系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線與USRP設(shè)備連接，USRP設(shè)備之間則通過MIMO數(shù)據(jù)同步電纜進(jìn)行連接，設(shè)備連接如圖2 所示。

圖2 MIMO通信系統(tǒng)硬件連接圖

1.2 USRP設(shè)備IP地址設(shè)置

實(shí)驗(yàn)室的設(shè)置的固定IP 地址是192.168.10.02。整個(gè)機(jī)房其他設(shè)備的IP 地址可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室大的局域網(wǎng)設(shè)置成小的局域網(wǎng)地址，只需把最后的IP地址末端的02 改成0～255 的其他地址即可，即分配子網(wǎng)在其他計(jì)算機(jī)。在2 ×2 MIMO 通信系統(tǒng)中需要用到4 臺(tái)不同USRP設(shè)備，設(shè)置4 個(gè)不同的子IP來區(qū)分。為方便，設(shè)接收端設(shè)備IP 地址為192.168.10.96 和192.168.10.97；發(fā)送端設(shè)備IP地址為192.168.10.98和192.168.10.99。

2 發(fā)送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

MIMO通信發(fā)送系統(tǒng)主要包含信源、數(shù)據(jù)包形成、基帶調(diào)制（8PSK調(diào)制）、時(shí)空分組編碼、添加訓(xùn)練序列和脈沖成形等模塊［7］，這些模塊構(gòu)成了如圖3 所示的MIMO通信發(fā)射系統(tǒng)。

圖3 MIMO通信發(fā)射系統(tǒng)框圖

2.1 發(fā)送系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

虛擬儀器的前面板相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的操作臺(tái)，基于虛擬儀器可以用戶自定義的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖4 所示的發(fā)送系統(tǒng)前面板。前面板中包含了USRP設(shè)備的IP設(shè)置、匹配濾波器的參數(shù)設(shè)置、文件路徑的選擇、載波頻率IQ速率等參數(shù)設(shè)置操作控件，還包含了發(fā)送圖片的顯示和傳輸信息顯示面板。通過此操作面板對(duì)MIMO通信發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置，人機(jī)交互友好，方便用戶入手，適合基礎(chǔ)薄弱的人進(jìn)行通信原理創(chuàng)新性實(shí)踐的初步研究。

圖4 MIMO通信系統(tǒng)發(fā)射前面板

2.2 發(fā)送信號(hào)形成

發(fā)送信號(hào)的形成主要包含了信源和數(shù)據(jù)包形成兩個(gè)模塊。信源模塊由獲取圖片和生成bit兩部分組成。在圖片文件路徑中選擇圖像文件，將圖像信息轉(zhuǎn)換成01 bit數(shù)組，完成信源生成。此次實(shí)驗(yàn)信源為JPG 格式的圖像，采用LabVIEW提供的能夠讀取JPG格式圖像并輸出圖像數(shù)據(jù)的模塊，完成圖像信息的提取。

數(shù)據(jù)包形成模塊根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)包大小將信源模塊生成的信息bit分割成若干個(gè)如圖5 所示的數(shù)據(jù)包。

圖5 數(shù)據(jù)包形成模塊程序框圖

每個(gè)數(shù)據(jù)包由5 個(gè)部分組成：38 bit 數(shù)據(jù)包保護(hù)頭、48 bit數(shù)據(jù)包頭、16 bit 數(shù)據(jù)包長度、若干信息bit和200 bit數(shù)據(jù)包保護(hù)尾，結(jié)構(gòu)見表1。

表1 基帶數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

在數(shù)據(jù)包模塊中，接收端同步工作由數(shù)據(jù)包保護(hù)頭完成，數(shù)據(jù)包頭包含了該數(shù)據(jù)包的總數(shù)據(jù)包大小以及編號(hào)等內(nèi)容，數(shù)據(jù)包長度則包含了該數(shù)據(jù)包中信息bit的大小，信息bit 包含了數(shù)據(jù)包傳輸所需要的信息bit，保護(hù)末尾信息bit工作由數(shù)據(jù)包保護(hù)尾完成，防止在通過成型濾波器時(shí)尾部數(shù)據(jù)丟失。

