基于LabVIEW-USRP的直接序列擴頻通信系統(tǒng)仿真實驗

李 毅, 楊 棟, 李曉輝

(西安電子科技大學 通信工程學院, 陜西 西安 710071)

傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)實驗平臺往往趨于兩個極端：一種平臺完全以硬件板卡實現,沒有二次設計開發(fā)功能,學生只能在指定測試點接入儀器進行波形或頻譜觀察；另一種平臺采用Matlab/Simulink、SystemVIEW等進行純軟件仿真。前一種方式雖使學生對真實通信系統(tǒng)有直觀體驗,但難以對底層理論有深刻理解；后一種方式則偏重于數學模型的建立與驗證,但缺失了對通信系統(tǒng)實驗的工程性支撐。將可編程的PC端通信仿真軟件與軟件無線電平臺結合起來,構成半實物實驗系統(tǒng),可以將模型建立、原理的仿真驗證、與通信系統(tǒng)的硬件工程有效結合起來[1-4]。

本文利用美國國家儀器公司(NI)的LabVIEW圖形化編程語言[5]和通用軟件無線電平臺(USRP)[6],完成直接序列擴頻(DSSS)通信系統(tǒng)的設計、數據幀結構設計、BPSK調制與解調實現方案的設計等,并給出了流程框圖、實現過程、功能界面、性能仿真測試與測試結果。所開發(fā)的仿真實驗避免采用復雜的可編程門陣列(FPGA)開發(fā)技術[7-9],為擴頻通信領域教學、科研和快速開發(fā)提供了可擴展的解決方案。擴頻通信技術在抗窄帶噪聲等方面具有傳統(tǒng)無線通信方式所不可比擬的優(yōu)勢,因此在衛(wèi)星通信、GPS定位、移動通信以及軍事抗干擾通信等領域具有廣泛應用[10]。

1 直接序列擴頻通信系統(tǒng)原理

直接序列擴頻通信系統(tǒng)的寬帶傳輸與偽隨機碼具有優(yōu)良的特性,因而可在很低的功率譜密度下實現抗干擾通信。

僅做基帶等效系統(tǒng)原理推導,擴頻信號s(t)可以寫作

s(t)=a(t)b(t)

其中a(t)為待傳輸的雙極性二進制數字信號波形,b(t)為擴頻碼信號波形[11-12]。

相關解擴是利用本地產生的擴頻碼與接收信號進行相關運算,用R(τ)表示,即

R(τ)=E[b(t)br(t+τ)]

其中τ為所取兩個時間點的間隔,br(t)為本地參考擴頻碼波形,E[x(t)]表示求x(t)的均值。

若采用相干解調,在不考慮噪聲與等效信道沖擊響應影響的條件下,解擴信號為

s′(t)=E[a(t-Td)b(t-Td)br(t-Td)]

其中Td為信號傳輸過程中產生的隨機時延,E[x(t)]表示求x(t)的均值。

根據擴頻碼的性質有

E[b(t-Td)br(t-Td)]=1

可得

s′(t)=a(t-Td)

即發(fā)射的擴頻信號在經過相關解擴后,可以恢復出原始的傳輸信號。

直接序列擴頻通信原理如圖1所示。

圖1 直接序列擴頻通信原理框圖

(1) 由編碼器輸出碼元的持續(xù)時間為Ta的數據流a(t)；

(2) 擴頻序列產生器產生速率較高的偽隨機序列b(t),其碼元寬度為Tb；

(3) 擴頻器根據擴頻序列對a(t)與b(t)做乘法或模二加運算,進行直接序列擴頻,產生一個與偽隨機序列速率相同的擴頻信號c(t),此時原信源信號頻譜帶寬會得到擴展；

(4) 載波調制模塊能夠對擴頻后的信號進行載波相位鍵控調制；

(5) 發(fā)射機模塊完成濾波、功率放大等；

(6) 接收機模塊完成濾波、低噪聲放大、自動增益控制等,恢復出所傳信號d′(t)；

(7) 擴頻解調模塊將與發(fā)送端完全相同的偽隨機序列b(t)和擴頻信號d′(t)做乘法運算或模二加運算完成解擴,將信號的頻帶寬度恢復為與編碼后a(t)相同的c′(t)；

