基于LabVIEW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)



基于LabVIEW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)

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IEEE802.11ac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。

通信实验平台； 软件无线电； 实验教学；LabVIEW；USRP；IEEE802.11ac

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[1-3]。

1　软件无线电通信实验平台的特点

以往一些基于软件定义无线电(softwaredefinedradio，SDR)的实验设计中，有的主要侧重通信原理的局部基本概念[4-6]，诸如调制方式、载波同步等；有的只针对特定的通信场景[7]，适用专业有限；有的所用平台不通用[8]。基于LabVIEW和USRP的软件无线电通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。本平台利用LabVIEW软件进行软件编程，选用NI公司的USRP(universalsoftwareradioperipheral，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。

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IEEE802.11ac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。

2.1无线信号发送端

IEEE802.11ac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IEEE802.11ac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IEEE802.11ac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PSDU、PHY填补比特以及拖尾比特4部分组成。

图1　IEEE 802.11ac物理帧结构示意图

平台支持协议在20MHz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

平台在进行无线信号接收时，USRP作为射频接

收端，首先采集空间的无线信号并存入环形储存器中，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合S&C算法[9]进行IEEE802.11ac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IEEE802.11ac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

图2　平台发送端用户界面

收到的信号进行互相关运算，便可获得精同步的定时度量曲线。图3所示为某一帧信号的精同步度量曲线，根据曲线中出现的尖锐峰值便可精确判定一帧信号的时偏。

平台使用的频率偏移估计算法是P.Moose算法[10]，P.Moose算法是一种最大似然的频偏估计算法，可以捕获误差不超过1/2个子载波间隔的频率误差。在系统已经精确定时的前提下，该算法能够准确判定出系统的频偏。

图3　某一帧信号的精同步定时度量曲线

(3) 信道估计和频域均衡。平台当前使用最小二乘估计算法(leastsquares，LS)配合帧结构中的L-LTF序列进行信道的估计。LS算法的实现复杂度低，在无线环境相对简单的情况下有不错的性能。将LS算法估算出的信道响应序列经FFT操作变换到频域进行频域均衡，就能够消除无线信号在信道中传输时引入的误差。

(4) 信令解析和数据还原。接收到的无线信号经过频偏和时偏的校正以及信道均衡后，就可以用来进行信令和数据的解析了。IEEE802.11ac物理帧中信令部分的调制编码方式是已知的，根据已知的调制编码方式可以解出帧信号的信令，然后经过CRC校验并判断信令解析是否正确。正确解析的信令中包含数据域部分所使用的调制编码方式等信息，根据这些信息就能够还原出帧无线信号所承载的信源数据。

同样，平台也提供了用户界面来图形化显示接收端各个基带模块的输入和输出，如图4和图5所示。例如，用户可以察看接收信号的时域波形、解调信号的星座图、译码后恢复的信源信息(图中显示的是文本信源)等。

图4　平台接收端用户界面之时域波形显示

图5　平台接收端用户界面之解调信号星座图展示

2.3软件层仿真平台

新型通信实验平台还包含一个完全基于软件的仿真程序，可以不借助USRP，仅在一台主机上运行，从而为用户进行初期信号处理算法设计和简单的性能分析提供了方便。在设计上，软件层仿真平台的信号发送端与接收端与真实信号收发平台类似，但不会经过USRP传入真实的无线信道，而是将基带信号传入软件设计的信道模型，这个信道模型可以模拟信号经过信道时引入的多径效应、频率偏移、加性噪声、时偏和大尺度衰落等。

3　基于新型通信实验平台的实验设计

基于新型通信实验平台，可以针对通信系统的各个组成部分，灵活地设计一系列实验课程。

在信源端，新型通信实验平台提供了多种信源生成方案，包括随机生成0/1比特流、获取本机中的文本和图像、采集环境中的信息等。例如可以利用LabVIEW提供的声音采集函数设计声音信号的采样和量化实验、信源压缩编码(哈夫曼编码等)实验。

在信号发送端，平台支持扰码、信道编码、交织、调制、插导频、循环移位、相位旋转、OFDM调制、加保护间隔、脉冲成形滤波等一系列经典的数字信号处理实验设计。各个信号处理模块都是相对独立且明确定义接口的，它们对学生来说是实现特定功能的“黑盒子”。学生可以用自己编写的模块替换平台现有模块；可以结合平台的接收端进行正确性验证；或者与被替换模块的输出进行对比，以定位和分析可能出现的错误。

