創(chuàng)新驅(qū)動下實驗方法研究
——以O(shè)FDM通信系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)為例

李燕龍陳 曉黃 坤馬振宇

（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學信息科技學院，廣西 桂林 541004）

創(chuàng)新驅(qū)動下實驗方法研究
——以O(shè)FDM通信系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)為例

李燕龍1陳 曉2黃 坤1馬振宇1

（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學信息科技學院，廣西 桂林 541004）

實驗教學是實踐性教學中最基本的教學形式，是整個教學過程中理論聯(lián)系實際的重要環(huán)節(jié)，它對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力起著十分重要的作用。文章利用軟件無線電新平臺創(chuàng)新性實現(xiàn)正交頻分復用系統(tǒng)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）通信系統(tǒng)，驅(qū)動學生在實現(xiàn)過程中研究新的實驗方法，快速穩(wěn)定實現(xiàn)系統(tǒng)。實驗表明，文章所提出的創(chuàng)新驅(qū)動下的實驗方法具有較強的結(jié)合工程實現(xiàn)的特點，具有較好的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)改革示范作用。

創(chuàng)新；正交頻分復用；USRP-RIO；電子設(shè)計自動化

傳統(tǒng)通信實驗主要采用實驗箱的方式驗證通信系統(tǒng)中部分環(huán)節(jié)，隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，很多高校也在傳統(tǒng)通信電路實驗中融入了 EDA應(yīng)用，但是普遍存在僅僅只是用EDA仿真技術(shù)來替換傳統(tǒng)的硬件實驗而沒有進行實驗方法系統(tǒng)總結(jié)的問題。目前廣西區(qū)高校還沒有針對性的工程結(jié)合理論創(chuàng)新性實現(xiàn)實驗方法研究，國內(nèi)許多知名高校尤其是工科電類專業(yè)進行了一些有益的探索與實踐，總結(jié)了許多經(jīng)驗。近年來，在借鑒其它院校的成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合桂林電子科技大學的實際情況，通過采用EDA技術(shù)軟實驗輔助電子技術(shù)理論課程，加強了學生對電路理論基礎(chǔ)知識的掌握，提高了學生理論與實際相結(jié)合的綜合設(shè)計能力，完成綜合電路設(shè)計調(diào)試的硬實驗來培養(yǎng)學生的實際動手能力。實踐表明，這種理論與實踐相結(jié)合、軟實驗與硬實驗相結(jié)合的培養(yǎng)方式對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、動手能力和提高學生的綜合設(shè)計能力是非常有益的。目前國家又在重點推廣創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)戰(zhàn)略，以重點培養(yǎng)學生創(chuàng)新性思維，而大多數(shù)學生缺乏一個完整學習數(shù)字系統(tǒng)的分析、設(shè)計方法和現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計理念和知識儲備，因此結(jié)合系統(tǒng)驗證的創(chuàng)新驅(qū)動下的實驗方法研究就具有重要的價值。

桂林電子科技大學電子電路實驗中心面向全院相關(guān)專業(yè)開設(shè)了獨立設(shè)置的實驗課程及課內(nèi)實驗。開設(shè)“電子電路實驗”，旨在加深學生對已學課程內(nèi)容的理解，掌握電子電路實驗方法，培養(yǎng)學生分析、設(shè)計、組裝和調(diào)試電子電路的基本技能，并為掌握后繼專業(yè)課程打好基礎(chǔ)。通信系統(tǒng)實驗?zāi)壳按蠖鄶?shù)是通過仿真實現(xiàn)，或者部分采用實驗箱實現(xiàn)，采用EDA技術(shù)就可以很好地解決上述問題，可以大大突破這些限制，同時，擴展一些創(chuàng)新性項目，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

