高月紅，陳 露，楊昊天

(北京郵電大學 信息與通信工程學院，北京 100876)

0 引言

隨著信息技術的高速發(fā)展，人們對于分布式系統(tǒng)的需求也越來越大，許多復雜的的應用都建立在分布式系統(tǒng)的基礎之上[1]。分布式測試系統(tǒng)由分散在不同測試點的測試模型或儀器組成，根據(jù)傳輸介質的不同，通常分為有線分布式測試系統(tǒng)和無線分布式測試系統(tǒng)[2]。在早期，分布式測試系統(tǒng)中通常利用有線的連接方式，通過測試總線來連接各個設備，進行信息傳遞，這種方式具有數(shù)據(jù)傳輸快、可靠性強以及安全性高的特點，但同時也伴隨著高成本，而且對于規(guī)模較大、分布較廣的測試對象存在一定的困難[3]，而采用無線通信的方式可以改善這一局限性。無線的通信方式使得系統(tǒng)能夠不受制于線纜，能夠對范圍更大、更分散的對象進行測試，具有更高的靈活性且安裝和維護的成本也更低[4]。

測試系統(tǒng)需要完成不同的測試任務，觸發(fā)的精確性對測試結果至關重要。在系統(tǒng)建立時鐘同步的前提下，系統(tǒng)內(nèi)部的主設備需對一個或多個從設備發(fā)送指令實現(xiàn)可靠觸發(fā)，完成測試任務。同時，還需保證信息收發(fā)的整個過程產(chǎn)生的時延盡可能地小，即從設備可以盡快地收到消息，以便于及時做出反應。

本文設計了一條無線傳輸鏈路作為觸發(fā)的基礎，用于實現(xiàn)觸發(fā)指令的傳輸，并設計了不同的觸發(fā)模式，以滿足不同測試任務的需求，然后依托于軟件無線電思想[1]，用LabVIEW編程實現(xiàn)信號收發(fā)過程中的信號處理，利用通用軟件無線電外設(USRP，universal software radio peripheral)實現(xiàn)信號的發(fā)送與接收，對系統(tǒng)進行測試，驗證系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)結構及原理

1.1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)結構主要分為觸發(fā)模式、無線傳輸鏈路兩個部分，其中觸發(fā)模式包括定時觸發(fā)和隨機觸發(fā)兩種，無線傳輸鏈路則由信道編解碼、調制解調等多個環(huán)節(jié)組成。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

1.2 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)中，觸發(fā)模式和無線傳輸鏈路的結合共同實現(xiàn)基于無線方式的可靠的觸發(fā)信息傳輸。主設備通過無線傳輸鏈路向從設備發(fā)出指令信息，從設備收到信息并解出，對信息做出判斷后執(zhí)行相應操作。

1.2.1 觸發(fā)模式

結合實際需要，在設計觸發(fā)信息時，考慮了兩種觸發(fā)模式：定時觸發(fā)和隨機觸發(fā)。

定時觸發(fā)是指從設備收到指令信息后，按照信息內(nèi)容中的時間信息與操作指令，在指定時刻進行指定操作；

隨機觸發(fā)是指從設備收到指令信息后，按照信息內(nèi)容中的操作指令，立即進行指定操作。

針對不同的觸發(fā)模式，本文設計了兩種不同的信息格式，如圖2所示。

圖2 觸發(fā)信息格式

其中，時間信息是指主設備要求從設備進行操作的時刻。接收設備編號是指要求執(zhí)行該指令的設備編號。當接收設備編號為0時，表示對所有從設備進行信息傳遞；當接收設備編號設為其他數(shù)字時，表示對某一特定從設備進行信息傳遞，也就由此實現(xiàn)了“一對一”和“一對所有”的信息傳輸。操作指令是指主設備要求從設備進行的操作的對應指令，例如，收發(fā)雙方事先約定操作指令111代表某一測試任務，那么在傳輸?shù)男畔⒅胁恍枰枋鼍唧w的測試任務，只需發(fā)送指令111。

1.2.2 無線傳輸鏈路

無線傳輸鏈路是無線觸發(fā)的重要基礎，用于實現(xiàn)信息的有效可靠傳輸，因此設計了相應的的無線傳輸鏈路。

結合前文所述無線觸發(fā)系統(tǒng)的傳輸需要，發(fā)送端所包含的功能模塊及處理流程如圖3所示。整體流程包含如下環(huán)節(jié)：發(fā)送端首先需要設置指令信息，然后將其轉換為二進制比特流便于傳輸，再對其進行信道編碼、行列交織及調制處理，之后在信息前端添加同步序列，經(jīng)過成型濾波、內(nèi)插、DAC等處理由射頻前端將信號放大后經(jīng)天線發(fā)射出去。

