基于NI USRP的多模式自适应无线通信实验平台

摘 要： 针对通信领域的教学和科研要求，利用美国国家仪器（NI）公司的通用软件无线电平台（USRP）和LabVIEW编程环境，设计多模式自适应软件无线电实验平台。在描述多模式自适应无线传输原理的基础上，给出了实验平台的实现框图，重点研究了数据包结构设计以及相应的调制识别方法，并给出了详细的实现过程、功能界面和测试结果。所设计的平台能够调整各项传输参数，操作简单，将抽象的数学理论和实际应用相结合，有助于高校学生通过动手实践提高对无线通信系统的认识。此外，还可以在平台的基础上展开无线通信的实践，提高创新意识。

关键词： LabVIEW； USRP； 调制； 识别； 软件无线电

中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）01?0024?03

0 引 言

传统通信领域教学涉及很多抽象的理论学习，学生理解起来比较困难。针对这一问题，美国国家仪器（NI）公司开发了LabVIEW图形化软件开发环境[1]和可重配置的射频硬件――通用软件无线电平台[2?3]（USRP），避免了采用复杂的可编程门阵列（FPGA）开发技术[4]，为通信领域教学、科研和快速开发提供了可扩展的解决方案。

软件无线电的核心是把硬件作为无线通信的基本平台，把尽可能多的通信功能用软件实现。一般来说，软件无线电系统具有较强的灵活性，通过软件的更新、加载可以增加新的功能、适应新的通信模式；同时，采用标准化、模块化软硬件体系结构[5]，具有很强的开放性和可扩展性。本文研究了基于软件无线电的模式识别技术，接收机利用先验信息识别信号采用的调制方式和对应的调制参数，并提取发射机发送的数据信息[6?7]。

本文利用通用软件无线电平台（USRP）和LabVIEW编程环境，搭建了多模式自适应软件无线电实验平台。在描述多模式自适应无线传输原理的基础上，给出了实验平台的实现框图，重点研究了前导序列的设计以及相应的调制识别方法，并给出了详细的实现过程、功能界面和测试结果。本文将抽象的数学理论与实际应用相结合，从而有助于激发学生的学习兴趣，并展开更为深入的无线通信实践，提高学生的创新意识。

1 软件无线电收发信机设计

无线通信链路从信源开始，发送信号通过编码和调制经由发射机发送，通过无线信道传输，由包含所有信号处理功能的接收机接收并还原出发送信息，最后结束于信宿。常见的无线通信链路流程如图1所示。

本文在上述流程的基础上，设计了数据包结构，通过引入调制方式指示来支持多种不同调制方式的数据发送，并且在接收端通过自适应模式识别提取出调制方式信息，并且进行解调。

1.1 数据包结构设计

数据包结构如图2所示，其中，保护频带允许Rx，PLL，滤波器等进行初始化，同步序列用于帧和符号的同步，包序号用于接收端对接收包进行重新排序并检测丢失的数据包，调制方式携带调制信息，接收端用来进行调制识别，数据段是长度可变的数据区域，用于在Rx端动态检测长度，填充部分用于滤除边界效应。

实验设计中选用了四种不同的MPSK（多进制数字相位）调制方式，MPSK调制利用具有多个相位的正弦波来表示多组二进制信息码元。并且，本实验将信息以数据包的形式传送，涉及数据包的设计，可供学生们更好地了解数据包结构以及通信过程中数据包的传输原理。

1.2 调制方式识别

调制方式识别是介于信号检测和信号解调之间的步骤，图3给出了调制识别模块在接收机中的位置示意图。

在本软件无线电实验平台中，接收机通过信号能量检测将数据包切分，利用默认的BPSK解调方式解调出数据包中携带的解调信息，再利用得到的解调信息进行解调，重建数据。

2 基于USRP的多模式无线实验平台实现

2.1 平台组成

基于USRP的软件无线电平台由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，如图4所示。在发射端，计算机通过LabVIEW实现编码、调制等功能，经过USRP?2920，通过天线发射出去。在接收端，天线接收到的信号，经过USRP?2920传送到计算机，用LabVIEW实现解码、解调等功能。

