基于LabVIEW-USRP的直接序列扩频通信系统仿真实验

李 毅, 杨 栋, 李晓辉

(西安电子科技大学 通信工程学院, 陕西 西安 710071)

传统的通信系统实验平台往往趋于两个极端：一种平台完全以硬件板卡实现,没有二次设计开发功能,学生只能在指定测试点接入仪器进行波形或频谱观察；另一种平台采用Matlab/Simulink、SystemVIEW等进行纯软件仿真。前一种方式虽使学生对真实通信系统有直观体验,但难以对底层理论有深刻理解；后一种方式则偏重于数学模型的建立与验证,但缺失了对通信系统实验的工程性支撑。将可编程的PC端通信仿真软件与软件无线电平台结合起来,构成半实物实验系统,可以将模型建立、原理的仿真验证、与通信系统的硬件工程有效结合起来[1-4]。

本文利用美国国家仪器公司(NI)的LabVIEW图形化编程语言[5]和通用软件无线电平台(USRP)[6],完成直接序列扩频(DSSS)通信系统的设计、数据帧结构设计、BPSK调制与解调实现方案的设计等,并给出了流程框图、实现过程、功能界面、性能仿真测试与测试结果。所开发的仿真实验避免采用复杂的可编程门阵列(FPGA)开发技术[7-9],为扩频通信领域教学、科研和快速开发提供了可扩展的解决方案。扩频通信技术在抗窄带噪声等方面具有传统无线通信方式所不可比拟的优势,因此在卫星通信、GPS定位、移动通信以及军事抗干扰通信等领域具有广泛应用[10]。

1 直接序列扩频通信系统原理

直接序列扩频通信系统的宽带传输与伪随机码具有优良的特性,因而可在很低的功率谱密度下实现抗干扰通信。

仅做基带等效系统原理推导,扩频信号s(t)可以写作

s(t)=a(t)b(t)

其中a(t)为待传输的双极性二进制数字信号波形,b(t)为扩频码信号波形[11-12]。

相关解扩是利用本地产生的扩频码与接收信号进行相关运算,用R(τ)表示,即

R(τ)=E[b(t)br(t+τ)]

其中τ为所取两个时间点的间隔,br(t)为本地参考扩频码波形,E[x(t)]表示求x(t)的均值。

若采用相干解调,在不考虑噪声与等效信道冲击响应影响的条件下,解扩信号为

s′(t)=E[a(t-Td)b(t-Td)br(t-Td)]

其中Td为信号传输过程中产生的随机时延,E[x(t)]表示求x(t)的均值。

根据扩频码的性质有

E[b(t-Td)br(t-Td)]=1

可得

s′(t)=a(t-Td)

即发射的扩频信号在经过相关解扩后,可以恢复出原始的传输信号。

直接序列扩频通信原理如图1所示。

图1 直接序列扩频通信原理框图

(1) 由编码器输出码元的持续时间为Ta的数据流a(t)；

(2) 扩频序列产生器产生速率较高的伪随机序列b(t),其码元宽度为Tb；

(3) 扩频器根据扩频序列对a(t)与b(t)做乘法或模二加运算,进行直接序列扩频,产生一个与伪随机序列速率相同的扩频信号c(t),此时原信源信号频谱带宽会得到扩展；

(4) 载波调制模块能够对扩频后的信号进行载波相位键控调制；

(5) 发射机模块完成滤波、功率放大等；

(6) 接收机模块完成滤波、低噪声放大、自动增益控制等,恢复出所传信号d′(t)；

(7) 扩频解调模块将与发送端完全相同的伪随机序列b(t)和扩频信号d′(t)做乘法运算或模二加运算完成解扩,将信号的频带宽度恢复为与编码后a(t)相同的c′(t)；

(8) 载波解调模块完成基带解调、时频同步等,恢复出所传信号a′(t)；

(9) 完成物理层帧解析、译码等,从而实现信息传输的整个过程。

2 直接序列扩频通信实验仿真系统构建

2.1 硬件系统介绍

基于USRP的软件无线电平台由一台NI USRP-2920和运行在计算机上的LabVIEW编程环境构成,两者通过千兆以太网相连。在发射端,计算机通过LabVIEW实现编码、调制等功能,经过USRP-2920进行处理,再通过天线发射出去；在接收端,天线接收到信号,经过USRP-2920传送到计算机,再用LabVIEW实现解码、解调等功能。

2.2 数据帧结构设计

原始信息产生模块对待发送的文本是否为空进行判断,如果待发送的文本不为空,则将文本转换为比特数据,否则产生随机PN序列数据。随后,给产生的序列添加保护比特、同步比特与填充比特。数据帧结构为保护比特16 bit,同步20 bit,数据段≥1 bit,填充16 bit。其中,保护比特为接收机、PLL、滤波器等预留初始化时间；同步比特用于帧和符号的同步；数据段是长度可变的数据区域,可以传输1比特以上任意长度的数据；填充部分用于滤除系统中滤波器引起的边界效应。

