基于USRP的通用無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建與教學(xué)實(shí)踐

王 洪，陳祝明

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

基于USRP的通用無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建與教學(xué)實(shí)踐

王 洪，陳祝明

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

通信、雷達(dá)、廣播、電視等無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)在電磁波信號(hào)的收發(fā)和處理上具有相似的特點(diǎn)。該文介紹了通用軟件無(wú)線(xiàn)電外設(shè)平臺(tái)（USRP）的由來(lái)與特點(diǎn)、系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)、課程應(yīng)用和教學(xué)實(shí)踐狀況。同時(shí)，該文利用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)建立了無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的通用硬件平臺(tái)，以軟件方式實(shí)現(xiàn)功能的重構(gòu)，使多門(mén)無(wú)線(xiàn)電類(lèi)課程能夠共享相同的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。學(xué)生在該平臺(tái)上可快速建立不同的無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)，從系統(tǒng)的層面掌握無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，加深對(duì)理論的理解和感性認(rèn)識(shí)。

通用軟件無(wú)線(xiàn)電外設(shè)平臺(tái)；軟件無(wú)線(xiàn)電；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；教學(xué)實(shí)踐

怎樣讓學(xué)生能夠快速地搭建多樣化、個(gè)性化的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)，親自體驗(yàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、外界電磁波信號(hào)接收、音視頻信號(hào)呈現(xiàn)帶來(lái)的樂(lè)趣，在感受無(wú)線(xiàn)電波存在的同時(shí)，體會(huì)抽象無(wú)線(xiàn)電理論的簡(jiǎn)單可實(shí)現(xiàn)性與可操作性？USRP就是能實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的通用無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。USRP是一個(gè)面向軟件編程的可重構(gòu)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，該平臺(tái)在軟件無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，在教學(xué)科研上的應(yīng)用也逐漸活躍。美國(guó)斯坦福大學(xué)、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校、弗吉尼亞理工大學(xué)和羅格斯大學(xué)等將該平臺(tái)引入通信課程的教學(xué)，國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)和電子科技大學(xué)也在軟件無(wú)線(xiàn)電、通信原理等課程的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了該平臺(tái)［1－3］。國(guó)內(nèi)許多科研院所也使用USRP平臺(tái)做前期的原型樣機(jī)研制或原理性驗(yàn)證，在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的2G、3G、LTE、LTE－A、ADS－B和雷達(dá)系統(tǒng)證明了其功能的強(qiáng)大［4］。掌握基于USRP的軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)成為學(xué)生求職的亮點(diǎn)。

1 USRP的由來(lái)與特點(diǎn)

1992年，文獻(xiàn)［5］提出了軟件無(wú)線(xiàn)電的概念，而美國(guó)麻省理工學(xué)院的Spectrumware是軟件無(wú)線(xiàn)電的標(biāo)志性發(fā)展項(xiàng)目之一。從Spectrumware的代碼集Pspectra中產(chǎn)生了GNU Radio軟件，Pspectra代碼集也是Spectrumware商業(yè)化應(yīng)用Vanu Software radio的基礎(chǔ)。2001年，Eric Blossom創(chuàng)辦了GNU Radio公司［6］，于2004年重寫(xiě)了GNU Radio源碼，當(dāng)他需要開(kāi)發(fā)軟件化HDTV接收機(jī)時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)中的Matt Ettus研制了所需的母板和子板，該硬件上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了FM、GPS等信號(hào)的接收，這便是USRP的雛形［7］。2005年，Matt Ettus創(chuàng)辦了Ettus Research公司，推出了USRP的第一代產(chǎn)品；2010年，NI公司收購(gòu)了Ettus Research。

USRP即通用軟件無(wú)線(xiàn)電外設(shè)，由母板、收發(fā)子板和天線(xiàn)構(gòu)成。母版通過(guò)USB或千兆以太網(wǎng)口與PC機(jī)相連，收發(fā)子板覆蓋不同頻段，用途不同，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的發(fā)射和接收。最新的UBX子板覆蓋了10 MHz～6 GHz范圍，母板上由ADC／DAC芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA芯片實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)到基帶的搬移，之后送到PC機(jī)中。FPGA預(yù)留了資源供用戶(hù)編程，多部USRP可級(jí)聯(lián)，特別適合MIMO應(yīng)用，外接GPS模塊可獲得定位和同步信息。

USRP的母板分為嵌入型、總線(xiàn)型、網(wǎng)絡(luò)型和X系列4個(gè)類(lèi)別。USRP的子板有多種類(lèi)型，包括收發(fā)子板、發(fā)射子板、接收子板，并分為寬帶子板和特殊用途的子板。多樣化的硬件選擇，高速的數(shù)據(jù)采集，大容量存儲(chǔ)空間，豐富的邏輯資源，覆蓋很寬的頻段，和較小的外形尺寸使USRP構(gòu)建的平臺(tái)適合教學(xué)應(yīng)用。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與通用平臺(tái)的構(gòu)建