2.2 LabVIEW下的实现流程

对于发射机，首先配置USRP参数并设置调制方式、包结构等的参数。发送启动后，发送端将发送信息按设定的数据包格式分片，并加入保护间隔、同步序列、包序号、调制方式等包头信息，然后各包以I/O数据流的形式通过发送端USRP被循环发送。发射机设计流程如图5所示。

对于接收机，配置好相应参数，启动接收，接收到调制方式信息包后，调制信息将按预设的BPSK方式将传送信息的调制方式识别出来，之后继续接收信息包，并按识别出的调制方式进行解调，还原出发送信息。接收机设计流程如图6所示。

2.3 LabVIEW实现代码

首先发送信息以ASCII码转换成比特流，经过LabVIEW信源编码和信道编码模块，再经MPSK调制模块得到正弦波，该携带发送信息的波经过上变频后被发送端USRP由天线发送出去。信息经过无线信道由接收端USRP接收天线接收之后，波首先通过下变频，后被解调、均衡还原出比特流，最后经解码重建原始信息。

按照收发机设计原理进行LabVIEW代码的编写，无线通信链路收发机的关键LabVIEW源程序如图7所示。

发射机采用了生产?消费模式，在对数据进行发送预处理之后，交给USRP进行射频发送，采用该发送模式可以避免数据传输给USRP时，USRP缓冲区发生溢出错误，同时又可以连续发送，保证了发信机的工作效率。

接收机收到USRP上传的采样数据后，首先要从这些数据中获取信号噪声门限，通过该门限便可以实现数据包的正确切分；将采样窗口中的数据进行分包处理后，输出至接收数据重采样与解调模块，该模块主要实现数据降采样，并按照指定模式解调出用户数据；解调出的数据的有效性至此还无法判断，下一个函数模块的主要功能便是用来实现数据正确性的判断，数据正确接收则保留，出错则舍弃；数据包正确接收之后，按照数据包序号将信息重组，完成信息接收工作。

2.4 无线实验平台工作界面

完成收发机软件参数配置以及发送端的发送信息加载，收发机同时运行进行信息的收发，可查看收发过程的信息传送以及星座图显示，从而在真实的信号交互中理解无线通信链路的各个过程。

图8给出了无线传输实验平台的发射机和接收机的工作界面示例。

图8（a）是发射机的工作界面，通过该界面可以配置采用的调制方式，并利用配置的调制模式传输文本信息；图8（b）是接收机界面，通过自适应模式识别获取所采用的调制方式，并且利用识别出的调制模式进行解调，得到对应的星座图并提取出文本信息。

3 结 语

本文利用LabVIEW软件在USRP?2920平台上设计并搭建了一个多模式自适应软件无线电实验平台。应用该实验平台，高校学生可方便、简易地调整各项传输参数，开展无线通信课程的实践。该平台可帮助他们将抽象的数学理论同实际应用相结合，在与真实信号的交互中，激发他们的学习热情，帮助他们更好地理解所学理论知识。此外，学生还可以在此平台上展开无线通信的其他实践，提高创新意识。

参考文献

[1] 莫金荣，胡圣波.基于USRP/LabVIEW的DQPSK收发机设计[J].贵州师范大学学报，2014，32（6）：96?99.

[2] PENG Senlin， YU Morton. A USRP2 based reconfigurable multi?constellation multi?frequency GNSS software receiver front end [J]. GPS Solutions， 2013， 17（1）： 89?102.

[3] MITOLA J. Software radios?survey， critical evaluation and future directions [J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine， 1993， 8（4）： 25?36.

[4] WELCH T B， SHEARMAN S. Teaching software defined radio using the USRP and LabVIEW [C]// Proceedings of 2012 IEEE International Conference on Acoustics， Speech and Signal Processing. Kyoto： IEEE， 2012： 2789?2792.

[5] 薛铭文.软件无线电技术的调制方式的自动识别[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

[6]卜婷.基于LabVIEW的典型通信信号调制、参数识别及模拟实验研究[D].南京：南京理工大学，2012.

[7] 杨琳.数字通信信号调制方式自动识别技术研究[D].合肥：中国科学技术大学，2008.