正交頻分復用系統(tǒng)現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的，如果學生能夠在適合的平臺上實現(xiàn)出OFDM系統(tǒng)，那么將對通信相關(guān)知識的整合和理解將大為提高。OFDM系統(tǒng)是一種把高速串行數(shù)據(jù)通過頻分復用實現(xiàn)并行傳輸?shù)亩噍d波傳輸技術(shù)，其思想早在20世紀60年代就提出來了，1971年，Weistein和Ebert提出了用離散傅立葉變換（DFT）實現(xiàn)多載波調(diào)制，人們開始研究并行傳輸?shù)亩噍d波系統(tǒng)數(shù)字化實現(xiàn)方法，將 DFT運用到OFDM的調(diào)制解調(diào)中，為OFDM的實用化奠定了基礎(chǔ)，大大簡化了多載波技術(shù)的實現(xiàn)［1］。8年代，隨著對多載波調(diào)制在高速調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字移動通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用進行了較為深入的研究， OFDM在無線移動通信領(lǐng)域中的應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展［2］。

1 實驗內(nèi)容設(shè)計依據(jù)

OFDM 是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，其基本思想是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用子載波進行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸［2］。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。OFDM相對于一般的多載波傳輸?shù)牟煌幨撬试S子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間相互正交，則可以從混疊的子載波上分離出數(shù)據(jù)信號。由于OFDM允許子載波頻譜混疊，其頻譜效率大大提高，因而是一種高效的調(diào)制方式。

通常數(shù)字調(diào)制都是在單個載波上進行，如PSK、QAM等，這種單載波的調(diào)制方法易發(fā)生碼間干擾而增加誤碼率，而且在多徑傳播的環(huán)境中因受瑞利衰落影響而會造成突發(fā)誤碼。若將高速率的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為若干低速率數(shù)據(jù)流，每個低速數(shù)據(jù)流對應(yīng)一個載波進行調(diào)制，組成一個多載波的同時調(diào)制的并行傳輸系統(tǒng)。這樣將總的信號帶寬劃分為N個互不重疊的子通道，N個子通道進行正交頻分多重調(diào)制，就可克服上述單載波串行數(shù)據(jù)系統(tǒng)的缺陷。

在過去的頻分復用（OFDM）系統(tǒng)中，整個帶寬分成N個子頻帶，子頻帶之間不重疊，為了避免子頻帶間相互干擾，頻帶間通常加保護帶寬，但這會使頻譜利用率下降。為了克服子載波間這個缺點，OFDM采用N個重疊的子頻帶，各個子頻帶間是相互正交的，因而在接收端無需分離頻譜就可將信號接收下來，這樣便減小了載波間干擾。在向 B3G/4G演進的過程中，OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一，可以結(jié)合分集、時空編碼、干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大限度的提高了系統(tǒng)性能。

因此本實驗內(nèi)容選定OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)，既可以進一步理解正交頻分復用系統(tǒng)，又能讓學生方便快速實現(xiàn)，同時選擇合適的軟件無線電平臺創(chuàng)新性的實現(xiàn)驗證系統(tǒng)［3］。

OFDM 系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點是正交子載波可以利用快速傅利葉變換（fast Fourier transform）（FFT/IFFT）實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)。對于N點的IFFT運算，需要實施N2次復數(shù)乘法，而采用常見的基于2的IFFT算法，其復數(shù)乘法僅為（N/2）log2N，可顯著降低運算復雜度。在OFDM系統(tǒng)的發(fā)射端加入保護間隔，主要是為了消除多徑所造成的ISI。其方法是在OFDM符號保護間隔內(nèi)加入循環(huán)前綴，以保證在FFT周期內(nèi)OFDM符號的時延副本內(nèi)包含的波形周期個數(shù)也是整數(shù)。這樣時延小于保護間隔的信號就不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生ISI［4-5］。

