基于USRP和LabVIEW的调频鉴频仿真平台开发

赵宝乐，姬五胜，段 扬，陈建敏

（1.天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222；2.天津市静文高级中学，天津 300392）

软件无线电是以数字信号处理为核心，在一个通用的平台上集成模块化硬件，并采用软件编程技术来改变传统意义上的纯硬件电路技术[1-3]。基于LabVIEW和通用软件无线电外设（universal software radio peripheral，USRP）的调频鉴频虚拟仿真实验平台，采用模块化设计思想和CS网络架构设计，将平台划分为客户端、服务器和本地硬件[4-6]，实现的调频鉴频实验基于USRP的通信系统，包括软件和硬件两部分。其中，硬件以USRP为基础，设计了相关的信号发射机和接收机[7-8]。目前，大部分院校仍使用传统的模拟实验箱设备，开展的是验证性实验，学生无法深入了解通信实现的全过程，不利于学生创新能力和实践能力的培养[9-10]。部分院校开设了基于软件无线电平台的通信原理实验，有的侧重于通信原理的局部基本概念，诸如调制方式、载波同步等[11-12]；有的只针对特定的通信场景[13]，适用专业有限；而有的所用平台不通用[14-15]，导致在实践教学中无法推广。无线数据传输系统虚拟仿真实验利用LabVIEW和USRP实现基带信号和射频信号之间的转换，构建无线数据传输系统，有效减少实验设备投入[16-17]。由于采用通用平台，其适用性更广。本文重点介绍频率调制（frequency modulation，FM）和FSK调制解调系统设计的一般步骤原理和应用方法，利用LabVIEW进行FM调制及解调通信系统开发设计流程和系统仿真设计验证工作；然后进行有效的FM调制和解调系统开发，构建“真实”的通信系统。

1 基于USRP和LabVIEW的虚拟仿真平台

USRP是定义的无线电硬件平台，通过千兆以太网端口连接到主机，板上使用的芯片可以在中频数模单独转换。芯片可以将中频信号传输到基带，自动将高频信号直接传输到上位机。USRP主要工作频段为50 MHz～2.2 GHz，包括射频发送音频以及射频接收视频2个不同的数据通道，根据不同种类的硬件类型，无线电发射器或接收器也可以使用相同频率的USRP。

LabVIEW是简单易操作的计算机图形学编程语言，广泛应用于各种场景，作为通用的数据信息采集和检测方法以及仪器软件的分析语言，在分析领域的各种专业应用中都接受了其常规方法。LabVIEW是连接终端用户的工具，具有多功能、多类型通信接口和多种库功能，可以快速直观地配置仪器并直接控制外部输入输出设备，方便快捷地使用各种交互式控件、菜单模块和功能模块，轻松编程各种仪器，实现虚拟平台仪器仿真系统设计[18]。USRP和LabVIEW虚拟仿真平台结构原理图如图1所示。

图1 平台原理图

本平台使用LabVIEW进行软件系统应用编程操作，USRP实现无线基带信号与射频信号之间的数据传输。USRP无线收发器系统结合LabVIEW的多功能无线数据传输处理能力，为软件定义无线应用的实时系统软件开发项目创建重要的环境。

2 调频鉴频虚拟仿真实验

FM调制是指一种可根据载波基带信号强度的频率变化自动改变载波调制频率值的载波调制方式。

2.1 调频鉴频实验原理

（1）FM频率调制

未调制时的调频电路输出电压uC可表示为

式中：ωc为瞬时角频率；（ωct+φ0）为已调信号的瞬时相位；Um为载波振幅。

当输入调制信号uΩ（t）后，调频信号的瞬时角频率ω（t）将在ωc的基础上按照uΩ（t）的规律变化，kf为由调频电路所决定的比例常数，即

式中：Δω为瞬时频偏。

经过一个简单的积分器，频率调制可以被简化为相位调制。FM调制信号可表示为

（2）FM频率解调

FM解调是调制的逆过程，原理是从接收的已调信号中恢复原基带信号，对已调制的信号进行运算。

2.2 NI USRP与LabVIEW网络连接（1）硬件要求

一个千兆以太网端口的计算机与USRP设备连接，需要天线、千兆以太网电缆、USRP通用电源变压器。

（2）软件要求

使用NI LabVIEW驱动程序调用LabVIEW调制工具包和LabVIEW数字滤波器工具包。配置电脑IP地址为：192.168.10.1，子网掩码为255.255.255.0。打开网络和共享中心——更改适配器设置——以太网属性——TCP/IPv4。工作频率为50 MHz～2.2 GHz。

2.3 频率调制发送程序设计

FM调制发送端：LabVIEW编写上位机程序对参数进行设计，在device name窗口配置电脑IP地址后，将设备名称地址与USRP的IP地址设置一致，为192.168.10.2，active antenna是USRP-2920的 天 线选择端。在前面板设置USRP的载波频率为180 MHz，将增益值设置为10 dB，number of samples是USRP的采样点数，设置窗口为20 000。FM发送端程序框图如图2所示。

图2 FM发送端程序框图

在NI-USRP Configure Signal.vi中，将IQ采样率设置为2k（Samples/s），IQ rate必须大于中频的2倍，本振频率是空中需要发送的频率，将天线选择端设为TX1，发射端的参数设置为载波频率200 MHz。调制完的FM信号通过USRP发送到空中，将调频调制信号直接发送USRP，然后通过USRP对信号进行数字/模拟等转换后，再将无线信号发送到空中。在该程序中，基带信号和中频信号被生成并将其相乘，以获得调频调制信号。