基于USRP的通用平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖1所示。從外觀(guān)上看，平臺(tái)的硬件包含USRP機(jī)盒、PC機(jī)和連接線(xiàn)，USRP硬件在母板、子板和天線(xiàn)中選配。通用平臺(tái)的軟件則是圖1的層次化結(jié)構(gòu)，主要支持的是LINUX操作系統(tǒng)，如Ubuntu。在Windows系統(tǒng)下需安裝虛擬機(jī)軟件，虛擬在Linux下的運(yùn)行，如VMware虛擬軟件。USRP與PC機(jī)之間有以太網(wǎng)口、USB接口和PCIe接口等。在操作系統(tǒng)下，需安裝USRP的驅(qū)動(dòng)程序UHD，目的是使用UDP socket和庫(kù)函數(shù)，UDP（user datagram protocol）指用戶(hù)數(shù)據(jù)包協(xié)議，基于UHD的用戶(hù)API則包裝在配套的軟件中。

可應(yīng)用的軟件主要有GNU Radio、LabVIEW、OSSIE和Matlab。GNU Radio以流程圖的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由軟件和第三方提供大量信號(hào)處理模塊，用戶(hù)將模塊連接好后，設(shè)置參數(shù)即可。GNU Radio是一款開(kāi)源軟件，無(wú)線(xiàn)電愛(ài)好者可以分享自己開(kāi)發(fā)的模塊。軟件有常見(jiàn)的信號(hào)處理模塊，如FFT、濾波、調(diào)制解調(diào)和同步等，沒(méi)有相應(yīng)模塊的時(shí)候，用戶(hù)則要用C＋＋語(yǔ)言和Python語(yǔ)言自己編寫(xiě)。GNU Radio的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是GUI設(shè)計(jì)，可以時(shí)域、頻域、星座圖、眼圖和瀑布圖等方式展示信號(hào)處理的結(jié)果，GNU Radio中的頻譜分析圖如圖2所示，圖中還可看出多種調(diào)制方式，多速率信號(hào)處理和不同頻段的選擇。LabVIEW針對(duì)NI的USRP292～295系列，優(yōu)勢(shì)是使用NI的圖形化編程軟件，虛擬儀器的界面和豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)，并可在Windows和Linux操作系統(tǒng)下運(yùn)行。OSSIE是弗吉尼亞理工大學(xué)對(duì)軟件無(wú)線(xiàn)電研究的成果，包含基于SCA（software communication architecture）的核心構(gòu)架、快速開(kāi)發(fā)軟件無(wú)線(xiàn)電的部件和信號(hào)波形處理程序的工具、預(yù)制部件的庫(kù)及信號(hào)處理程序，偏重于教學(xué)科研應(yīng)用。Mathworks公司在MATLAB軟件中增設(shè)了USRP toolbox，開(kāi)發(fā)了一系列函數(shù)和模塊，并支持硬件描述語(yǔ)言HDL，若掌握了Matlab中編寫(xiě)硬件程序的技術(shù)，也可使用該軟件。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 GNU Radio中的頻譜分析

綜上所述，當(dāng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容確定后，可根據(jù)需要選擇所需的硬件和軟件。如圖3所示，通用平臺(tái)按即可搭建起來(lái)，第三方開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)不斷在開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用和模塊，GNU Radio和OSSIE的開(kāi)放性與USRP的通用性結(jié)合，為多門(mén)課程開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)提供了方便［8］。為了與適用于多門(mén)課程，本學(xué)院選擇了性能適中的USRP210作為母版，選擇的WBX子板覆蓋50 MHz～2.2 GHz頻段，選擇VERT400天線(xiàn)可支持3個(gè)頻段的信號(hào)收發(fā)，并配備耳麥做音頻信號(hào)處理、收音機(jī)和語(yǔ)音通信實(shí)驗(yàn)。軟件選擇Ubuntu操作系統(tǒng)和適合教學(xué)的GNU Radio。

圖3 通用平臺(tái)搭建

3 平臺(tái)的多課程應(yīng)用與教學(xué)實(shí)踐

基于USRP構(gòu)建的通用無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)具有以下4個(gè)特點(diǎn)。

1）實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的收發(fā)，學(xué)生可接收自己產(chǎn)生的信號(hào)，也可接收外部的無(wú)線(xiàn)電波，增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)興趣。

2）通過(guò)調(diào)用和設(shè)置無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)的各個(gè)模塊，加深對(duì)理論知識(shí)的認(rèn)知，例如通信中的調(diào)制解調(diào)、編碼解碼、成形濾波和匹配濾波、符號(hào)映射、信道模型、同步均衡、OFDM等均能找到相應(yīng)的模塊，使學(xué)生充分理解這些理論的具體作用。

3）圖形化的軟件編程，豐富的運(yùn)行結(jié)果顯示方式，即能輕松建立不同的無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)，又能用多種工具分析結(jié)果。