FFT是一種DFT的高效算法，F(xiàn)FT算法可分為按時間抽取算法和按頻率抽取算法DFT的運算為：

由于OFDM的頻率利用率最高，又適用于FFT算法處理，近年來在多種系統(tǒng)得到成功的應(yīng)用，在理論和技術(shù)上已經(jīng)成熟。目前，OFDM技術(shù)在4G LTE技術(shù)中已得到使用，是LTE三大關(guān)鍵技術(shù)之一。本文主要完成一套簡易的OFDM收發(fā)系統(tǒng)，發(fā)射鏈路主要過程包括：信源、QAM映射、IFFT算法、加循環(huán)前綴 CP、射頻；接收鏈路主要過程包括：射頻、去CP、FFT算法、信道估計、QAM解映射、數(shù)據(jù)輸出等過程［6-9］，原理框圖如圖1所示。

圖1 OFDM原理框圖

2 軟件無線電平臺USRP和LabVIEW

2.1 軟件無線電平臺原理

無線通信測試創(chuàng)新論壇對軟件無線電（SDR）的定義：“無線電的一些或全部的物理層功能由軟件定義?！?/p>

如圖 2所示，軟件無線電在通用硬件平臺上運行軟件模塊，用于實現(xiàn)無線通信功能。結(jié)合USR-RIO通用軟件無線電硬件和模塊化軟件的優(yōu)勢，提供了滿足多功能需求且靈活性強的快速通信原型平臺，適用于物理層設(shè)計、算法驗證、多標準無線系統(tǒng)、無線信號錄制與回放、通信情報等應(yīng)用［3］。

圖2 軟件無線電平臺架構(gòu)

2.2 NI USRP-RIO硬件平臺

如圖3所示，為NI-USRP-RIO無線實驗系統(tǒng)硬件、軟件平臺。如圖4所示，射頻信號輸入到SMA連接器后的處理系統(tǒng)框圖，USRP-RIO通過直接變頻接收機中的混頻操作，產(chǎn)生同相正交（I/Q）基帶信號，再經(jīng)過一個2通道，速率為100MS/s的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣。然后數(shù)字化的I/Q數(shù)據(jù)并行地經(jīng)過數(shù)字下變頻（DDC）過程，混頻、濾波，使輸入的100MS/s的信號達到指定速率。32位的下變頻采樣信號（每對I/Q各16位），通過標準千兆以太網(wǎng)連接，以高達20MS/s的速度傳給主機。

圖3 NI-USRP-RIO無線實驗系統(tǒng)硬件、軟件平臺

對于發(fā)射端，PC主機合成32位的基帶I/Q信號樣本（每對I/Q各16位），然后再通過千兆以太網(wǎng)以高達20MS/s速度供給NI USRP-RIO。USRP-RIO硬件利用數(shù)字上變頻（DUC）過程，將輸入信號速率變?yōu)?00MS/s，然后采用雙通道16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將其轉(zhuǎn)換成模擬信號。由此產(chǎn)生的模擬信號與指定的載頻混頻。

圖4 NI-USRP-RIO系統(tǒng)框圖

2.3 NI LabVIEW

軟件無線電系統(tǒng)其中的數(shù)據(jù)處理組件是由軟件實現(xiàn)的。這些組件包括濾波器、調(diào)制器和解調(diào)器。因為這些組件是在軟件中定義的，可以根據(jù)需要調(diào)整軟件無線電系統(tǒng)，而不必在硬件上作大的改動。由于現(xiàn)在的計算機可以有非常快速的處理器和高速接口，NI-USRP-RIO的主要開發(fā)環(huán)境是 NI LabVIEW。NI LabVIEW 是一種將文本編程的低復雜度抽象為可視化語言的圖形化編程語言，科學家以及工程師們廣泛地使用它在多種環(huán)境中進行采集、處理、分析和顯示測量數(shù)據(jù)。所以可以在計算機上使用LabVIEW快速地實現(xiàn)軟件無線電的設(shè)計。