(8) 載波解調模塊完成基帶解調、時頻同步等,恢復出所傳信號a′(t)；

(9) 完成物理層幀解析、譯碼等,從而實現信息傳輸的整個過程。

2 直接序列擴頻通信實驗仿真系統(tǒng)構建

2.1 硬件系統(tǒng)介紹

基于USRP的軟件無線電平臺由一臺NI USRP-2920和運行在計算機上的LabVIEW編程環(huán)境構成,兩者通過千兆以太網相連。在發(fā)射端,計算機通過LabVIEW實現編碼、調制等功能,經過USRP-2920進行處理,再通過天線發(fā)射出去；在接收端,天線接收到信號,經過USRP-2920傳送到計算機,再用LabVIEW實現解碼、解調等功能。

2.2 數據幀結構設計

原始信息產生模塊對待發(fā)送的文本是否為空進行判斷,如果待發(fā)送的文本不為空,則將文本轉換為比特數據,否則產生隨機PN序列數據。隨后,給產生的序列添加保護比特、同步比特與填充比特。數據幀結構為保護比特16 bit,同步20 bit,數據段≥1 bit,填充16 bit。其中,保護比特為接收機、PLL、濾波器等預留初始化時間；同步比特用于幀和符號的同步；數據段是長度可變的數據區(qū)域,可以傳輸1比特以上任意長度的數據；填充部分用于濾除系統(tǒng)中濾波器引起的邊界效應。

實驗設計中選用15位的m序列作為擴頻序列進行擴頻調制,并采用BPSK(二進制相移鍵控)調制方式進行載波調制。

2.3 系統(tǒng)總體框圖

在設計的系統(tǒng)總體框圖中，包括原始信息產生模塊、發(fā)射模塊、信道模塊、接收模塊、誤比特率計算模塊等。

原始信息產生模塊按照保護比特等要求,生成所需的待發(fā)送比特序列；

以二維空間中6個樣本點(包含3個繼承點)為例，對繼承拉丁超立方采樣過程進行具體描述，如圖1所示。首先，將設計空間的每一維度劃分為6個區(qū)間，移除繼承點(黑色圓點)占據的空白網格，形成新采樣空間(縮減的設計空間)。將新采樣空間的每一維度劃分為3個區(qū)間，并用拉丁超立方采樣選取3個樣本(如圖1b)。最后，將此3個拉丁超立方樣本映射到圖1a中的陰影區(qū)域，最終生成的樣本集既包含了3個繼承點，又具備拉丁超立方采樣的均勻性。

發(fā)射模塊對待發(fā)送的原始信息比特序列進行擴頻、插值、脈沖成形濾波、調制等,生成發(fā)送波形；

信道模塊為信道部分,分為仿真與USRP兩種模式。在仿真模式下,按照設定的干擾強度與信噪比,對發(fā)送信號加入干擾與噪聲。在USRP模式下,經過USRP進行發(fā)送與接收；

接收模塊對接收到的信號進行匹配、濾波、抽取、解擴、判決、解映射等,恢復出比特信息；

誤比特率計算模塊按照發(fā)送比特序列與恢復的比特序列進行比較,計算出誤比特率。

系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2.4 發(fā)射模塊

在發(fā)射模塊設計中,首先產生脈沖成形濾波器系數、PSK調制參數與15位擴頻碼,然后對輸入的比特序列依次進行擴頻、插值、脈沖成形濾波與載波調制處理。發(fā)射模塊如圖3所示。

圖3 發(fā)射模塊

2.5 接收模塊

圖4 接收模塊

3 基于USRP的DSSS無線發(fā)射/接收流程

對于發(fā)射機,首先配置USRP參數。發(fā)送啟動后,發(fā)送序列產生模塊將發(fā)送的文本從ASCII碼轉換成比特流,發(fā)送端將發(fā)送比特流按照設定的數據幀格式分段,并加入保護間隔、同步序列、填充比特等信息,再經BPSK調制得到正弦波。然后,發(fā)送端通過發(fā)射模塊產生復波形信號,該攜帶發(fā)送信息的復波形信號的實部經過上變頻后,被發(fā)送端USRP由天線發(fā)送出去。

