基于OFDM技術的USRP實時視頻傳輸實驗設計和實現

于正威， 李 鵬， 劉 文

(南京信息工程大學 電子與信息工程學院，南京 210044)

0 引 言

近年來，無線通信技術迅猛發展，但隨之而來的是系統的日益復雜，因此以傳統方案去設計和評估通信系統早已顯得十分困難[1]。就教學領域來看，傳統的通信實驗可以分為2類：第1類是固化的實驗箱，第2類是基于軟件的仿真。固化的實驗箱，存在可擴展靈活性不強的問題，軟件仿真存在實驗效果不夠貼近實踐的問題[2]。而現代的通信實驗更趨向于通用軟件無線電外設(Universal Software Radio Peripheral，USRP)和實驗虛擬儀器工程平臺(Laborary Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW)組成的新型通信實驗平臺。USRP是可使用軟件重配置的射頻硬件和數字信號處理模塊，具有可擴展、使用簡單等特點；LabVIEW是目前應用廣泛、發展迅速、功能強大的圖形化軟件開發集成環境，被視為標準的數據采集和儀器控制軟件。結合USRP和LabVIEW可以快速的構建通信系統，并彌補傳統通信實驗的不足[3]。

本文基于USRP和LabVIEW組成的通信實驗平臺，設計并實現了一個以正交頻分復用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM) 技術為基礎的視頻傳輸實驗[4]。

1 USRP軟件無線電系統

軟件無線電通信實驗平臺以可編程的硬件作為通用平臺，用可重配置的軟件實現各種無線電功能。通過更新軟件可以兼容多種無線通信制式，具有方便參數配置、全方位觀察各模塊信號的優勢[5]。

現有的軟件無線電的實驗設計，主要側重于通信的局部模塊，例如調制方式、載波同步等。但USRP實驗平臺是一個通用平臺，適用性更寬。USRP的基本硬件結構包括：射頻天線、射頻轉換器、模數轉換器、數模轉換器和現場可編程門陣列(FPGA)[6]。

本文選用USRP-2943R作為射頻收發設備，有TX1、TX2、RX1、RX2通道，可支持2天線同時收發，使用多輸入、多輸出MIMO擴展口(MIMO EXPANSION)可與其它USRP設備相連組成MIMO系統。具體收發端性能參數如表1和表2所示。

表1 USRP-2943R發射端性能參數

表2 USRP-2943R接收端性能參數

1.1 實驗平臺軟件LabVIEW介紹

本實驗平臺利用LabVIEW進行軟件編程。LabVIEW使用圖像化開發語言，編程過程清晰簡單。USRP配合LabVIEW具有強大的數據處理能力，為開發軟件無線電的實時系統創造了條件。LabVIEW支持混合語言編程，兼容Matlab腳本或者C語言代碼，能夠提高軟件開發效率，降低代碼移植難度。

1.2 USRP工作流程

如圖1 USRP硬件框圖所示：USRP通過PCI-Ex(peripheral component interconnect express)插槽與主機相連后，主機產生已調制的基帶信號，通過PCIe傳送給USRP，通過數字上變頻(DUC)和雙通道16 bit的D/AC將其轉換成模擬信號，由此產生的模擬信號與指定的載頻混頻，最后經過放大器和天線RX1將信號以一定的頻率發出[7]。

圖1 USRP硬件框圖

信號在真實的信道環境傳播后，被接收天線RX2接收，然后接收端利用低噪聲放大器，將RX2中的信號放大、混頻操作，產生同相正交(I/Q)信號，再經過濾波和雙通道的模數轉換器采樣。接收端對采樣生成的信號進行數字下變頻(DDC)，并通過PCIe傳送到PC主機端進行解調恢復原始信號[8]。

2 視頻傳輸實驗的實現過程

視頻傳輸系統實驗分為2個發送和接收模塊。如圖2所示：發送模塊先將獲取到的視頻流數據進行格式轉換，再將數據流在LabVIEW上進行QAM調制，OFDM調制，最后經過USRP對信號進行DUC、D/AC后進行濾波、混頻和放大等處理，由TX發射[9]。與之對應，接收模塊在RX接收到射頻信號后，USRP將射頻信號進行放大、混頻和濾波，再進行A/DC、DDC轉換，然后通過PCIe輸送到PC端，在LabVIEW軟件中進行反OFDM、QAM解調等操作，最后將視頻流數據輸出進行播放。

實驗中， LabVIEW不但起到控制作用而且還被用于獲取視頻流數據、處理數據流和配置USRP。其中最重要部分在于處理數據流，即使用LabVIEW實現OFDM傳輸系統。