LabVIEW是美國國家儀器公司公司推出的一套基于G語言（圖像編程）的商用開發(fā)工具，廣泛應(yīng)用于儀器儀表，電氣，通信，航天等諸多領(lǐng)域，受到工程師們歡迎［10］。LabVIEW的程序被稱為VI，即虛擬儀器。每一個LabVIEW程序都分為前面板和程序面板，其中程序面板包含了以圖形方式表示并實現(xiàn)VI邏輯功能的各類控制或處理算法，而前面板相當于輸入輸出面板，用于程序面板的參數(shù)輸入或顯示數(shù)據(jù)輸出。

3 基于LabVIEW和USRP-RIO的OFDM系統(tǒng)整體設(shè)計

3.1 總體軟件結(jié)構(gòu)

LabVIEW 提供了項目瀏覽器，用來方便組織管理各種VI和組件。其結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 項目管理器

在項目管理器中，最重要的VI為OFDM TX-RX on Single USRP RIO（HOST）.vi，運行在Host端，用于OFDM系統(tǒng)中基帶數(shù)字信號處理及接收和發(fā)送。系統(tǒng)在發(fā)送前對基帶信號進行QAM調(diào)制、IFFT、加CP、限幅等基帶處理過程；將接收到的信號進行去CP、FFT、信道估計、QAM解映射等處理過程；并且能通過USRP配置VI對USRP進行初始化，配置發(fā)送或接收通道參數(shù)，控制觸發(fā)信號，檢查數(shù)據(jù)流狀態(tài)等。

本文在Host端通過DMA FIFO將OFDM基帶信號數(shù)據(jù)傳給FPGA端FIFO，在FPGA VI中對數(shù)據(jù)進行混頻，濾波，插值，之后傳給DAC，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，模擬中頻信號經(jīng)由正交上變頻后由天線發(fā)送出去。接收過程是發(fā)送過程的逆過程，這里不再贅述。系統(tǒng)程序框圖如圖6所示：

圖6 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計的前面板如圖7所示，主要是放置各個顯示控件，如：調(diào)制解調(diào)前后星座圖、功率譜、誤碼率以及對信號USRP天線的配置參數(shù)等。

圖7 系統(tǒng)前面板

3.2 OFDM系統(tǒng)模塊實現(xiàn)

3.2.1 QAM調(diào)制及解調(diào)模塊

QAM調(diào)制、解調(diào)模塊主要調(diào)用了NI LabVIEW中現(xiàn)有的調(diào)制VI來進行調(diào)制解調(diào)，另外通過單獨設(shè)定for循環(huán)定時，使QAM調(diào)制的階數(shù)定時循環(huán)改變，實現(xiàn)4QAM、16QAM、32QAM、64QAM循環(huán)調(diào)制解調(diào)［11］。如圖8、9所示：

圖8 QAM階數(shù)循環(huán)

圖9 QAM調(diào)制（a）、QAM解調(diào)（b）

3.2.2 FFT、IFFT模塊

IFFT算法簡單來說，在OFDM系統(tǒng)中是一種在數(shù)學上可以快速實現(xiàn)子載波疊加的方式，是多載波合路的捷徑。

FFT算法即為IFFT逆過程。

圖10 FFT(左) IFFT(右)

3.2.3 加CP、去CP模塊

CP是一個數(shù)據(jù)符號后面的一段數(shù)據(jù)復制到該符號的前面形成的循環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣可以保證有時延的OFDM信號在FFT積分周期內(nèi)總是具有整倍數(shù)周期。

如果沒有保護間隔CP，接收端收到多徑信號，因為各徑傳輸路徑不同，到達接收機的時間也不同。各徑信號在交叉信號處產(chǎn)生符號間干擾。在解調(diào)時會產(chǎn)生困難。

具體實現(xiàn)程序如圖11所示。

圖11 加CP（a）、去CP（b）

4 實驗結(jié)果及分析

本文基于LabVIEW和USRP-RIO平臺實現(xiàn)了OFDM系統(tǒng)。從圖12中可以看出接收端64QAM解調(diào)后的星座圖清晰可見，誤碼率為10-6。利用USRP-RIO和LabVIEW平臺實現(xiàn)了OFDM系統(tǒng)的發(fā)送與接收，同時在實現(xiàn)該過程時，采用了創(chuàng)新驅(qū)動下的實驗方法，結(jié)果說明該方案及該實驗方法是可行、有效的。

