基于软件无线电平台的无线通信信道测量系统设计

2015-04-17厦门大学信息科学与技术学院厦门361005

山东工业技术 2015年2期

夏　鹏（厦门大学信息科学与技术学院,　厦门361005）

夏鹏
（厦门大学信息科学与技术学院,厦门361005）

摘要：无线信道是无线通信系统研究的基础。而研究无线信道的最有效的方法就是进行实地信道探测实验。目前国际上在信道测量和建模的研究较为深入，但是我国在该领域的研究尚处于起步阶段。本文基设计了一种基于软件无线电平台（USRP）的无线通信信道测量系统，为无线通信系统的网络规划提供实测依据。

关键词：USRP；信道测量；无线通信；路径损耗

无线通信系统的性能主要受到无线信道的制约，鉴于无线信道对于无线通信系统设计的重要性，任何无线通信系统在被研究、采纳和应用之前，首先应该对无线信道的各种特征参数做出详细的分析，建立合理的信道模型。无线信道测量是了解信道特征的最直接途径。通过信道测量我们可以“捕捉”无线信道的各种特征行为，从这些行为中抽象出表征它们的关键参数，由此建立的信道模型具有较高的可靠性，可以为通信系统的仿真和评估提供依据。本文设计了基于软件无线电（USRP）的无线信道测量系统，主要是包含信号发射源系统、基于USRP的信号接收系统、测量实验数据的处理。

1　信号发射源系统

1.1 信号源系统的硬件

本文研究中实验测量的信号源硬件主要包括：7.4V高性能锂电池、STM32F103YL-8最小系统板、YL-100T信号模块、433M天线。

1.2STM32F103 YL-8最小系统板

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M内核。F103系类板嵌入了ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。采用了从32K到512K字节的闪存程序存储器。系统模块带有8个定时器。YL-8是一块功能较为齐全的单片机开发板，这里利用定时器中断产生周期性脉冲信号。

1.3 YL-100T信号模块和天线

YL-100T是无线采集，无线数传和无线收发模块。YL-100T是一款高稳定性，低功耗，高性价比的采用GFSK调制方式的无线透明数据收发模块。它不改变任何数据和协议，完成无线传输数据功能。该模块相对一般模块具有尺寸小，灵敏度高，传输距离远，通讯数率高，内部自动完成通讯协议转换和数据收发控制等特点。

2　基于USRP的信号接收系统

USRP硬件平台基本结构主要是由两个部分组成，包括母版和射频前端，核心器件就是母版。USRP-N210母版包含两路100MS/s14-bit的模数转换器(ADC)和两路400MS/s16-bit的数模转换(DAC)，还有一块赛灵思Sparten-3A系列FPGA芯片和一个ETHERNET(1Gb/s)接口。其中FPGA主要是做一些非常重要的但是计算量又非常大的输入信号的预处理工作。

USRP母板通过ETHERNET(1Gb/s)接口与普通PC机相连接，PC机部分主要是完成基带处理功能。在发送端USRP中FPGA对信号进行内插，上变频到中频频段，并最终通过DAC进行数模转换，然后由子板形成射频信号并通过天线发送；在接收端，通过模数转换将信号转换FPGA能够处理的信号，同时在FPGA中完成数字下变频和信号的抽取，使通过ETHERNET接口的数据率大大降低，以便普通的PC机处理。

每个主板可以安装最多四个子板：两个接收，两个发射。Ettus Research为这些子板配备了多个系列，覆盖从直流到5.9GHz整个频率范围。本文研究中使用的子板类型是SBX，支持复采样的子板（频率覆盖范围为400MHz至4.4GHz）。

USRP硬件平台需要依靠GNURadio信号处理方案在主机CPU上完成所有时域、频域波形相关的处理。GNURadio是一个开源的软件定义无线电平台。它提供许多通用软件无线电需要的库，其中包括各种调制方式（例如：GMSK,QAM,PSK,OFDM等）、信号处理模块（最优滤波器、FFT、均衡器、定时恢复）、纠错码（R-S码、维特比码、Turbo码）和系统调度等。

本测量系统中采用的是基于Ubuntu12.04的Linux系统下的GNU Radio软件模块。它提供一整套信号处理模块库，并架起了将用C++程序语言编写的信号处理模块连在一起的桥梁。GNURadio是一个很灵活的系统，允许用户使用C++或者Python开发应用程序。因此，开发者能够简单快速的构建一个实时、高容量的无线通信系统，而所有高速通用操作都在FPGA上完成，比如数字上下变频、抽样和内插等。

3　实验测量以及数据处理

本文的实验测量主要是利用USRP硬件平台来测试接收到的无线信号源的功率大小与距离的关系以构建无线信道的损耗模型。GNU Radio软件平台里面现有的uhd_fft的Python模块可以直接测量并显示接收到的信号经过fft变换后的频谱图，只需要将fft计算的C++模块得到的相关频谱数据保存下来，然后在Matlab里面处理，就可以计算信号在有效带宽范围内的功率值。根据信号处理的理论，fft运算的结果是一个包含实部和虚部的复数，如，各个分量的功率计算为：信号源的总功率即为各分量功率和。