XSRP平台的TD-LTE物理层协议实验设计

李 安， 杨建文， 王玉皞， 周辉林

（南昌大学信息工程学院，南昌 330031）

0 引言

近年来，无线通信技术日新月异，通信系统日益复杂，系统设计与性能评估越来越困难［1-2］。高等学校里传统的无线通信系统的实验开展主要分为固化的实验箱、纯软件的仿真和购买真实的移动通信系统设备［3-4］。然而固化的实验箱，面临无法扩展、弹性不足的困难，软件仿真存在脱离实际环境过于理想化的情况，而实际的无线通信系统设备价格昂贵，台套数难以满足学生人数众多的需求，难以大规模运用于高等学校的实验教学。

现代的通信实验开展更趋于基于通用软件无线电平台结合科学计算语言、测试测量工程软件实现［5-6］。典型的通用软件无线电平台XSRP［7-8］由软件和硬件两类资源组成：硬件部分包含可用软件配置硬件的射频收发子模块和数字信号处理（Digital Signal Processor，DSP）子模块，并可利用以太网接口与上位机完成即时通信，还具有扩展灵活、使用简单等特点；软件部分基于LabVIEW开发，能够方便调用Matlab程序并以目录树形式呈现实验项目，可以通过软件配置射频参数并图形化显示时域和频域波形，使系统设计和评估变得更加便捷和高效。同时利用XSRP可以快速构建通信系统，并经由真实信道收发，弥补传统无线通信系统实验的不足［9］。

本文基于XSRP 通用软件无线电开发平台，结合科学工程计算语言Matlab，设计并实现了TD-LTE［10-11］物理层协议全流程数据传输。同时，该系统基于软硬件协同，可重构性好，通过上位机可方便观测控制实验过程和配置XSRP。

1 XSRP及工作流程

XSRP软件无线电开发平台是一个通用平台，适用性更广，有2 路射频收发通道，可支持2 天线同时收发，多台同时使用可实现多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）的多天线收发系统设计。XSRP的基本硬件结构包括：射频天线、射频转换器、模数转换器、数模转换器和现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），具体技术参数如下：

（1）硬件平台为“数字基带+宽带射频传输”的结构，其中数字基带必须包括与高速数据总线相连的DSP模块，而不能采用无DSP或DSP为一个独立单元的设计方法。

（2）至少提供1 个RJ45 千兆网口，2 ×2 MIMO射频端口，1 个通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口，1 个通用非同步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter，UART）接口，1 个通用输入／输出口（General Purpose Input Output，GPIO）接口，3 个阴极射线示波器端口，1 个DSP 下载口，1 个FPGA 下载口。工作频段范围为70 MHz ～6 GHz，支持2 ×2MIMO 工作模式，包括高精度12 bit模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC）和数字模拟转换器（Digital to Analog Converter，DAC），通道宽度范围为56 MHz，包含一个128 抽头的有限脉冲响应（Finite Impulse Response，FIR）滤波器，最高发射功率为+16 dBm，发射功率衰减范围为0 ～90 dB（0.25 dB步进），最大接收功率-10 dBm，接收功率可调范围为0 ～73 dB（1 dB步进）。

（3）可利用千兆以太网口实时发送基带同相正交（In-phase Quadrature，IQ）信号到上位机，在上位机上除了完成通信算法的处理外，还可以利用网口发送基带信号到DSP上，完成数据的实时处理

（4）基于LabVIEW 可以方便地使用. m 文件程序，也可以随时调整、优化和重写；能够通过树形方式展示所有要完成的实验，也能够添加（移除）新（过时）的实验项目。实验过程中可在测试点观测、对比输入／输出信号，可图形化地呈现信号的时域和频域波形，并可以在一个窗口同时分组查看、合并比较4 组波形，输出图片格式的波形，也可以在软件界面上设置软件无线电平台的收发射频参数。

XSRP的硬件连接如图1 所示：XSRP通过以太网线与上位机相连，上位机产生信源参数通过以太网口传送给XSRP 的DSP 模块产生已调信号同相／正交（In-phase／Quadrature，I／Q）数据。上位机一方面可以观察已调信号时频特征，另一方面通过以太网线把I／Q 数据传送给XSRP 的FPGA，通过数字上变频（Digital Up-Converter，DUC）和数模变换，经过放大器和发射天线TX将信源发送出去［6］。

图1 XSRP的硬件连接示意图

TX发射的信号经过实际的无线传播信道后，由XSRP的接收天线RX 通道接收，接收信号通过FPGA模块的低噪音放大器、数字下变频（Digital Down-Converter，DDC）和模数转换等处理，产生I／Q 数据，首先通过以太网线将I／Q数据传送给上位机用于观察接收信号的时频特征，上位机再将数据传送给DSP模块，对I／Q数据进行解调等处理，恢复出原始信号。恢复出的原始信号和发送的原始信号可以在上位机上进行对比，对整个物理层协议的性能进行评估。

2 TD-LTE协议实验的实现过程

TD-LTE物理层协议的实验分为发送和接收两个模块［12］，发送模块通过上位机端Matlab软件编程产生原始信源数据流，经过Turbo 编码，正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）调制和正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）调制产生3GPP 标准协议的1 帧基带数据，包括14 个2048 点的OFDM符号和2048 点的循环前缀（Cyclic Prefix，CP），共计30720 点复值数据，然后通过以太网线传输给XSRP的FPGA，按IQ IQ的顺序进行格式转换后通过低电压差分信号（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）接口送到射频模块，经滤波、上采样和混频等处理后由发射天线TX发射出去。相应的，在接收模块中XSRP 通过RX 接收到射频信号后，先经射频模块对接收信号放大、混频、滤波、ADC等输出12 bit数据送到FPGA转换为16 bit的复值基带信号，然后通过以太网线将信号传输给上位机，基于Matlab对信号进行OFDM解调、QAM 解调和Turbo 译码等处理，最后将数据还原出来。发送模块和接收模块框图如图2 所示。