不同于传统通信实验平台，在信号接收端，新型通信实验平台不仅支持解扰、解码、解交织、解调、导频移除、相位旋转恢复、OFDM解调、匹配滤波器等经典数字信号解调实验的设计，还提供了包括帧检测、时间同步、频率同步、信道估计和均衡等真实通信系统必不可少的模块作为扩展实验。这些扩展实验有多种实现算法和思路，学生可以对比每种算法的性能并分析产生这些性能差异的原因。

除设计基于平台自带模块的实验外，新型通信实验平台还支持对已有模块的重新定义和修改。例如，IEEE802.11ac协议中规定使用的信道编码方式为BCC(binaryconvolutionalcode)，学生可以用自己编写的信道编解码模块替换平台中的BCC编解码模块，搭建自定义的通信系统。

4　新型通信实验平台的优势

新型通信实验平台的优势主要体现在以下方面。

(1) 基于新一代WLAN协议标准编写。新型通信实验平台主要基于IEEE802.11ac协议编写，该协议是IEEE制订的新一代超高速无线局域网通信标准，包含了无线通信系统中典型的帧结构设计和物理层处理流程。在智能终端普遍接入Wi-Fi上网的背景下，通信实验中引入IEEE802.11ac协议和软件无线电的概念，不仅能够进行通信原理课程教学，还能帮助学生了解和掌握前沿的通信知识、开拓视野，为他们的科学研究工作打下基础。

(2) 实现了真实无线传输，实验结果更具说服力。基于传统通信实验平台设计的实验一般会输出误码率、接收星座图等来验证实验结果的正确性，但生成的信号并不经过真实的无线信道传输。新型通信实验平台实现了真实无线信号的收发，通过发送端信源数据与接收端解调数据的比较，学生可以直观地验证实验结果的正误，提高了实验结果的说服力。

(3) 学习成本低，学生可集中主要精力学习通信知识。新型通信实验平台是基于LabVIEW开发设计的。LabVIEW是一种图形化编程语言的开发环境，其图形化的界面和基于数据流的编程方法使编程的过程变得清晰、简单。LabVIEW的内部集成了包括矩阵运算、数组操作在内的许多现成函数可供用户调用，为学生自行设计信号处理模块提供了方便。

(4) 容易扩展。新型通信实验平台依据模块化的编程思想设计，各个模块定义了明确的接口和功能，学生可以通过修改某些模块的实现算法而对平台的功能进行扩展。

(5) 支持混合语言编程，方便利用已有资源。在传统的通信实验中，学生往往需要熟悉一种编程语言或仿真方法。LabVIEW支持混合语言编程，在基于

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，也有一些国外大学的资料可供借鉴[11-13]。

(6) 更容易激发学生的实验兴趣。新型通信实验平台提供了文本传输、语音信号传输等功能，学生在实验过程中可以基于实验平台进行一些交流互动。学生还可以自主设计新的信号处理模块、更新平台功能、搭建自定义的通信系统。

5　结语

基于LabVIEW和USRP的新型通信实验平台提供了一种全新的实验模式。学生在实验过程中不仅能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，帮助无线研发和制造人员对下一代无线通信产品进行设计和测试。

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DesignofexperimentalplatformforwirelesscommunicationbasedonLabVIEWandUSRP

XingXin,ZhaoHui

(SchoolofInformationandCommunicationEngineering,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China)

Aimingatcultivatingstudents'abilityofpracticeandinnovation,andimprovingtheefficiencyofexperiment,anewcommunicationplatformwasdevelopedbasedonsoftwaredefinedradio.ThewirelesssignaltransceiverisdesignedaccordingtotheIEEE802.11acPHYprotocol,bywhichbothsimulationandrealRFsignalaresupported.Differentfromtraditionalexperiments,aseriesofnewcommunicationexperimentscanbedesignedonthenewplatform,notonlyfortheprincipleverificationofcoresubject,butalsoforsystemdevelopmentofwirelesscommunication.

communicativeexperimentalplatform;softwaredefinedradio;experimentalteaching;LabVIEW;USRP;IEEE802.11ac

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.041

2015- 10- 22修改日期：2015- 12- 01

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

邢鑫(1991—)，男，山西大同，硕士研究生，研究方向为无线传输技术和无线信号处理

E-mail：bupt_xingxin@163.com

赵慧(1980—)，女，山西临汾，博士，副教授，研究方向为无线通信信号处理.

E-mail：hzhao@bupt.edu.cn

TN85

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1002-4956(2016)5- 0160- 05