圖3 發(fā)送端示意圖

下面按照處理過程分別介紹每個模塊的功能。

指令信息：因為不同類型的觸發(fā)包含的指令信息是不同的，所以這個環(huán)節(jié)的目的在于確定指令信息的內(nèi)容。例如，定時觸發(fā)時，需要指定觸發(fā)時刻、接收設備的編號以及操作指令。

二進制轉換：為了方便交互，指令信息通常是以其他數(shù)據(jù)形式傳入程序，例如字符串，而為了便于對信息進行處理及傳輸，通常將其轉換為二進制比特流。

信道編碼：信道編碼通過在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中插入具有一定規(guī)律的冗余信息，使得接收端在收到相應的編碼后，可以利用這些冗余信息來判斷數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出現(xiàn)錯誤，如果出現(xiàn)錯誤就可以利用這些冗余的信息來進行糾正[6]。

行列交織：行列交織[7]主要通過分散數(shù)據(jù)，以避免傳輸過程中出現(xiàn)的大片連續(xù)差錯，解決成串的比特差錯問題。交織深度越大，符號的離散性就越大，抗突發(fā)差錯能力就越強。

調制：對信號進行調制，將二進制比特流串并變換，映射為符號信息。

添加同步序列：在符號信息之前添加同步序列，目的是便于收端和發(fā)端的同步，幫助收端檢測到數(shù)據(jù)幀頭，避免解碼出現(xiàn)差錯。

成形濾波：主要目的是為了避免在傳輸過程中數(shù)據(jù)的高頻成分在傳輸頻帶較窄時信號的展寬與相鄰信號之間重疊，造成數(shù)據(jù)間的相互干擾[8]。

內(nèi)插、上變頻、DAC、射頻前端及天線：將基帶信號的數(shù)據(jù)率提升[9]，并進行數(shù)模轉換，然后將其頻率搬移到射頻，射頻信號再經(jīng)由天線發(fā)向空中[10]。

圖4 接收端示意圖

從圖4中可以看出，接收端的操作與發(fā)送端相反。此處，介紹其中幾個關鍵環(huán)節(jié)。

相關計算：用同步序列對收到的信號進行相關計算，通過峰值找到數(shù)據(jù)幀頭，便于后續(xù)對信息的相關處理。

解調：將符號信息進行判決，然后并串變換，恢復成二進制比特序列。

指令信息恢復：將信息從二進制比特流恢復成收端需要的數(shù)據(jù)形式。

2 系統(tǒng)軟硬件設計與實現(xiàn)

上文所述的無線傳輸鏈路有多種實現(xiàn)方式，考慮到軟件無線電的可模塊化和開放性的特點，采用LabVIEW+USRP的軟件無線電結構來對設計方案進行實現(xiàn)。

在傳統(tǒng)無線電中，每個硬件組件都具有特定的功能，靈活性較低。當需要更改某些參數(shù)時，信息解碼可能會出錯，而為了在新配置的參數(shù)環(huán)境下能夠正常工作，傳統(tǒng)無線電需要對硬件進行重新設計或更換，這會帶來更高的成本[11]。而軟件無線電最大的特點就是無需更換硬件設備，僅通過改變軟件來實現(xiàn)無線設備的不同功能。其主要原理就是依托于通用硬件平臺，通過不同的軟件編程實現(xiàn)信息的傳遞[12]。這樣的模塊化設計，既降低了成本，又具有較強的可拓展性。近幾年來，NI公司研發(fā)的通用軟件無線電硬件外設USRP和圖形化編輯軟件LabVIEW，逐漸成為發(fā)展最迅速、運用最普遍的無線通訊平臺。圖5給出了軟件及硬件的工作示意圖。

圖5 LabVIEW+USRP軟件無線電示意圖

2.1 硬件設計

USRP是數(shù)字通信系統(tǒng)的一個軟件可重配置的射頻硬件[13]，是軟件無線電研究領域廣泛使用的平臺，具有使用簡單、便捷、可擴展等特性，可避免采用復雜的FPGA開發(fā)技術[14]。它主要實現(xiàn)基帶信號到射頻信號的轉換與處理，它包括兩個部分：一個帶有高速信號處理的FPGA母板和一個或者多個覆蓋不同頻率的可調換的子板[15],如圖6所示。