实验设计中选用15位的m序列作为扩频序列进行扩频调制,并采用BPSK(二进制相移键控)调制方式进行载波调制。

2.3 系统总体框图

在设计的系统总体框图中，包括原始信息产生模块、发射模块、信道模块、接收模块、误比特率计算模块等。

原始信息产生模块按照保护比特等要求,生成所需的待发送比特序列；

以二维空间中6个样本点(包含3个继承点)为例，对继承拉丁超立方采样过程进行具体描述，如图1所示。首先，将设计空间的每一维度划分为6个区间，移除继承点(黑色圆点)占据的空白网格，形成新采样空间(缩减的设计空间)。将新采样空间的每一维度划分为3个区间，并用拉丁超立方采样选取3个样本(如图1b)。最后，将此3个拉丁超立方样本映射到图1a中的阴影区域，最终生成的样本集既包含了3个继承点，又具备拉丁超立方采样的均匀性。

发射模块对待发送的原始信息比特序列进行扩频、插值、脉冲成形滤波、调制等,生成发送波形；

信道模块为信道部分,分为仿真与USRP两种模式。在仿真模式下,按照设定的干扰强度与信噪比,对发送信号加入干扰与噪声。在USRP模式下,经过USRP进行发送与接收；

接收模块对接收到的信号进行匹配、滤波、抽取、解扩、判决、解映射等,恢复出比特信息；

误比特率计算模块按照发送比特序列与恢复的比特序列进行比较,计算出误比特率。

系统总体框图如图2所示。

图2 系统总体框图

2.4 发射模块

在发射模块设计中,首先产生脉冲成形滤波器系数、PSK调制参数与15位扩频码,然后对输入的比特序列依次进行扩频、插值、脉冲成形滤波与载波调制处理。发射模块如图3所示。

图3 发射模块

2.5 接收模块

图4 接收模块

3 基于USRP的DSSS无线发射/接收流程

对于发射机,首先配置USRP参数。发送启动后,发送序列产生模块将发送的文本从ASCII码转换成比特流,发送端将发送比特流按照设定的数据帧格式分段,并加入保护间隔、同步序列、填充比特等信息,再经BPSK调制得到正弦波。然后,发送端通过发射模块产生复波形信号,该携带发送信息的复波形信号的实部经过上变频后,被发送端USRP由天线发送出去。

对于接收机,同样需要先配置USRP参数。接收启动后,信息经过无线信道由接收端USRP的接收天线接收。接收到信息后,通过下变频并重建复波形信号,接收模块将复波形信号恢复为比特信息,然后接收端按照设定的数据帧格式去除保护间隔、同步序列、填充比特等信息,重建原始发送信息。

4 性能仿真

4.1 DSSS与BPSK误码率(BER)性能比较

系统的符号速率设为100 ksym/s。从图5可以看出,DSSS系统误码率与BPSK系统的误码率基本相同,这说明,在信道中仅有高斯白噪声的情况下,扩频系统与无扩频系统的误码率性能相同。

图5 DSSS与BPSK误码率(BER)性能比较

4.2 DSSS与BPSK频谱比较

如图6所示,扩频前信号主瓣单边宽度约为100 kHz；扩频后,信号频谱展宽,主瓣单边宽度约为1.5 MHz,是无扩频信号频谱宽度的15倍,符合理论计算。图6中,信号还没有经过成形滤波器,所以默认按照矩形成形进行频谱分析,可见其频谱轮廓呈SINC函数特征。

图6 DSSS与BPSK频谱比较

4.3 DSSS抗窄带干扰性能

在信道中加入频率为45 kHz的单频窄带干扰(Eb),不同窄带干扰功率情况下的误码率曲线如图7所示。从图中可见,在DSSS系统中,当误码率为0.1、窄带干扰的功率为信号功率的1倍时,与无窄带干扰相比较,Eb/N0从-0.85 dB增加到2.75 dB,增加了3.6 dB；窄带干扰的功率从信号功率的1倍增加到3倍时,Eb/N0从2.75 dB增加到7.5 dB,增加了4.75 dB。误码率总体随着Eb/N0的增加而降低,但是误码率随干扰功率的增大而增大,并且呈现出明显的恶化趋势。在BPSK系统中,当窄带干扰的功率从信号功率的1倍增至2倍时,误码率降低至大约0.13后不再随着Eb/N0的增加而降低。

图7 DSSS抗窄带干扰性能仿真图

5 文本传输实验

5.1 USRP的配置参数

发送端与接收端使用一台USRP,因此发射机USRP与接收机设置为同一个IP地址。系统中采用16倍插值,因此IQ采样速率设置为1.6 MS/s,载波频率设定为438.2 MHz,发射机与接收机的射频增益都设定为30 dB。

5.2 文本传输实验测试

图8为文本传输实验的测试结果。从图中可以看出,发送的时域波形图为经过成形滤波之后的波形,由于采用了平方根升余弦脉冲成形,可见基带波形不是理想方波,而是频带受限的。接收的时域波形与发送的时域波形相比较,有时延且受噪声影响,但是波形大致相同。发送的文本与接收的文本完全相同,说明系统工作正常。

图8 文本传输实验测试

6 结语

利用图形化编程语言LabVIEW在USRP-2920平台上搭建的扩频通信数据传输系统软件无线电实验平台，减少了高校教师进行通信仿真实验设计与开发的工作量,有效地缩短了开发的时间周期,提升了开发效率。应用该实验平台,高校学生可以开展无线通信课程的实践,将抽象的数学理论通过可视化教学案例与实际应用相结合,培养学生开展系统性、综合性与创新性实验的能力。