基于USRP的802.11a OFDM收發(fā)信機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

李昊洋， 劉海濤， 李冬霞

（中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300）

0 引 言

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）［1］是一種多載波傳輸技術(shù)。與傳統(tǒng)單載波傳輸技術(shù)相比，OFDM傳輸技術(shù)具有傳輸容量大、抗頻率選擇性衰落、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)［2］，被廣泛應(yīng)用于陸地移動通信系統(tǒng)、數(shù)字音頻／視頻廣播（DAB／DVB）系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)及航空移動通信系統(tǒng)。

傳統(tǒng)直接使用FPGA和DSP實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)原型開發(fā)方法存在工程實(shí)現(xiàn)難度大、開發(fā)周期長、可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)［3］，難以滿足快速通信系統(tǒng)原型開發(fā)的需求，且難以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普及。2011年，斯坦福大學(xué)的Katti教授提出了利用通用軟件無線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripheral，USRP）［4-6］和實(shí)驗(yàn)虛擬儀器工程平臺（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）［7-8］完成通信系統(tǒng)原型開發(fā)的方法［9］，并將其應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該方法利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的基帶信號處理，利用USRP實(shí)現(xiàn)A／D及D／A轉(zhuǎn)換、中頻及射頻信號的處理?；赨SRP和LabVIEW的通信系統(tǒng)原型開發(fā)方法具有工程實(shí)現(xiàn)簡單、開發(fā)周期短、可擴(kuò)展性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢，得到了學(xué)術(shù)界與業(yè)界的廣泛應(yīng)用［10］。

文獻(xiàn)［11］中利用USRP和LabVIEW構(gòu)成的軟件無線電平臺完成了高頻譜效率頻分復(fù)用（Spectrally Efficient Frequency Division Multiplexing，SEFDM）系統(tǒng)原型的開發(fā)；文獻(xiàn)［12］中利用該平臺搭建了數(shù)字調(diào)制無線傳輸系統(tǒng)收發(fā)信機(jī)并進(jìn)行了圖像的傳輸；文獻(xiàn)［13］中利用該平臺完成了長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）信號的頻譜感知與監(jiān)測；文獻(xiàn)［14］中提出一種基于USRP的軟件無線電算法驗(yàn)證平臺的構(gòu)建方法，驗(yàn)證了FFT捕獲算法等在類GPS偽衛(wèi)星信號的捕獲和跟蹤中的正確性和可行性。

本文以IEEE 802.11a協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，利用USRP和LabVIEW構(gòu)成的軟件無線電平臺實(shí)現(xiàn)了802.11a OFDM收發(fā)信機(jī)的原型構(gòu)建，在無線信道環(huán)境下進(jìn)行了文本傳輸。該原型系統(tǒng)能夠直觀形象地展示信號的時域、頻域特性，通過添加加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信道及頻偏可進(jìn)一步完成性能測試和算法驗(yàn)證，為通信學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及相關(guān)科研工作提供了很好的應(yīng)用實(shí)例。

1 IEEE 802.11a物理層傳輸標(biāo)準(zhǔn)

1.1 IEEE 802.11a物理層主要參數(shù)

表1為IEEE 802.11a物理層的主要技術(shù)參數(shù)。

IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)建議OFDM符號循環(huán)前綴的持續(xù)時間應(yīng)為室內(nèi)無線信道最大時延擴(kuò)展（0.2μs左右）的3～4倍。為了節(jié)省頻譜資源、減小子載波間干擾，在數(shù)據(jù)子載波兩側(cè)插入虛子載波，零頻處的子載波則作為直流子載波，不傳輸信息。

表1 IEEE 802.11a物理層主要參數(shù)

1.2 IEEE 802.11a OFDM幀結(jié)構(gòu)

圖1 為IEEE 802.11a OFDM的幀結(jié)構(gòu)。

圖1 IEEE 802.11a OFDM幀結(jié)構(gòu)

幀結(jié)構(gòu)由3個字段組成：物理層匯聚協(xié)議（PLCP）前導(dǎo)字段、SIGNAL信號字段和數(shù)據(jù)字段［15］。其中，PLCP前導(dǎo)字段由10個重復(fù)的短訓(xùn)練符號和2個重復(fù)的長訓(xùn)練符號組成，主要用于幀同步、載波同步及信道估計。SIGNAL信號字段由1個OFDM符號組成，該符號承載的信息進(jìn)一步分為5個域：速率域、保留域、長度域、奇偶校驗(yàn)域及尾比特。數(shù)據(jù)字段由長度可變的若干個OFDM符號組成。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 發(fā)射機(jī)的實(shí)現(xiàn)