圖6 USRP硬件工作原理

測試中使用的USRP型號為NI-USRP 2900，射頻前端的頻率覆蓋范圍是70 MHz～6 GHz，表1給出了其主要參數(shù)。

應用脂質體Lipofectamine-2000對HEK-293細胞與miR-219及對照質粒(miR CTRL)和PRKCI共轉染。轉染24 h后，用雙熒光素酶報告系統(tǒng)(PROMEGA，美國)檢測細胞的熒光素酶活性。

表1 NI-USRP 2900主要運行參數(shù)

2.2 軟件設計

LabVIEW是一款基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發(fā)軟件，具有多種不同的通信接口和功能豐富的庫函數(shù)，可以簡單地配置和操作外部輸入輸出設備，方便用戶進行虛擬儀器設計的快速開發(fā)設計[16]。LabVIEW利用圖標代替文本行進行編程，與傳統(tǒng)的代碼編程相比，圖形化編程的不同之處在于，它只需設計數(shù)據(jù)流程，在流程圖完成后，程序就會自動生成，而不需要編寫復雜的代碼。這一特點能夠讓開發(fā)者很容易上手，一定程度上加快了開發(fā)速度，減少了開發(fā)時間[17]。LabVIEW軟件由程序框圖、前面板和圖標/接線端口構成，前面板用于模擬真實儀器的前面板；框圖程序則是利用圖形語言對前面板上的控件對象(分為控制量和指示量兩種)進行控制；圖標/接線端口則用于把LabVIEW程序定義成一個子程序，從而實現(xiàn)模塊化編程[18]。

2.3 軟硬件實現(xiàn)

采用USRP+LabVIEW的軟件無線電結構時，主機中的LabVIEW負責進行基帶信號的處理[19]，即信號內(nèi)插之前的模塊以及信號抽取之后的模塊，比如濾波器、調制、解調等；USRP負責完成模擬前端和數(shù)字前端的功能，即發(fā)射端中信號內(nèi)插及之后的模塊和接收端中信號抽取及之前的模塊，比如模數(shù)轉換、數(shù)模轉換等[20]。在軟件開發(fā)過程中，需要充分考慮硬件的特性及約束條件，比如工作頻段、最高采樣率等，軟件與硬件設備通過有效的配合，才能實現(xiàn)無線觸發(fā)的完整通信過程。本文基于USRP 2900硬件平臺，設計和開發(fā)了支持無線觸發(fā)功能的測試系統(tǒng)。

圖7給出了基于LabVIEW開發(fā)的發(fā)送端程序框圖。圖中左半部分是關于USRP基本配置，包括USRP的檢測、參數(shù)設置等。右半部分是對信號的處理，包括二進制轉換、信道編碼等，與上文所述信息處理流程一致。接收端類似，考慮到篇幅有限不再給出接收端的程序框圖。

圖7 發(fā)送端LabVIEW程序框圖

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試環(huán)境配置

測試中使用3臺USRP，型號為NI USRP-2900，每臺USRP分別與一臺PC相連，PC上運行LabVIEW編寫的程序，組成系統(tǒng)中的終端設備。將其中一組設備作為主設備，其他兩組作為從設備，編號分別設為1和2。在測試中，主設備作為發(fā)射端，從設備作為接收端系統(tǒng)測試過程包括收發(fā)端USRP的配置、軟件啟動等。收發(fā)端的USRP設備分別與PC連接，在發(fā)端PC輸入指令信息后，LabVIEW對其進行基帶處理，然后經(jīng)過USRP將信號傳入空中。收端USRP接收到信號，對其進行相應的處理，解出信息。

首先對收發(fā)端USRP的參數(shù)進行基本設置，包括IQ速率、載波頻率、同步序列的長度等，如表2所示。IQ速率、載波頻率和增益是USRP的基本配置參數(shù)，可視實際傳輸條件做適當調整；同步序列是指在進入成型濾波前，在信息前端添加的前導序列，程序中采用具有良好自相關特性和尖銳峰特性的巴克碼作為前導序列[21]，而在現(xiàn)有的9組巴克碼中，長度為13的效果最好，因此將同步序列設為長度為13的巴克碼。在載波頻率方面，實驗中選取USRP頻率覆蓋范圍(70 MHz～6 GHz)內(nèi)的200 MHz作為中心頻點。在交織方面，交織深度越大，符號離散型就越大，抗突發(fā)差錯能力越強，但處理時延也就越長，試驗中將交織深度設為5，可以兼顧交織效果和處理時延。在信道編碼方面，考慮到循環(huán)碼編碼簡單，糾檢錯能力較強，試驗中選用(15，11)循環(huán)碼用于信道編碼。同步序列的類型及長度、交織深度的大小和信道編碼的類型可通過改寫程序來實現(xiàn)不同的選擇。