2.4 调制接收程序设计

FM调制接收端波形图如图3所示。打开FM接收端界面，设置设备地址与发送端一致，程序正常运行调试过程中，如果运行出错，会在程序“错误输出”的显示主界面显示错误代码和相应程序的错误信息描述。运行发送端和接收端程序，可以观察发送端和接收端的波形图；在FM接收界面中，有3个波形图表，黑白图形为解调出最原始的波形，左上角图形为经过复数至实部虚部转换变化后，形成的已调信号的波形图，右上角图形为经过FFT Power Spectrum and PSD.vi转化而成的波形图，调整发送端和接收端载波频率，观察接收端的波形变化。

频率解调也是调制过程中的一种逆变过程，将接收的FM已调信号通过相位解调器，借助USRP设备内部IQ解调器实现，经过求导运算，还原出基带信号。

2.5 FM调制仿真实验结果

（1）验证程序编写的正确性

发送端将IP地址设置为192.168.10.2，发送界面的载波频率设置为180 MHz，将增益设置为10 dB，输入的范围为0～30 dB，采样点设置为200 000，各项参数设置如图3左侧所示，FM发送程序调制信号如图4所示。在程序运行后设备能持续运行，且在发送端面板上能够观察到信号正确的波形。

图3 FM接收端波形图

图4 FM发送端调制信号

（2）验证接收端的正确性

设置设备IP地址，与发送端参数一致，接收端设置天线为RX2（发送端天线为TX1），界面显示的是经过程序解调出的调制信号，接收界面载波频率同样为180 MHz。

（3）运行发送端和接收端

USRP结合LabVIEW的虚拟仿真实验如图5所示。

图5 USRP结合LabVIEW的虚拟仿真实验

程序FM调制发送端前面板和接收端前面板（包括设备名称、载波频率、增益及波形图）进行对比，在前面板改变基带信号的频率，可以观察到FM调制波形所产生正确的波形变化，能够观察到正确的解调波形。由此可以得出，发送调制信号的波形和接收信号的波形一致，表明实现了解调。

2.6 FSK调制发送程序设计

通过编码模块将二进制文本流变成二进制比特流，然后再将二进制比特流映射成为二进制符号流，接下来通过脉冲成形滤波器将符号变成复基带波形，复基带波形依次通过数字上变频器和数模转换器，形成模拟基带信号，最后通过射频前端将模拟基带信号发射出去。

LabVIEW编写程序设置参数，设备名称地址与USRP的IP地址一致，为192.168.10.2，将天线设为TX1，载波频率为1.20 GHz，增益值设置为10 dB。信道设置窗口将信道模型设置为AWGN。

调试显示中，打包持续时间为1.456 m/s，强制IQ速率为1 M，码元速度为250 kHz，信号星座图、信号眼图和信号IQ波形与FM调制类似。FSK调制发送端发送的文本为一段由“0”和“1”组成的代码，FSK调制程序框图主要包括初始化、调制、脉冲成型、信道设置、生成图像、传输和传输关闭。FSK调制发送端程序框图如图6所示。

图6 FSK调制发送端程序框图

2.7 FSK解调接收程序设计

接收过程与发射过程相反，通过射频前端将高频信号变成模拟基带信号，然后依次通过模数转换器和数字下变频器将模拟信号转换成复基带信号，通过匹配滤波器将信噪比最大化，抽样判决将符号变成比特流，最后将比特流解码成文本。

FSK解调接收端界面硬件设置与发送端一致，打开调制设置，改变调制方式、采样因子、采样率、滤波器参数、滤波长度和脉冲成型滤波器。同步设置界面，同步方式设置为定时估计，码元定时恢复算法为最大能量算法，帧检测算法为自相关。最后在调试界面，强制载波频率为100 kHz，强制IQ速率为100 K，强制增益和强制带宽均为0，FSK解调界面右侧显示的接收文本数据与发送端发送的数据一致。FSK解调接收程序框图主要包括初始化、信号侦测、接收和关闭会话。

2.8 FSK调制解调仿真实验结果

发送端和接收端同时运行，FSK调制发送端前面板和FSK解调接收端前面板（包括设备名称、载波频率、增益）进行对比。程序运行过程中，子程序显示当前参数变化。在发送端程序框图界面改变传输的文本，直接从已调波的幅度中恢复出原数字基带信号，FSK解调接收端所接收的文本与图6发送端发送的文本进行对比可知两端的文本信息一致，信号星座图、信号眼图和信号IQ波形仿真结果与理论分析内容一致，解调电路正确解调出信号，表明FSK解调实现。

3 结语

本平台以LabVIEW软件和USRP硬件相结合的方式，实现典型的模拟通信、数字通信虚拟实验，构建起直观的、可以看得见的通信系统，构建出实际需要的模拟通信和测试技术系统，实现模块的更改，并对平台的功能进行扩展和延伸，获得新的实验体验。除了本实验以外，还可以实现模拟调幅和检波虚拟仿真实验、USRP与Matlab联合通信原理实践教学，构建BPSK/4-QAM数字调制与脉冲成型滤波、BPSK/4-QAM数字解调接收等虚拟仿真实验，信道编码、信道均衡和同步技术等虚拟实验，以及实现从理论到实践的探究性实验，包括正交分频复用系统（OFDM）、4G/5G移动通信系统实验等。