對于接收機,同樣需要先配置USRP參數。接收啟動后,信息經過無線信道由接收端USRP的接收天線接收。接收到信息后,通過下變頻并重建復波形信號,接收模塊將復波形信號恢復為比特信息,然后接收端按照設定的數據幀格式去除保護間隔、同步序列、填充比特等信息,重建原始發(fā)送信息。

4 性能仿真

4.1 DSSS與BPSK誤碼率(BER)性能比較

系統(tǒng)的符號速率設為100 ksym/s。從圖5可以看出,DSSS系統(tǒng)誤碼率與BPSK系統(tǒng)的誤碼率基本相同,這說明,在信道中僅有高斯白噪聲的情況下,擴頻系統(tǒng)與無擴頻系統(tǒng)的誤碼率性能相同。

圖5 DSSS與BPSK誤碼率(BER)性能比較

4.2 DSSS與BPSK頻譜比較

如圖6所示,擴頻前信號主瓣單邊寬度約為100 kHz；擴頻后,信號頻譜展寬,主瓣單邊寬度約為1.5 MHz,是無擴頻信號頻譜寬度的15倍,符合理論計算。圖6中,信號還沒有經過成形濾波器,所以默認按照矩形成形進行頻譜分析,可見其頻譜輪廓呈SINC函數特征。

圖6 DSSS與BPSK頻譜比較

4.3 DSSS抗窄帶干擾性能

在信道中加入頻率為45 kHz的單頻窄帶干擾(Eb),不同窄帶干擾功率情況下的誤碼率曲線如圖7所示。從圖中可見,在DSSS系統(tǒng)中,當誤碼率為0.1、窄帶干擾的功率為信號功率的1倍時,與無窄帶干擾相比較,Eb/N0從-0.85 dB增加到2.75 dB,增加了3.6 dB；窄帶干擾的功率從信號功率的1倍增加到3倍時,Eb/N0從2.75 dB增加到7.5 dB,增加了4.75 dB。誤碼率總體隨著Eb/N0的增加而降低,但是誤碼率隨干擾功率的增大而增大,并且呈現出明顯的惡化趨勢。在BPSK系統(tǒng)中,當窄帶干擾的功率從信號功率的1倍增至2倍時,誤碼率降低至大約0.13后不再隨著Eb/N0的增加而降低。

圖7 DSSS抗窄帶干擾性能仿真圖

5 文本傳輸實驗

5.1 USRP的配置參數

發(fā)送端與接收端使用一臺USRP,因此發(fā)射機USRP與接收機設置為同一個IP地址。系統(tǒng)中采用16倍插值,因此IQ采樣速率設置為1.6 MS/s,載波頻率設定為438.2 MHz,發(fā)射機與接收機的射頻增益都設定為30 dB。

5.2 文本傳輸實驗測試

圖8為文本傳輸實驗的測試結果。從圖中可以看出,發(fā)送的時域波形圖為經過成形濾波之后的波形,由于采用了平方根升余弦脈沖成形,可見基帶波形不是理想方波,而是頻帶受限的。接收的時域波形與發(fā)送的時域波形相比較,有時延且受噪聲影響,但是波形大致相同。發(fā)送的文本與接收的文本完全相同,說明系統(tǒng)工作正常。

圖8 文本傳輸實驗測試

6 結語

利用圖形化編程語言LabVIEW在USRP-2920平臺上搭建的擴頻通信數據傳輸系統(tǒng)軟件無線電實驗平臺，減少了高校教師進行通信仿真實驗設計與開發(fā)的工作量,有效地縮短了開發(fā)的時間周期,提升了開發(fā)效率。應用該實驗平臺,高校學生可以開展無線通信課程的實踐,將抽象的數學理論通過可視化教學案例與實際應用相結合,培養(yǎng)學生開展系統(tǒng)性、綜合性與創(chuàng)新性實驗的能力。