基于軟件無線電平臺的無線通信信道測量系統(tǒng)設(shè)計

夏　鵬（廈門大學信息科學與技術(shù)學院,　廈門361005）

基于軟件無線電平臺的無線通信信道測量系統(tǒng)設(shè)計

夏鵬
（廈門大學信息科學與技術(shù)學院,廈門361005）

摘要：無線信道是無線通信系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。而研究無線信道的最有效的方法就是進行實地信道探測實驗。目前國際上在信道測量和建模的研究較為深入，但是我國在該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。本文基設(shè)計了一種基于軟件無線電平臺（USRP）的無線通信信道測量系統(tǒng)，為無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供實測依據(jù)。

關(guān)鍵詞：USRP；信道測量；無線通信；路徑損耗

無線通信系統(tǒng)的性能主要受到無線信道的制約，鑒于無線信道對于無線通信系統(tǒng)設(shè)計的重要性，任何無線通信系統(tǒng)在被研究、采納和應(yīng)用之前，首先應(yīng)該對無線信道的各種特征參數(shù)做出詳細的分析，建立合理的信道模型。無線信道測量是了解信道特征的最直接途徑。通過信道測量我們可以“捕捉”無線信道的各種特征行為，從這些行為中抽象出表征它們的關(guān)鍵參數(shù)，由此建立的信道模型具有較高的可靠性，可以為通信系統(tǒng)的仿真和評估提供依據(jù)。本文設(shè)計了基于軟件無線電（USRP）的無線信道測量系統(tǒng)，主要是包含信號發(fā)射源系統(tǒng)、基于USRP的信號接收系統(tǒng)、測量實驗數(shù)據(jù)的處理。

1　信號發(fā)射源系統(tǒng)

1.1 信號源系統(tǒng)的硬件

本文研究中實驗測量的信號源硬件主要包括：7.4V高性能鋰電池、STM32F103YL-8最小系統(tǒng)板、YL-100T信號模塊、433M天線。

1.2STM32F103 YL-8最小系統(tǒng)板

STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARMCortex-M內(nèi)核。F103系類板嵌入了ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz。采用了從32K到512K字節(jié)的閃存程序存儲器。系統(tǒng)模塊帶有8個定時器。YL-8是一塊功能較為齊全的單片機開發(fā)板，這里利用定時器中斷產(chǎn)生周期性脈沖信號。

1.3 YL-100T信號模塊和天線

YL-100T是無線采集，無線數(shù)傳和無線收發(fā)模塊。YL-100T是一款高穩(wěn)定性，低功耗，高性價比的采用GFSK調(diào)制方式的無線透明數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。它不改變?nèi)魏螖?shù)據(jù)和協(xié)議，完成無線傳輸數(shù)據(jù)功能。該模塊相對一般模塊具有尺寸小，靈敏度高，傳輸距離遠，通訊數(shù)率高，內(nèi)部自動完成通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)控制等特點。

2　基于USRP的信號接收系統(tǒng)

USRP硬件平臺基本結(jié)構(gòu)主要是由兩個部分組成，包括母版和射頻前端，核心器件就是母版。USRP-N210母版包含兩路100MS/s14-bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和兩路400MS/s16-bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)，還有一塊賽靈思Sparten-3A系列FPGA芯片和一個ETHERNET(1Gb/s)接口。其中FPGA主要是做一些非常重要的但是計算量又非常大的輸入信號的預(yù)處理工作。

USRP母板通過ETHERNET(1Gb/s)接口與普通PC機相連接，PC機部分主要是完成基帶處理功能。在發(fā)送端USRP中FPGA對信號進行內(nèi)插，上變頻到中頻頻段，并最終通過DAC進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后由子板形成射頻信號并通過天線發(fā)送；在接收端，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將信號轉(zhuǎn)換FPGA能夠處理的信號，同時在FPGA中完成數(shù)字下變頻和信號的抽取，使通過ETHERNET接口的數(shù)據(jù)率大大降低，以便普通的PC機處理。

每個主板可以安裝最多四個子板：兩個接收，兩個發(fā)射。Ettus Research為這些子板配備了多個系列，覆蓋從直流到5.9GHz整個頻率范圍。本文研究中使用的子板類型是SBX，支持復(fù)采樣的子板（頻率覆蓋范圍為400MHz至4.4GHz）。

USRP硬件平臺需要依靠GNURadio信號處理方案在主機CPU上完成所有時域、頻域波形相關(guān)的處理。GNURadio是一個開源的軟件定義無線電平臺。它提供許多通用軟件無線電需要的庫，其中包括各種調(diào)制方式（例如：GMSK,QAM,PSK,OFDM等）、信號處理模塊（最優(yōu)濾波器、FFT、均衡器、定時恢復(fù)）、糾錯碼（R-S碼、維特比碼、Turbo碼）和系統(tǒng)調(diào)度等。

本測量系統(tǒng)中采用的是基于Ubuntu12.04的Linux系統(tǒng)下的GNU Radio軟件模塊。它提供一整套信號處理模塊庫，并架起了將用C++程序語言編寫的信號處理模塊連在一起的橋梁。GNURadio是一個很靈活的系統(tǒng)，允許用戶使用C++或者Python開發(fā)應(yīng)用程序。因此，開發(fā)者能夠簡單快速的構(gòu)建一個實時、高容量的無線通信系統(tǒng)，而所有高速通用操作都在FPGA上完成，比如數(shù)字上下變頻、抽樣和內(nèi)插等。

3　實驗測量以及數(shù)據(jù)處理

本文的實驗測量主要是利用USRP硬件平臺來測試接收到的無線信號源的功率大小與距離的關(guān)系以構(gòu)建無線信道的損耗模型。GNU Radio軟件平臺里面現(xiàn)有的uhd_fft的Python模塊可以直接測量并顯示接收到的信號經(jīng)過fft變換后的頻譜圖，只需要將fft計算的C++模塊得到的相關(guān)頻譜數(shù)據(jù)保存下來，然后在Matlab里面處理，就可以計算信號在有效帶寬范圍內(nèi)的功率值。根據(jù)信號處理的理論，fft運算的結(jié)果是一個包含實部和虛部的復(fù)數(shù)，如，各個分量的功率計算為：信號源的總功率即為各分量功率和。

4　結(jié)語

本文設(shè)計的實時信道測量系統(tǒng)具有價格低廉、可擴展性好、連續(xù)數(shù)據(jù)存儲速率高和存儲容量大的特點，適用與科研工作者與在校學生對無線信道的探測與研究，不但價格低廉，而且靈活性強。它的主要缺點是測量帶寬有限，暫時只能測量信號的接收功率無法測試更多的信道參數(shù)的。

參考文獻：

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作者簡介：夏鵬（1988-），男，湖北黃岡人，碩士研究生，研究方向：無線信道建模。