图2 TD-LTE物理层协议实现框图

在整个实验中，上位机端Matlab 软件的控制起到了非常重要的作用，可以用来实时监测信号的时频特性，还可以用于获取数据流、处理数据流和配置XSRP射频参数。

2.1 发送模块的实现

TD-LTE物理层协议实现的发送模块组成［6］如图3所示：将产生的信源按照TD-LTE协议规定插入循环冗余校验码（Cyclic Redundancy Check，CRC）并进行码块分割；然后将每个码块通过Turbo 编码转换成Turbo码，接着每个码块之间进行交织以及速率匹配；最后将码块级联起来组成整个码块，整个码块通过信道交织、加扰产生扰码，通过QAM 调制、导频生成、资源映射将数据映射到频域［13-14］，再进行OFDM 调制和插入导频形成一个完整的发送端帧结构，具体的帧结构如图4 所示。

图3 发送模块框图

图4 帧结构图

以调制子模块设计而言，按照3GPP 标准协议中TD-LTE协议可得，调制子模块可以采用正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）、16QAM、64QAM不同调制方式，对经过加扰后的二进制比特序列调制，从而形成复值调制符号，图5 为上述3 种不同调制方法的星座图［15-16］。

图5 星座图

为了使不同调制方式的平均功率相同而方便比较系统性能，必须对符号的能量进行归一化处理，即确保在统计上任一符号的能量都为1。这里以16QAM 为例阐述如何对符号的能量进行归一化。假设每个符号的发送概率相等，均为1／16，则映射的目的除要求每个符号点的相对位置都正确之外，还必须对每个符号的能量归一化。根据图5 中显示的16QAM的星座图，不难计算出每个符号的平均能量为

表1 和2 所示分别为3GPP协议规定的调制方式传输数据比特序列Bit与IQ映射表。

表1 16QAM算法Bit与IQ映射表

表2 64QAM算法Bit与IQ调制映射表

按照协议规定，通过上位机端的Matlab 编程可以实现QPSK／16QAM／64QAM调制，发送端QAM调制程序如图6 所示。首先将不同的复数值做成一张表，每一种调制方式都对应一张表，根据不同的Bit 值来查表；然后根据调制方式选择QPSK，16QAM 或者64QAM的调制。这样就完成了发送端的调制部分，组合其他小组的模块便可以实现整体的发送端模块。

图6 调制子函数

2.2 接收模块的实现

接收模块由射频接收天线、除导频、OFDM 解调、解资源映射、信道估计和均衡、QAM 调制、解扰、解交织、解级联、Turbo编码和CRC 校验等部分组成，如图7 所示：由射频接收天线接收信号并进行处理，通过去除导频得到OFDM符号；然后经过OFDM解调将时域数据转换成频域数据，接着频域数据通过解资源映射和信道估计得到各天线各信道的插入符号，经过信道均衡使信号加强和易于区分；再将可分离的信号进行QAM解调得到扰码，经过解扰、解交织和解级联等处理后生成Turbo 码，Turbo 码译码后经过CRC 校验无误即可得到原始的数据流。

图7 接收模块框图

以QAM 解调为例，由QAM 调制可知，经过QAM调制的扰码会通过协议规定的映射表转换成一对一对的I／Q值，同理，QAM 解调的原理便是按照调制原理的逆思路进行解调，通过表中每个I／Q 值对应的Bit值将QAM符号转换成一连串的Bit值，这样便完成了QAM解调设计。

3 实验结果和分析

本实验可在室内利用单台XSRP 完成，将每个模块组合起来，发送模块和接收模块联调，构成整体链路。在程序运行前需要通过计算机软件配置XSRP的射频接收天线数、发送天线增益，接收天线增益、载波平率和输出功率等参数。

（1）在理想仿真情况下。无噪声引入，不经过实际射频时的接收信号的星座图和波形图如图8 所示。由图可知，各信号之间区分明显，且幅度值u都比较大，非常有利于接收端的正确判决。

图8 无噪声且配置正常的接收信号结果

（2）存在信道噪声情况下。经过XSRP收发射频模块，射频参数配置正确时的接收信号的星座图和波形图如图9 所示。由图可知，各信号之间虽然存在干扰，但还是区分比较明显，且幅度值u也比较大，并不会对接收信号的判决产生比较大的影响。

图9 有噪声且配置正常的接收信号结果

（3）未正确配置射频参数。经过XSRP收发射频模块，但未正确配置接收端射频参数时接收信号的星座图和波形图如图10 所示。由图可知，由于各个信号挤在一起，无法区分，且幅度值u也比较小，在接收端判决中将无法将各信号分离。

图10 未进行配置的接收信号结果图

4 结语

本文基于XSRP 软件无线电开发平台设计、搭建并实现了TD-LTE 物理层协议实验，该实验利用了XSRP软件无线电平台软件可配置和控制的优势，实现了符合3GPP技术标准的TD-LTE物理层协议，在真实信道环境条件下的快速验证和性能测试。结果表明，利用真实空中环境的软件无线电实验平台新体系可以完全满足移动通信系统原型整体设计需要，并解决了实际信道环境下算法验证和性能分析的问题。该系统应用于实验可以帮助学生更好地掌握通信系统综合设计、通信原理、信号处理等相关知识，未来将进一步将其扩展到5G NR 物理层协议的实验、验证和分析。