2.3 基帶調(diào)制

本系統(tǒng)的基帶調(diào)制采用8PSK 調(diào)制。8PSK 就是利用載波的相位變化來傳遞信息，而振幅和頻率保持不變：

式中：A為振幅；ωc為載波頻率；φk為［0，2π］上間隔均勻的8 種不同的相位［8］。

2.4 時(shí)空分組編碼

時(shí)空編碼技術(shù)作為一種新型的信號(hào)處理和編碼技術(shù)，為每個(gè)符號(hào)周期和發(fā)送信號(hào)增加時(shí)間和空間的相關(guān)性［9］?？諘r(shí)編碼也能起到減緩信道衰減的速度、降低誤碼率的作用。某一信息經(jīng)過空時(shí)編碼技術(shù)正交編碼后，由多根天線發(fā)射出去，使得信號(hào)具有正交性。只要在接收端進(jìn)行簡單的線性合并處理，就可以將多路獨(dú)立信號(hào)區(qū)分，得到滿分集增益。

2 ×2 MIMO通信系統(tǒng)中，STBC發(fā)射編碼矩陣為：

式中：X1，X2分別為天線1 和天線2 在兩個(gè)周期內(nèi)發(fā)射的信號(hào)；x1、x2為不同的數(shù)據(jù)；“*”為共軛。顯然＝0，即具有正交性［10］。STBC 程序的輸入、輸出模型如圖6 所示。

圖6 STBC輸入輸出模型

該模塊可以進(jìn)行如下測試：輸入4 個(gè)不同數(shù)據(jù)｛0.707 ＋0.707i，0.707 -0.707i，-0.707 -0.707i，-0.707 ＋0.707i｝，若輸出數(shù)組如圖7 所示，則可驗(yàn)證STBC程序正確。

圖7 STBC程序的驗(yàn)證

至此，MIMO通信系統(tǒng)的發(fā)射部分已經(jīng)完成，其設(shè)計(jì)框圖如圖8 所示。

圖8 MIMO通信系統(tǒng)發(fā)射程序框圖

3 接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

MIMO通信接收系統(tǒng)包含天線接收、提取數(shù)據(jù)、同步、信道估計(jì)、STBC譯碼、基帶解調(diào)［11］、圖片顯示等模塊，其框圖如圖9 所示。

圖9 MIMO通信系統(tǒng)接收框圖

3.1 提取數(shù)據(jù)

在提取數(shù)據(jù)中，MIMO 通信系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)樣點(diǎn)的功率值分布來提取傳輸數(shù)據(jù)包。將接收信號(hào)采樣點(diǎn)平均功率的1／4 設(shè)為門限值，將每50 個(gè)信號(hào)采樣點(diǎn)的平均功率與門限值進(jìn)行比較。如果采樣點(diǎn)值高于門限值，則該信號(hào)被認(rèn)定為待處理信息，低于門限值則被認(rèn)定為噪聲，由此可以提取出傳輸數(shù)據(jù)包［12］。

3.2 同 步

同步主要包含符號(hào)同步、幀同步和載波同步3 個(gè)步驟。

符號(hào)同步采用最大能量算法來完成符號(hào)同步。設(shè)置過采樣參數(shù)（假設(shè)過采樣系數(shù)為4），取出不同位置的采樣點(diǎn)，分別計(jì)算各個(gè)數(shù)組的功率，選擇功率最大的數(shù)組對(duì)應(yīng)的采樣位置，最終達(dá)到符號(hào)同步，數(shù)據(jù)降采樣的效果。

幀同步采用了延時(shí)自相關(guān)法［13］。該方法可有效地克服傳播距離對(duì)信號(hào)功率的衰減影響，保證其較高的同步檢測概率。主要參數(shù)的計(jì)算如式（3）～（6）所示。假設(shè)在發(fā)射端添加長度為N的序列，其前半部分、后半部分具有相同的符號(hào)。

接收序列和接收序列延時(shí)的自相關(guān)系數(shù)

式中，rd為接收序列。

自相關(guān)系數(shù)窗口期間接收的能量

接收序列經(jīng)過兩個(gè)滑動(dòng)窗口R和P為判決計(jì)算求得歸一化值

將其最大值作為數(shù)據(jù)的幀頭

載波同步采用Moose算法進(jìn)行校正。其頻偏的最大似然估計(jì)值

式中，Y1、Y2分別為相鄰兩個(gè)N點(diǎn)的FFT 輸出。由此估計(jì)值對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行修正。

