創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下實(shí)驗(yàn)方法研究
——以O(shè)FDM通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)為例

李燕龍陳 曉黃 坤馬振宇

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

創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下實(shí)驗(yàn)方法研究
——以O(shè)FDM通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)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(xué)，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西 桂林 541004）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐性教學(xué)中最基本的教學(xué)形式，是整個(gè)教學(xué)過程中理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié)，它對培養(yǎng)學(xué)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(shí)現(xiàn)正交頻分復(fù)用系統(tǒng)（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）通信系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生在實(shí)現(xiàn)過程中研究新的實(shí)驗(yàn)方法，快速穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，文章所提出的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下的實(shí)驗(yàn)方法具有較強(qiáng)的結(jié)合工程實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，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(fù)用；USRP-RIO；電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化

傳統(tǒng)通信實(shí)驗(yàn)主要采用實(shí)驗(yàn)箱的方式驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)而沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方法研究，國內(nèi)許多知名高校尤其是工科電類專業(yè)進(jìn)行了一些有益的探索與實(shí)踐，總結(jié)了許多經(jīng)驗(yàn)。近年來，在借鑒其它院校的成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合桂林電子科技大學(xué)的實(shí)際情況，通過采用EDA技術(shù)軟實(shí)驗(yàn)輔助電子技術(shù)理論課程，加強(qiáng)了學(xué)生對電路理論基礎(chǔ)知識的掌握，提高了學(xué)生理論與實(shí)際相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)能力，完成綜合電路設(shè)計(jì)調(diào)試的硬實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力。實(shí)踐表明，這種理論與實(shí)踐相結(jié)合、軟實(shí)驗(yàn)與硬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的培養(yǎng)方式對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、動(dòng)手能力和提高學(xué)生的綜合設(shè)計(jì)能力是非常有益的。目前國家又在重點(diǎn)推廣創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)戰(zhàn)略，以重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維，而大多數(shù)學(xué)生缺乏一個(gè)完整學(xué)習(xí)數(shù)字系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和知識儲備，因此結(jié)合系統(tǒng)驗(yàn)證的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下的實(shí)驗(yàn)方法研究就具有重要的價(jià)值。

桂林電子科技大學(xué)電子電路實(shí)驗(yàn)中心面向全院相關(guān)專業(yè)開設(shè)了獨(dú)立設(shè)置的實(shí)驗(yàn)課程及課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。開設(shè)“電子電路實(shí)驗(yàn)”，旨在加深學(xué)生對已學(xué)課程內(nèi)容的理解，掌握電子電路實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計(jì)、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(shí)驗(yàn)?zāi)壳按蠖鄶?shù)是通過仿真實(shí)現(xiàn)，或者部分采用實(shí)驗(yàn)箱實(shí)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(shí)，擴(kuò)展一些創(chuàng)新性項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

正交頻分復(fù)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(xué)生能夠在適合的平臺上實(shí)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(fù)用實(shí)現(xiàn)并行傳輸?shù)亩噍d波傳輸技術(shù)，其思想早在20世紀(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)方法，將 DFT運(yùn)用到OFDM的調(diào)制解調(diào)中，為OFDM的實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)，大大簡化了多載波技術(shù)的實(shí)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(dòng)通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了較為深入的研究， OFDM在無線移動(dòng)通信領(lǐng)域中的應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展［2］。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)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(gè)子信道上使用子載波進(jìn)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(gè)子信道上進(jìn)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(gè)載波上進(jìn)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(gè)低速數(shù)據(jù)流對應(yīng)一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)制，組成一個(gè)多載波的同時(shí)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(gè)互不重疊的子通道，N個(gè)子通道進(jìn)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(fù)用（OFDM）系統(tǒng)中，整個(gè)帶寬分成N個(gè)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(hù)帶寬，但這會使頻譜利用率下降。為了克服子載波間這個(gè)缺點(diǎn)，OFDM采用N個(gè)重疊的子頻帶，各個(gè)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(jìn)的過程中，OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一，可以結(jié)合分集、時(shí)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容選定OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，既可以進(jìn)一步理解正交頻分復(fù)用系統(tǒng)，又能讓學(xué)生方便快速實(shí)現(xiàn)，同時(shí)選擇合適的軟件無線電平臺創(chuàng)新性的實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證系統(tǒng)［3］。