圖2為IEEE 802.11a OFDM發(fā)射機(jī)框圖。

圖2 IEEE 802.11a OFDM發(fā)射機(jī)框圖

信源輸出的比特序列送入擾碼器進(jìn)行比特擾碼處 理，擾碼器輸出的比特序列隨后送入卷積編碼器和交織器完成信道編碼和比特交織，交織器輸出的比特序列進(jìn)一步通過調(diào)制器完成符號映射，調(diào)制符號經(jīng)過串、并轉(zhuǎn)換及插入導(dǎo)頻和虛子載波后通過快速傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）完成OFDM調(diào)制，在插入循環(huán)前綴（CP）后通過并、串轉(zhuǎn)換形成OFDM基帶信號，并與前導(dǎo)序列和SIGNAL信號組合成幀，通過USRP轉(zhuǎn)換為射頻信號，經(jīng)射頻天線送入信道傳輸。

參照圖2給出的發(fā)射機(jī)框圖，基于LabVIEW設(shè)計實(shí)現(xiàn)了802.11a OFDM發(fā)射機(jī)，如圖3所示。

圖3 IEEE 802.11a OFDM發(fā)射機(jī)程序框圖

發(fā)射機(jī)由8個單元組成：發(fā)射機(jī)配置、信源、擾碼器、卷積編碼器、交織器、調(diào)制器、OFDM調(diào)制和成幀及數(shù)據(jù)寫入。發(fā)射機(jī)配置單元完成802.11a OFDM發(fā)射機(jī)相關(guān)參數(shù)的配置，配置的技術(shù)參數(shù)包括：I／Q采樣率、載波頻率及發(fā)射機(jī)增益等；信源單元完成ASCII文本到比特序列的轉(zhuǎn)換；其他單元依次完成802.11a OFDM數(shù)字基帶信號處理；最后通過數(shù)據(jù)寫入單元將LabVIEW產(chǎn)生的數(shù)字基帶信號送入USRP設(shè)備。

圖3中每個單元相對獨(dú)立，在使用過程中可以根據(jù)實(shí)際需要對某些單元（如擾碼器等）進(jìn)行替換，以驗(yàn)證發(fā)射機(jī)相關(guān)模塊功能和算法的正確性。

2.2 接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)

圖4為IEEE 802.11a OFDM接收機(jī)框圖。

圖4 IEEE 802.11a OFDM接收機(jī)框圖

USRP完成射頻信號的接收、下變頻及A／D轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字基帶信號送入幀同步器和載波同步器完成幀同步及載波頻偏估計與校正，載波同步器輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過串、并轉(zhuǎn)換及移除CP后通過FFT完成OFDM解調(diào)，利用信道估計器得到的信道估計值進(jìn)行迫零均衡，在移除虛子載波和導(dǎo)頻后進(jìn)行并、串轉(zhuǎn)換，得到的串行信息進(jìn)一步送入解調(diào)器進(jìn)行符號解映射，解映射后的比特序列再送入解交織器和卷積譯碼器完成解交織和信道譯碼，卷積譯碼器輸出的比特序列通過解擾器完成解擾，最后恢復(fù)出文本。

參照圖4給出的接收機(jī)框圖，基于LabVIEW設(shè)計實(shí)現(xiàn)了802.11a OFDM接收機(jī)，如圖5所示。

接收機(jī)由13個單元組成：接收機(jī)配置、幀同步器、載波粗同步器、載波精同步器、幀成分提取器、信道估計器、SIGNAL信息提取器、OFDM解調(diào)器、解調(diào)器、解交織器、卷積譯碼器、解擾器及信宿。接收機(jī)配置單元完成802.11a OFDM接收機(jī)相關(guān)參數(shù)的配置，配置的技術(shù)參數(shù)包括：I／Q采樣率、載波頻率及接收機(jī)增益等；2～4單元完成幀同步和載波同步；幀成分提取器單元對幀成分進(jìn)行提取，分離出長訓(xùn)練序列、SIGNAL信號及數(shù)據(jù)，分別用于信道估計、SIGNAL信息提取及8～12單元的數(shù)字基帶信號處理；在信宿單元完成比特序列到ASCII文本的轉(zhuǎn)換。同樣，在使用過程中可以根據(jù)實(shí)際需要對接收機(jī)中的某些單元（如信道估計器等）進(jìn)行替換，以驗(yàn)證不同算法的正確性和可行性。

2.3 載波精同步單元的實(shí)現(xiàn)

由于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)涉及單元較多，限于篇幅不能一一贅述，以接收機(jī)載波精同步為例給出基于LabVIEW的通信系統(tǒng)算法的實(shí)現(xiàn)方法。

采用最大似然算法，利用長訓(xùn)練序列的周期重復(fù)性進(jìn)行載波精同步。假設(shè)OFDM發(fā)射信號的低通等效信號［16］為：

圖5 IEEE 802.11a OFDM接收機(jī)程序框圖

式中：xn為發(fā)送信號；ftx為發(fā)送載波頻率；Ts為采樣周期。忽略噪聲信號，接收到的低通等效信號為：

式中，fΔ＝ftx－frx為發(fā)送和接收載波的頻偏。

定義兩個連續(xù)重復(fù)的長訓(xùn)練符號之間的延時為D個采樣點(diǎn)，即xn＝xn＋D，OFDM符號長度為L，則周期重復(fù)信號的延時相關(guān)和為：

