基于LabVIEW和USRP的软件无线电通信实验平台设计
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! 二 ! 实验技术与管理 第33卷第5期201 6年5月 CN11—2034/T Experimental Technology and Management Vo1.33 No.5 May.2O1 6 DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.041 基于LabVlEW和USRP的软件无线电 通信实验平台设计 邢 鑫,赵 慧 (北京邮电大学信息与通信工程学院,北京 100876) 摘要:为培养学生的实践创新能力,提高实验教学效果,开发了一套基于LabVIEW和USRP的新型软件 无线电通信实验平台。该通信实验平台的无线信号收发链路按照IEEE 802.1lac物理层协议编写,同时支持 链路级仿真和真实射频信号收发。基于该平台可以设计包括信源端、信号发送端、信号接收端在内的一系列 新型通信实验,既可以应用于通信基础课程的原理验证,也可以应用于无线通信专业课程的系统开发。 关键词:通信实验平台;软件无线电;实验教学;LabVIEW ̄USRP;IEEE 802.11ac 中图分类号:TN85 文献标志码:A 文章编号:1002—4956(2016)5—0160—05 Design of experimental platform for wireless communication based on LabVIEW and.【『SRP Xing Xin,Zhao Hui (School of Information and Communication Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunicati0ns,Beijing 100876,China) Abstract:Aiming at cultivating students ability of practice and innovation,and improving the efficiency of experiment,a new communication platform was developed based on software defined radio.The wireless signal transceiver is designed according to the IEEE 802.1lac PHY protoco1,by which both simulation and rea1 RF signal are supported.Different from traditional experiments,a series of new communication experiments can be designed on the new platform,not only for the principle verification of core subject,but also for system development of wireless communication. Key words:communicative experimental platform;software defined radio;experimental teaching;LabVIEW; USRP:IEEE 802.11ac 传统的通信实验教学大致分为两类:一类是基于 固化的实验箱,另一类是基于软件仿真工具;前者存在 实验可扩展性不强的问题,后者则存在实验效果不直 实验,可以帮助学生理解通信系统中的抽象概念,进一 步扩展系统知识,加深对实际系统的感性认识,同时培 养学生使用软硬件平台来仿真和开发通信链路及系统 的方法和技巧。这一做法已经受到国内外很多高校的 认可 一 。 观的缺憾。为了克服传统通信实验的种种弊端,笔者 开发了一套基于LabVIEW和USRP的新型软件无线 电通信实验平台。该平台通过软件仿真以及配套硬件 1 软件无线电通信实验平台的特点 收稿日期:2015一i0—22修改日期:2015—12—01 以往一些基于软件定义无线电(software defined radio,SDR)的实验设计中,有的主要侧重通信原理的 基金项目:北京高等学校“青年英才计划”项目(96254010);北京市电子 信息类专业群共建项目 作者简介:邢鑫(1991一),男,山西大同,硕士研究生,研究方向为无线 局部基本概念 ],诸如调制方式、载波同步等;有的只 传输技术和无线信号处理 E-mail:bupt xingxin@163.com 针对特定的通信场景 ,适用专业有限;有的所用平台 不通用 。基于LabVIEW和USRP的软件无线电通 通信作者:赵慧(198O一),女,山西临汾,博士,副教授,研究方向为无线 信实验平台是一个基于实际系统标准协议编写的完整 收发链路,更接近真实通信设备。由于采用通用平台, 它的适用性更广。通过此平台的实践,学生不但可以 通信信号处理. E-mail:hzhao@bupt.edu.ca 邢鑫,等:基于LabVIEW和USRP的软件无线电通信实验平台设计 学习到信源和信道编码、CDMA、OFDM和MIMO等 现代通信技术,还可以学习信道建模与仿真、信道估 计、时频偏纠正、典型通信系统物理层链路开发等内 基带数字信号处理模块和真实的射频信号收发模块组 成。该实验平台的软件是基于最新一代无线局域网通 信标准IEEE 802.1lac物理层协议编写的,可以实现 Gbps级的峰值速率。该实验平台的实物包括1台普 容。而该平台的软硬件实验内容既有选单方式可供学 生灵活选择,又有很好的开放性可让学生自主添加,以 满足学生的个性化实验需求。 软件无线电通信实验平台以可编程的硬件作为通 用平台、用可重配置的软件实现各种无线电功能的设 通计算机(PC)和2台USRP。