4）兼顧學(xué)生對(duì)硬件、軟件或理論的偏好。做硬件的學(xué)生可以不用天線(xiàn)，外接其他信號(hào)源，可以直接編寫(xiě)FPGA程序改變硬件功能。做軟件的學(xué)生可以通過(guò)軟件編程駕馭硬件系統(tǒng)，不必過(guò)多擔(dān)心對(duì)硬件和儀器的陌生。做算法的學(xué)生可以將算法編成模塊，可以從平臺(tái)上獲取分析的數(shù)據(jù)源，驗(yàn)證算法的可用性。

鑒于平臺(tái)的通用性和上述特點(diǎn)，在該平臺(tái)上可開(kāi)設(shè)多門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)。適用的課程包括通信原理、數(shù)字通信、無(wú)線(xiàn)通信、軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、數(shù)字無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、雷達(dá)原理與系統(tǒng)、信號(hào)與系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理等本科生和研究生課程。NI公司將軟硬件與課程打包［9］，使用了德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校RobertW.Heath教授編寫(xiě)的教材，包含8個(gè)實(shí)驗(yàn)，涵蓋了調(diào)制解調(diào)、脈沖整形與匹配濾波、同步、信道估計(jì)與均衡、框架檢測(cè)與頻偏校正、OFDM和信道編碼等內(nèi)容，在德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校已實(shí)踐了多年。

電子科技大學(xué)建立了軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)室［10］，為本科生開(kāi)設(shè)了以下12種實(shí)驗(yàn)：

1）基本信號(hào)處理，如信號(hào)相加、相乘、傅立葉變換等；

2）低通、帶通和高通濾波器設(shè)計(jì)與應(yīng)用；

3）數(shù)字重采樣：抽取與內(nèi)插；

4）AM廣播信號(hào)處理；

5）FM數(shù)字收音機(jī)和發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)；

6）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸；

7）復(fù)信號(hào)分析及SSB信號(hào)解調(diào)；

8）I／Q幅相不一致性、相位噪聲；

9）采樣與量化效應(yīng)；

10）數(shù)字調(diào)制解調(diào)；

11）基于QPSK的數(shù)字通信系統(tǒng)；

12）S模式應(yīng)答信號(hào)接收。

圖4 接收并解調(diào)的民航飛機(jī)應(yīng)答信號(hào)

以民航飛機(jī)的S模式信號(hào)的接收為例，在WBX子板中實(shí)現(xiàn)1 090 MHz信號(hào)的接收，混頻到基帶后采樣，采樣率10 MHz；然后做前導(dǎo)脈沖檢測(cè)，并輸出參考電平；根據(jù)前導(dǎo)脈沖確定的位置和參考電平，對(duì)數(shù)據(jù)位解碼。如圖4所示，GNU Radio中顯示的S模式基帶信號(hào)，前面4個(gè)脈沖是前導(dǎo)脈沖，后面是56位的數(shù)據(jù)脈沖。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)一門(mén)課程定制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備常常只能做有限的定制實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)新實(shí)驗(yàn)常常需要更多的資源，并難于與其他課程共享?；赨SRP的通用無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)為多門(mén)無(wú)線(xiàn)電類(lèi)課程共享實(shí)驗(yàn)設(shè)備創(chuàng)造了條件。既能使學(xué)生調(diào)用現(xiàn)有模塊，快速搭建無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)，從系統(tǒng)層面掌握無(wú)線(xiàn)通信、無(wú)線(xiàn)傳播和探測(cè)的理論，也允許學(xué)生從底層做起，自建信號(hào)處理模塊，了解理論的技術(shù)細(xì)節(jié)，因此，該平臺(tái)在未來(lái)的無(wú)線(xiàn)電類(lèi)課程中有很好的應(yīng)用前景。

［1］楊宇紅，袁焱，田礫，等，基于軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)的通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015，34（4）：186－188.

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［3］陳祝明.軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2007.

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310－312.

Construction and Teaching Practice of General Radio Experiment Platform Based on USRP

WANG Hong，CHEN Zhuming
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Communication，radar，broadcast，TV and other wireless systems are sim ilar in transmitting，receiving and processing of electromagnetic signals.General hardware platform is constructed for these systems with software defined radio techniques.Functions are redefined by changing software.So it is possible to share same platform by many radio courses.Students can build their radio systems fast on the platform，learn to design radio system and understand corresponding know ledge by themselves.This paper introduces the origin，features，structures，experiments，and teaching situation based on USRP.

universal software radio peripheral；software－defined radio；experiment platform；teaching practice

TN014

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.056

2015－12－01；修改日期：2016－00－00

國(guó)家自然科學(xué)基金（61139003）。

王洪（1974-），男，博士，副教授，主要從事軟件無(wú)線(xiàn)電、雷達(dá)信號(hào)處理和民用航空電子技術(shù)方面的研究。