式中，*表示共軛。

將式（2）代入式（3）可得：

理論上講，若不存在頻偏，R應(yīng)為實(shí)數(shù)。由式（4）可知，頻偏的影響體現(xiàn)在e－j2πfΔDTs這一項(xiàng)上。根據(jù)式（4）可得頻率偏移的估計值為：

式中，arg為對復(fù)數(shù)取幅角運(yùn)算，D＝64。得到載波頻率偏移的估計值后，將接收的子載波數(shù)據(jù)乘以e－j2πf＾ΔTsn來進(jìn)行頻偏校正。

圖6為載波精同步程序框圖。

載波精同步包括2個單元：精頻偏估計和頻偏校正。在精頻偏估計單元提取接收到的2個長訓(xùn)練序列rn、rn＋D，根據(jù)式（4）對所提取到的2個長訓(xùn)練序列進(jìn)行時域相關(guān)等操作，完成頻偏的精估計，得到所估的頻偏值；在頻偏校正單元將接收數(shù)據(jù)與e－j2πf＾ΔTsn相乘，完成載波頻偏補(bǔ)償。由于在求頻偏估計值時要除以2和Ts并添加“負(fù)號”，在進(jìn)行頻偏校正時還要再乘以2和Ts且也要添加“負(fù)號”，通過抵消這3項(xiàng)來簡化設(shè)計過程。輸出經(jīng)過頻偏校正或未經(jīng)校正的數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證載波同步算法的正確性和必要性。

圖6 載波精同步程序框圖

3 結(jié)果與分析

圖7所示為802.11a OFDM發(fā)射機(jī)的測試結(jié)果。

發(fā)射機(jī)的測試結(jié)果包括5個部分：USRP硬件參數(shù)和信道參數(shù)的設(shè)置、所傳輸?shù)奈谋尽⑿亲鶊D、功率譜圖及時域波形圖。由OFDM信號功率譜圖可見，信號帶寬接近16 MHz，零頻處為直流，不傳輸信息，還可以看出在協(xié)議規(guī)定的4個位置插入了導(dǎo)頻。由OFDM時域波形圖可以很明顯地看出，在數(shù)據(jù)符號前有10個重復(fù)的短訓(xùn)練符號及2個重復(fù)的長訓(xùn)練符號。

圖8所示為802.11a OFDM接收機(jī)的測試結(jié)果。

接收機(jī)的測試結(jié)果包括5個部分：USRP硬件參數(shù)的設(shè)置、接收文本、無噪聲影響且頻偏校正后的星座圖、功率譜圖及時域波形圖。從無噪聲且頻偏校正后的星座圖、功率譜圖、時域波形圖中都可以看出與發(fā)射機(jī)基本一致，只是受到了真實(shí)信道等外界因素的影響。接收機(jī)恢復(fù)出的文本和發(fā)射機(jī)所發(fā)射的文本完全一致，驗(yàn)證了原型系統(tǒng)的正確性。

圖7 IEEE 802.11a OFDM發(fā)射機(jī)測試結(jié)果

圖8 IEEE 802.11a OFDM接收機(jī)測試結(jié)果

基于該原型系統(tǒng)，可以很方便地進(jìn)行通信系統(tǒng)性能的測試驗(yàn)證。例如，通過調(diào)整發(fā)射機(jī)部分所添加的AWGN信道參數(shù)，可以實(shí)時、直觀地觀察噪聲和頻偏等對接收信號星座圖的影響，并驗(yàn)證載波同步算法的正確性和必要性。受噪聲影響和頻偏影響的接收信號星座圖如圖9所示，這里噪聲功率設(shè)為－30 dB，頻偏設(shè)為2 kHz。

由圖9可見，受噪聲影響的接收信號星座圖變得分散，未進(jìn)行頻偏校正的接收信號星座圖發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，在這兩種情況下均會出現(xiàn)誤碼，以致無法完全正確地恢復(fù)出所發(fā)射的文本。

圖9 受噪聲（a）和頻偏（b）影響的接收信號星座圖

4 結(jié) 語

本文利用USRP和LabVIEW構(gòu)成的軟件無線電平臺設(shè)計實(shí)現(xiàn)了802.11a OFDM的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)。介紹了IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)的物理層參數(shù)及幀結(jié)構(gòu)以及發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)過程，最終實(shí)現(xiàn)在無線信道環(huán)境下進(jìn)行文本的傳輸。測試結(jié)果表明，該平臺可以快速搭建通信系統(tǒng)原型并可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行性能測試及算法驗(yàn)證，適用于通信學(xué)科的形象化實(shí)驗(yàn)教學(xué)及相關(guān)的科研工作。