3.3 信道估計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，信道估計(jì)算法的原則是追求一種誤碼率、復(fù)雜度低，計(jì)算精確度高的均方誤差最小算法［12］。如圖10 所示的信道估計(jì)一般模型，圖中e（n）為信道的估計(jì)誤差，用符號(hào)誤碼率表示［14］。這里采用LS信道估計(jì)算法，利用訓(xùn)練序列完成信道估計(jì)，其程序框圖如圖11、12 所示。接收的二維數(shù)據(jù)包中每行的數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)2 個(gè)不同的序列，每個(gè)序列又一一對(duì)應(yīng)各自的發(fā)送天線。只需對(duì)每行的序列進(jìn)行信道估計(jì)，最終便可得到4 個(gè)信道的參數(shù)。

圖10 信道估計(jì)模型

圖11 信道估計(jì)程序框圖（輸入部分）

圖12 信道估計(jì)程序框圖（輸出部分）

假設(shè)接收到的信號(hào)為：

式中：H為信道響應(yīng)；Xp為發(fā)送信號(hào)；Wp為噪聲。

最小二乘（Least square：LS）算法對(duì)式（8）中的參數(shù)H進(jìn)行估計(jì)，使函數(shù)J最?。?/p>

可以得到LS算法的信道估計(jì)值：

3.4 STBC譯碼

接收系統(tǒng)的譯碼利用最大比值接收方法［15］進(jìn)行空時(shí)分組譯碼［16］。STBC 具有編碼構(gòu)造容易，譯碼簡單，分集增益高等優(yōu)勢(shì)。假設(shè)天線發(fā)送的數(shù)據(jù)x1、x2經(jīng)過空時(shí)分組編碼后得到：）

假設(shè)信道參數(shù)矩陣為：

式中，hij為第i根接收天線收到第j根發(fā)送天線數(shù)據(jù)的傳輸信道參數(shù)。

接收到的數(shù)據(jù)陣為：

利用估計(jì)出的信道參數(shù)處理接收到的信號(hào)。估計(jì)信道參數(shù)為：

令

可以得到解調(diào)后的信號(hào)：

STBC譯碼子程序的模型如圖13 所示。

圖13 最大比值合并接收進(jìn)行STBC譯碼模型

至此設(shè)計(jì)完成了MIMO 通信系統(tǒng)接收部分，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖14 所示。

圖14 MIMO通信系統(tǒng)接收程序框圖

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試與結(jié)果分析

按照MIMO 通信系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)步驟，連接好硬件電路并設(shè)定好USRP 設(shè)備的IP 地址，運(yùn)行MIMO發(fā)送系統(tǒng)程序，從發(fā)送系統(tǒng)的路徑下選擇發(fā)送并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。發(fā)送與接收?qǐng)D片如圖15 所示，圖15（a）為發(fā)送的原始圖片，圖15（b）為經(jīng)過MIMO系統(tǒng)后接收的圖片。

圖15 收發(fā)圖片測試對(duì)比

從發(fā)送和接收?qǐng)D片的比較，接收?qǐng)D片存在一定的丟包現(xiàn)象，這可通過調(diào)整發(fā)送bit 數(shù)等參數(shù)降低丟包率。根據(jù)對(duì)比收發(fā)圖片的清晰度，發(fā)現(xiàn)接收?qǐng)D像中存在噪聲。通過實(shí)驗(yàn)手段證實(shí)了噪聲的存在以及對(duì)通信系統(tǒng)的影響。

5 結(jié)語

在本次通信原理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中，主要采取了虛擬儀器LabVIEW 與配套的軟件無線電平臺(tái)實(shí)現(xiàn)2 × 2 MIMO通信系統(tǒng)。在虛擬儀器中實(shí)現(xiàn)了MIMO收發(fā)系統(tǒng)的相關(guān)編碼與調(diào)制功能，只需簡單的設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，主要功能由計(jì)算機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)，降低了儀器的復(fù)雜度，學(xué)生可根據(jù)課題的需求設(shè)計(jì)開發(fā)所需系統(tǒng)，為通信原理進(jìn)行深層次的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供便捷的平臺(tái)與實(shí)現(xiàn)方法，為新工科背景下培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。