圖12 64QAM調(diào)制結(jié)果

5 結(jié)束語

本文基于LabVIEW及USRP RIO平臺，設(shè)計了一套簡易的OFDM收發(fā)系統(tǒng)，實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)誤碼率為10-6的傳輸，實現(xiàn)了OFDM系統(tǒng)的發(fā)送與接收過程。通過創(chuàng)新驅(qū)動下的實驗方法研究，本文主要得到了以下幾點啟示，理論知識與工程結(jié)合的最好方法就是實驗；實驗過程中結(jié)合已有的知識和實驗方法進行新的實驗方法研究；以一個實驗方法為例，推動實驗方法整體創(chuàng)新是切實可行和有效的。

［1］ 佟學儉，羅濤.OFDM移動通信技術(shù)原理與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［2］ 王文博，鄭侃.寬帶無線通信OFDM技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［3］ 裘偉廷.基于LabVIEW的虛擬儀器和虛擬實驗［J］.現(xiàn)代儀器，2002（3）:17-20.

［4］ 魯慧.基于USRP和輔助外同步的OFDM系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)［D］.西安:西安電子科技大學，2014.

［5］ 周井玲，蔡文.基于 LabVIEW 的教學實驗研究［J］.南通工學院學報（自然科學版），2004（3）:88-90.

［6］ Garbo.G， Mangiones.S， Maniscalco.V. Wireless OFDMOQAM with a small Number of Subcarrrier［C］.IEEE WCNC，2008，2008:187-192.

［7］ N.Laurenti and L.Vangelis. Effiecient implementions and alternative architectures for OFDM-OQAM systems［J］. IEEE Transsactions on Communications，2001，49（4）: 664-675.

［8］ Wen-Rong Wu.Chio.S.Performance of channel estimation methods for OFDM systems in multi-path fading channels［J］.IEEE Transaction on consumer electronics.Feb，2000:161-170.

［9］ I. A. Tasadduq， R. K. Rao. Weighted OFDM with block codes for wireless communication［C］.IEEE Pacific Rim Conference on Communications， Computers and Signal Processing（PACRIM）， Victoria， Canada，2001:441-444.

［10］ 于風云，張平.QAM 調(diào)制與解調(diào)的全數(shù)字實現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（3）:53-55.

［11］ 陳通海，李景春，鄭娜，等.基于GNU Radio和USRP2的未知信號檢測［J］.無線電工程，2012，42（12）:16-19.

Research of experiment method on innovation driven——A case study of OFDM communication system design and implementation

Experimental teaching is the most basic form of practical teaching， which is the important part of the whole process of teaching combining the theory and practice. It plays an important role in training creative thinking and innovation ability. In this paper， a new platform for software radio is used for realizing OFDM communication system creatively， which is to drive students to study new experimental methods in the implementation process and achieve rapid and stable system. Experiments show that the proposed experimental method in innovation driving has the strong feature of combination of engineering implement， has a good role model for innovation and entrepreneurship reform.

Innovation； OFDM； USRP-RIO； EDA

TP273

A

1008-1151（2016）08-0018-05

2016-07-11

桂林電子科技大學教育教學改革項目“數(shù)字電路實驗與 EDA技術(shù)協(xié)同創(chuàng)興創(chuàng)業(yè)課程建設(shè)探索研究”（JGB201633）；新世紀廣西高等教育教學改革工程項目“面向電子設(shè)計工程師認證的電子電路實驗教學體系的改革”（2012JGB138）。

李燕龍（1989-），男，桂林電子科技大學講師，碩士研究生學歷，研究方向為無線寬帶通信、信號處理。