表2 核心參數(shù)列表

以上參數(shù)收發(fā)端需保持一致，否則在解調信息時會出現(xiàn)錯誤。配置好參數(shù)后，發(fā)端設置指令信息，比如事件信息、接收設備編號等。在收發(fā)端PC中啟動程序即可接收信息，并通過收端PC的程序前面板來觀察接收結果。

3.2 測試過程

從功能上，對系統(tǒng)的鏈路聯(lián)通性進行測試；從性能上，對系統(tǒng)的時延進行評估?？紤]到測試系統(tǒng)的成本，以下基于1臺主設備和2臺從設備的場景開展測試。測試結果可以擴展到具有更多從設備的場景。

(1)功能驗證。

①定時觸發(fā)模式下的觸發(fā)信息傳遞測試。

測試目的：在定時觸發(fā)模式下，由發(fā)射端發(fā)出指令信息，要求某臺從設備在指定的時刻執(zhí)行某個事件，其余無關的從設備不接收該指令。

測試過程：在主設備端和兩臺從設備端分別運行程序，在主設備端設置好發(fā)射指令所需的參數(shù)，具體包括時間信息、事件編號和接收指令的設備編號，如圖8(a)所示。同時觀察兩臺從設備的接收面板。其中，1號從設備的接收面板顯示結果如圖8(b)所示，可以看出，1號從設備可以正確接收發(fā)端指定的觸發(fā)時間以及事件編號。相比之下，通過觀察2號從設備的接收面板可以發(fā)現(xiàn)該設備并未接收到有效的指令信息，如圖8(c)所示，這一結果符合主設備在發(fā)射端的設置，即從設備不會接收與自己無關的指令。

圖8 定時觸發(fā)功能測試面板圖

②隨機觸發(fā)模式下的觸發(fā)信息傳遞測試。

測試目的：在隨機觸發(fā)模式下，由發(fā)射端發(fā)出指令信息，要求某臺從設備在接收到指令的時候立刻執(zhí)行某個事件，其余無關的從設備不接收該指令。

測試過程：在主設備端和兩臺從設備端分別運行程序，在主設備端設置好發(fā)射指令所需的參數(shù)。在隨機觸發(fā)模式下，只包含事件編號和接收指令的設備編號，而不需要配置時間信息，發(fā)送面板如圖9(a)所示。同時觀察兩臺從設備的接收面板。由1號從設備的接收面板(圖9(b))可以看出，該設備正確接收到隨機觸發(fā)指令。而2號從設備并未接收到有效的指令信息，其接收面板如圖9(c)所示。上述結果驗證了隨機觸發(fā)指令發(fā)送的有效性和正確性。

圖9 隨機觸發(fā)功能測試面板圖

③“一對所有”場景下的信息傳遞測試。

測試目的：前面的兩項測試均針對“一對一”模式開展，即發(fā)送端發(fā)送的指令僅針對某一個從設備。接下來針對“一對所有”場景開展測試，即發(fā)送端發(fā)送的指令會被所有從設備接收。此處，以定時觸發(fā)為例。隨機觸發(fā)的情況相似，出于篇幅所限不再給出其測試過程和結果。

測試過程：在主設備端和兩臺從設備端分別運行程序，在主設備端設置好發(fā)射指令所需的參數(shù)，具體包括定時觸發(fā)的時間信息和事件編號，同時將和接收指令的設備編號設置為0，即表示所有從設備均接收此條指令，如圖10(a)所示。將該指令發(fā)出后，可以看到1號從設備和2號從設備的接收面板均顯示了相應的定時觸發(fā)信息，如圖10(b)(c)所示，也就是說，兩個從設備均正確接收了該指令，即完成了“一對所有”場景下觸發(fā)信息的傳遞。

圖10 “一對所有”場景測試面板圖

(2)性能評估。

上述測試過程主要是對無線觸發(fā)的功能進行驗證，可以看到在定時觸發(fā)和隨機觸發(fā)兩種模式下都能順利進行指令信息的傳遞，并且都能實現(xiàn)“一對一”和“一對所有”的信息傳遞。除了功能驗證之外，本文也對性能進行了評估和討論。