OFDM 系統(tǒng)的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是正交子載波可以利用快速傅利葉變換（fast Fourier transform）（FFT/IFFT）實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)。對于N點(diǎn)的IFFT運(yùn)算，需要實(shí)施N2次復(fù)數(shù)乘法，而采用常見的基于2的IFFT算法，其復(fù)數(shù)乘法僅為（N/2）log2N，可顯著降低運(yùn)算復(fù)雜度。在OFDM系統(tǒng)的發(fā)射端加入保護(hù)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(hù)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(shí)延副本內(nèi)包含的波形周期個(gè)數(shù)也是整數(shù)。這樣時(shí)延小于保護(hù)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(shí)間抽取算法和按頻率抽取算法DFT的運(yùn)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(jì)、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。”

如圖 2所示，軟件無線電在通用硬件平臺上運(yùn)行軟件模塊，用于實(shí)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(qiáng)的快速通信原型平臺，適用于物理層設(shè)計(jì)、算法驗(yàn)證、多標(biāo)準(zhǔn)無線系統(tǒng)、無線信號錄制與回放、通信情報(bào)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(gè)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)千兆以太網(wǎng)連接，以高達(dá)20MS/s的速度傳給主機(jī)。

圖3 NI-USRP-RIO無線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件、軟件平臺

對于發(fā)射端，PC主機(jī)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(dá)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(shí)現(xiàn)的。這些組件包括濾波器、調(diào)制器和解調(diào)器。因?yàn)檫@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(dòng)。由于現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)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(fù)雜度抽象為可視化語言的圖形化編程語言，科學(xué)家以及工程師們廣泛地使用它在多種環(huán)境中進(jìn)行采集、處理、分析和顯示測量數(shù)據(jù)。所以可以在計(jì)算機(jī)上使用LabVIEW快速地實(shí)現(xiàn)軟件無線電的設(shè)計(jì)。

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(gè)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(shí)現(xiàn)VI邏輯功能的各類控制或處理算法，而前面板相當(dāng)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(jì)

3.1 總體軟件結(jié)構(gòu)

LabVIEW 提供了項(xiàng)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(xiàng)目管理器

在項(xiàng)目管理器中，最重要的VI為OFDM TX-RX on Single USRP RIO（HOST）.vi，運(yùn)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(jìn)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(jìn)行去CP、FFT、信道估計(jì)、QAM解映射等處理過程；并且能通過USRP配置VI對USRP進(jìn)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(jìn)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(jì)的前面板如圖7所示，主要是放置各個(gè)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(shí)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(jìn)行調(diào)制解調(diào)，另外通過單獨(dú)設(shè)定for循環(huán)定時(shí)，使QAM調(diào)制的階數(shù)定時(shí)循環(huán)改變，實(shí)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(xué)上可以快速實(shí)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(gè)數(shù)據(jù)符號后面的一段數(shù)據(jù)復(fù)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(shí)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(hù)間隔CP，接收端收到多徑信號，因?yàn)楦鲝絺鬏斅窂讲煌竭_(dá)接收機(jī)的時(shí)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(shí)會產(chǎn)生困難。

具體實(shí)現(xiàn)程序如圖11所示。

圖11 加CP（a）、去CP（b）

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文基于LabVIEW和USRP-RIO平臺實(shí)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(shí)現(xiàn)了OFDM系統(tǒng)的發(fā)送與接收，同時(shí)在實(shí)現(xiàn)該過程時(shí)，采用了創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下的實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)果說明該方案及該實(shí)驗(yàn)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(jì)了一套簡易的OFDM收發(fā)系統(tǒng)，實(shí)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(shí)現(xiàn)了OFDM系統(tǒng)的發(fā)送與接收過程。通過創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下的實(shí)驗(yàn)方法研究，本文主要得到了以下幾點(diǎn)啟示，理論知識與工程結(jié)合的最好方法就是實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)過程中結(jié)合已有的知識和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)方法研究；以一個(gè)實(shí)驗(yàn)方法為例，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法整體創(chuàng)新是切實(shí)可行和有效的。

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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(xué)教育教學(xué)改革項(xiàng)目“數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)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(jì)廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目“面向電子設(shè)計(jì)工程師認(rèn)證的電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革”（2012JGB138）。

李燕龍（1989-），男，桂林電子科技大學(xué)講師，碩士研究生學(xué)歷，研究方向?yàn)闊o線寬帶通信、信號處理。