无线信号发送端由运 行于PC上的Transmitter模块和1台USRP组成;接 收端由运行于PC上的Receiver模块和另1台USRP 组成。 计。通过更新软件可以兼容多种无线通信制式,具有 方便参数配置、能全方位观察各模块信号的优势。本 2.1无线信号发送端 平台利用LabVIEW软件进行软件编程,选用NI公司 的USRP(universal so{tware radio peripheral,通用软 件无线电外设)平台实现基带信号和射频信号之间的 转换。USRP收发器配合LabVIEw强大的数据处理 能力,为开发基于软件无线电的实时系统创造了条件。 LabVIEw的一大优势是支持混合语言编程,这就意 味着开发人员可以很容易地重用已有代码(C语言代 码、Matlab脚本等)而不必对代码本身进行过多的修 改,这大大降低了代码移植的难度。 IEEE 802.1lac的物理帧结构如图1所示。物理 帧前导码中的L-STF、L-LTF和L-SIG子域主要是为 了后向兼容以前的协议版本而存在的,分别表示传统 IEEE 802.1lac设备可识别解析的短训练序列、长训 练序列和信令信息;VHT—SIG—A和VHT-SIG—B表示 IEEE 802.11ac设备(VHT设备)可以识别和解析的 信令信息;VHT—STF和VHT—LTFs表示VHT设备 可以识别解析的短训练序列和长训练序列。物理帧数 据域进一步由SERVICE域,PHY服务数据单元PS— DU、PHY填补比特以及拖尾比特4部分组成。 2软件无线电通信实验平台的组成 软件无线电通信实验平台主要由基于软件开发的 L—STF l L—L』TF I L—SIG lVHT—SIGAl VHT—STF I VHT—LTFs lVHT—SIGB ——Y 前导码 数据域 图1 IEEE 802.1lac物理帧结构示意图 平台支持协议在20 MHz带宽下可用的全部 MCS方案,设计并实现了扰码、信道编码、CRC校验 编码、交织、调制、插导频、循环移位、相位旋转、OFDM 收端,首先采集空间的无线信号并存人环形储存器中, LabVIEW通过相应的驱动程序读取环形储存器中的 数据并进行帧检测、时偏和频偏估计与矫正、信道估计 与均衡、信令解析、数据还原等一系列无线信号解析操 作,以还原信源信息。 (1)帧检测。平台使用软件定义的阈值接收并配 调制、循环前缀、脉冲成形滤波等一整套基带数字信号 处理模块,每个数字信号处理模块均被封装成子VI 的形式并对外提供了清晰的接口,以方便后续的扩展 和修改。LabVIEw通过驱动程序将生成的基带信号 写入NI—USRP的发送缓存,NI—USRP将发送缓存中 合S&c算法Lg]进行IEEE 802.1lac帧的检测。阈值 接收模块能够根据接收功率的大小对信号和噪声做初 步的区分。s&C算法是一种经典的OFDM同步算 法,它利用L—STF的周期性(L-STF序列可视为16位 长的序列的10次重复)来完成系统的初步定时同步和 的基带信号加载到射频并发送出去。 除实现了一系列数字信号处理模块之外,平台还 提供了一些方便用户调试程序的控件,这些控件可以 图形化显示各个基带数字信号处理模块的输入和输出 (见图2)。例如,用户可以察看基带信号生成过程中 各种参数的配置、生成信号的理想时域波形,并跟踪扰 码器、编码器的状态等。 2.2无线信号接收端 频偏估计。 (2)时偏和频偏的估计与矫正。帧检测算法不仅 可以检测出IEEE 802.1lac的信号帧,还能够初步估 计出接收信号的时偏和频偏。精确的时间同步是基于 帧结构中的L—LTF序列完成的。L—LTF序列是一个 特定64位长序列的2.5次重复,用L—LTF序列与接 平台在进行无线信号接收时,USRP作为射频接 164 实验技术与管理 新型通信实验平台设计的实验中,学生可以选用自己 更熟悉的语言(C语言或者Matlab脚本)进行信号处 理模块的设计,这大大提高了学生的实验效率。另外, 基于LabVIEW和USRP开发实验,也有一些国外大 参考文献(References) Eli王根英.通信原理实验内容与培养高质量综合性通信专业技术人才 关系的探索[J].教育教学论坛,2014(52):117-118. 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[9]Schmidl T M,Cox D C.Robust frequency and timing synchroniza— tion for OFDM rJ_.IEEE Transactions on Communications,1997, 45(12):1613—1621. 够更深入地理解学到的通信知识,提高动手搭建通信 系统的能力,还能够在实验中体会到基于真实无线通 信的乐趣,并且接触到通信领域的前沿技术和理念。 在新型通信实验平台上设计的系列实验有助于开拓学 生的视野,为他们未来的科学研究和工程实践打下良 好的基础。基于LabVIEw和USRP的软件无线电通 信实验平台,不仅可以为“通信原理”、“移动通信”等相 关课程进行配套实验开发,为学生的工程训练、综合设 计提供软硬件平台,还可以进一步拓展,开发出信号发 FlO]Moose P H.A technique for orthogonal frequency division multi— plexing frequency offset correction[J].IEEE Transactions on Communications,1994,42(1O):2908—2914. [¨]金宁,金小萍,史济刚.IEEE 802.1la的OFDM系统帧检测研究 [J].中国计量学院学报,2005,i6(4):275—278. [12]熊建设,石雷,徐洪梅.基于软件无线电的802.1la OFDM系统实 生器、频谱分析仪等虚拟仪器设备。将信号库中的信 号与射频前端连用,可生成各种标准的无线射频信号, 现口].中国海洋大学学报:自然科学版,2006,36(5):795—798. 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