無線觸發(fā)的性能評估主要是對信息傳輸過程造成的時延進行分析。在上文所述的信息傳遞過程中，按照信息傳遞的順序分析，時延主要由以下幾個部分組成：發(fā)端處理時延、發(fā)送時延、傳播時延和收端處理時延。

其中，發(fā)端處理時延是指發(fā)端對信息做編碼等處理所需的時間；發(fā)送時延是指發(fā)出信息所需的時間，主要受信息長度和發(fā)送速率的影響；傳播時延是指信號在空中傳播的時間，由于電磁波傳播速度極快，這部分時延通常忽略不計；收端處理時延是指收端對信息做解碼等處理所需的時間。

為了避免硬件帶來的誤差，本文采用仿真與理論推導結合的方式來對這幾部分時延進行分析。

利用LabVIEW編寫仿真程序，其框圖如圖11所示。與圖5相比，發(fā)射模塊與接收模塊的處理流程完全相同，只是將中間通過USRP收發(fā)信號的部分換成了高斯白噪聲信道模塊。在LabVIEW仿真程序中，需要分別在發(fā)端和收端增加記錄時間戳的功能，用于計算從發(fā)端發(fā)送信息到收端收到信息并解出信息這一過程總共耗費的時間。

圖11 仿真程序框圖

運行仿真程序，分別測試定時觸發(fā)和隨機觸發(fā)下的時延，結果如圖12和圖13所示。

圖12 定時觸發(fā)模式下的時延

圖13 隨機觸發(fā)模式下的時延

可以看到隨機觸發(fā)模式下的時延明顯比定時觸發(fā)的小，這是因為隨機觸發(fā)模式的數(shù)據(jù)更短。定時觸發(fā)模式下的數(shù)據(jù)幀多了一項時間信息，而時間信息在LabVIEW中的數(shù)據(jù)格式為“時間戳”(Timestamp，LabVIEW中一種表示絕對時間的數(shù)據(jù)類型)，長度為128 bit，數(shù)據(jù)相對較長，因此，與隨機觸發(fā)相比，時延更大。除此之外，觀察結果我們還能發(fā)現(xiàn)，兩種模式下的平均時延都極小，圖像顯示最大時延也只是在1 ms附近。

由于仿真僅基于軟件進行，沒有連接硬件設備，通過仿真程序求得的這個時間僅僅只是收發(fā)端處理時延。由于電磁波傳播速度極快，信號在空中傳播所需的這部分傳播時延忽略不計；發(fā)送時延主要與軟硬件配置相關，需要根據(jù)不同情況具體分析。例如，在USRP+LabVIEW的軟件無線電結構中，理論上來說，USRP的IQ速率最高可設置為15 MS/s(測試所用的USRP型號為2900)，但是若速率過高，而數(shù)據(jù)相對較短，則會由于軟件處理速率跟不上而導致程序報錯，經(jīng)過測試，在當前數(shù)據(jù)條件下，USRP的IQ速率在定時觸發(fā)模式下最高可設為3 MS/s，在隨機觸發(fā)模式下最高可設為1 MS/s。不難推算，在這兩個速率下的軟件無線電環(huán)境中，發(fā)送時延為毫秒級，具體數(shù)值與傳輸鏈路的參數(shù)有關，例如濾波器參數(shù)、調制類型等等。

總的來說，在USRP+LabVIEW的配置環(huán)境下，時延可以控制在毫秒級，具體數(shù)值由鏈路參數(shù)決定。

4 結束語

本文設計和實現(xiàn)的無線觸發(fā)系統(tǒng)，關鍵在于觸發(fā)模式和無線傳輸鏈路兩個方面。一方面，定時觸發(fā)和隨機觸發(fā)兩種觸發(fā)模式可以滿足不同測試任務的需求，使得測試系統(tǒng)適用性更高；另一方面，無線傳輸鏈路的設計使得各設備間的聯(lián)系不受制于線纜，提高了系統(tǒng)的靈活性。而且鏈路可通過多種方式實現(xiàn)，例如FPGA、軟件無線電等。測試環(huán)節(jié)采用USRP+LabVIEW的軟硬件結合，從功能上對方案進行了驗證，即不同觸發(fā)模式，主設備都能順利地將指令信息傳遞給從設備，并且都能實現(xiàn)“一對一”和“一對所有”的信息傳遞。然后仿真與理論推導相結合，對性能進行了評估。通過功能測試和性能評估，該方案的合理可行性可以得到證明。