圖2 視頻傳輸實現框圖

2.1 發送模塊的建立

發送模塊鏈路流程如圖3所示：將視頻數據每2 bit映射為一個QAM符號，再把串行符號數據轉變為并行符號數據，之后在每個并行流中每隔5個符號數據放置一個導頻，導頻放置完成后，再插入虛擬子載波(即插入0序列)，由此構成新的符號序列，對新構成的符號序列再進行256點IFFT變換，然后加上64點的加循環前綴(Cyclic Prefix，CP)，再由并行轉為串行，最后加入傳統的短訓練序列(Legacy Short Training Field，L-STF)和傳統的長訓練序列(Legacy Long Training Field，L-LTF)，到此就建立好了實驗的發送模塊。實驗中實際發送一幀數據為7 000 bit，每幀有5 000 bit有效數據[10]。發送幀結構如圖4所示。

圖3 發射模塊框圖

圖4 發送幀結構

在圖3中從QAM調制后到USRP前模塊都是OFDM技術的實現細節。OFDM技術是本實驗中的一個關鍵技術，其具有頻譜利用率高、抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾等優點。OFDM的基本原理是將單個碼周期為Ts的信息流由串行轉變為N路并行碼流，每個碼流都加載到一個子載波上，子載波的頻率滿足fn=f0+n/(NTs)，n=0,1…，N-1，即子載波的頻譜相互正交[11]。

OFDM調制方法如下：令Xl[k]表示在第k個子載波上的第l個發送符號，l=0,1,…,∞，k=0,1…，N-1。由于串并的轉換，N個符號的傳輸時間變為NTs，一個OFDM符號的傳輸時間為Tsym=NTs，令Ψl,k(t)為第k個子載波上的第l個OFDM信號：

(1)

時間連續的基帶信號表示為：

(2)

在時刻t=lTsym+nTs，Ts=Tsym/N，fk=k/Tsym，對式(2)時間連續的基帶OFDM信號進行采樣，可以得到相應的離散時間的OFDM符號：

(3)

實驗根據圖3、4所示的發送端框圖和幀結構，再結合OFDM的相關公式，利用LabVIEW進行編程，實現了基于OFDM技術的實時視頻傳輸系統的發射端功能。LabVIEW程序如圖5所示，圖中各個信號的處理是相對獨立的，因此可對每個模塊進行黑盒測試[12]。

2.2 接收模塊的建立

接收模塊的鏈路流程如圖6所示：對USRP接收的數據流，利用L-LTF和L-STF分別進行互相關和自相關計算，以實現粗同步和精同步[13]。在找到同步頭后，對數據流執行串轉并，去CP，FFT變換，去導頻和去虛擬子載波等操作。再根據導頻使用最小平方算法(Least Squares，LS)進行信道估計，根據信道估計結果進行線性插值，即可得到其他子載波上的信道特性[14]。對接收到的數據流乘上各子載波的信道特性，就可以得到均衡后的數據。最后并串轉換即可恢復成QAM符號流，再經過QAM解調就可得到視頻比特流數據。

圖5 發射端程序

圖6 接收端程序框圖

從圖6中可以看出，從USRP后到QAM解調前的模塊都是OFDM的解調過程。接收模塊中OFDM的原理如下式所示：

lTsym

(4)

(5)

接收端關鍵點除了FFT變換過程，還包括信道估計過程。因信道環境較好，選擇了相對簡單、復雜度相對較低的LS算法進行信道估計[15]。實驗中利用導頻和LS算法進行信道估計，此時的頻域信號為:

Y=HX+Z

(6)

(7)

(8)

(9)

實驗根據圖6和相關的OFDM解調原理，搭建了LabVIEW的接收端程序，如圖7所示。此程序中各個模塊也應該進行黑盒測試，以保證各模塊的功能完整性和正確性。

圖7 接收端程序

3 實驗結果與分析

本實驗環境是室內，實物如圖8所示。運行程序前，設置載波頻率、采樣率、本振頻率、輸出功率等參數，具體參數如圖9所示。

接收信號的頻譜圖如圖10所示。

圖11為接收端星座圖。由圖11(b)可見,接收端能夠接收正確數據。

圖12(a)為正在發送的視頻圖片，圖12(b)為接收到的視頻圖片。通過對比圖12(a)、(b)可以發現,PC端能夠正確恢復發送的視頻，但會出現細微的延時。

圖8 實物圖

圖9 發送端(左)和接收端(右)參數設置

圖10 接收端信號頻譜

(a) 未均衡的星座圖

(b) 均衡的星座圖

(a) (b)

圖12 視頻接收界面

4 結 語

本文基于USRP和LabVIEW的通信實驗平臺搭建并實現了基于OFDM技術的實時無線視頻傳輸系統。文章首先介紹了USRP和LabVIEW構成的軟件無線電平臺的組成和優點。闡述了系統的設計和實驗的實現過程。最后結合視頻播放軟件，在接收端觀察到了實驗發送的視頻。

實驗結果表明，這種基于真實環境的無線通信實驗平臺，完全適用于通信系統原型的整體設計，解決了科研中真實環境下算法驗證的問題，提高了驗證算法的可行性，值得推廣于無線通信教學領域，以此加深學生對通信原理的理解，提高學生的動手能力。