新工科背景下通信原理課程創新性實驗的探索研究

朱艷萍，卞方軍，金聰偉，陳金立

（南京信息工程大學電子與信息工程學院，南京 210044）

0 引言

新工科是教育部為應對科技革命和產業變革提出的推動高等工程教育改革的新思路和新方案。通信原理的課程設置也需要突出對電子信息類專業學生創新能力的培養［1-2］。基于的虛擬儀器設計了多輸入多輸出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）通信系統。

本實驗使用LabVIEW 平臺和通用軟件無線電外設（Universal Software Radio Peripheral，USRP）來搭建2×2 MIMO 通信系統，編寫空時分組編碼（Space time block coding，STBC）程序，實現圖像的實時傳輸等任務。LabVIEW是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言，其核心概念就是“軟件即是儀器”。虛擬實驗平臺能夠突破時空的限制，對實驗室減少購入、維護的設備資金等方面具有較大幫助，還可以增強學生的獨立思考能力，提升學生系統設計的能力，在實用和經濟方面都具有明顯的優勢［3-5］，是將來EDA實驗室熱門應用。

1 硬件平臺的搭建

1.1 硬件原理與連接

所謂軟件無線電，就是一種用軟件實現物理層連接的無線通信設計。一部無線通信機，其通信功能由特定的軟件來實現。同樣的硬件，輸入不同軟件，就具有不同的通信功能，就可以使不同單位的、不同制式的通信機器進行相互通信［6］。

如圖1 所示，USRP 軟件無線電設備是一種靈活的軟件無線電外設平臺，可以與眾多軟件配套使用，比如：GNU Radio、Matlab／Simulink、LabVIEW等。只需將USRP平臺與計算機通過一根網線連通，就可以實現一個軟件無線電系統。

圖1 通用軟件無線電外設實物圖

本實驗采用兩臺計算機配合4 臺USRP軟件無線電設備構成完整的MIMO通信系統。計算機通過網線與USRP設備連接，USRP設備之間則通過MIMO數據同步電纜進行連接，設備連接如圖2 所示。

圖2 MIMO通信系統硬件連接圖

1.2 USRP設備IP地址設置

實驗室的設置的固定IP 地址是192.168.10.02。整個機房其他設備的IP 地址可根據實驗室大的局域網設置成小的局域網地址，只需把最后的IP地址末端的02 改成0～255 的其他地址即可，即分配子網在其他計算機。在2 ×2 MIMO 通信系統中需要用到4 臺不同USRP設備，設置4 個不同的子IP來區分。為方便，設接收端設備IP 地址為192.168.10.96 和192.168.10.97；發送端設備IP地址為192.168.10.98和192.168.10.99。

2 發送系統的設計與實現

MIMO通信發送系統主要包含信源、數據包形成、基帶調制（8PSK調制）、時空分組編碼、添加訓練序列和脈沖成形等模塊［7］，這些模塊構成了如圖3 所示的MIMO通信發射系統。

圖3 MIMO通信發射系統框圖

2.1 發送系統前面板設計

虛擬儀器的前面板相當于傳統儀器的操作臺，基于虛擬儀器可以用戶自定義的特點，設計了如圖4 所示的發送系統前面板。前面板中包含了USRP設備的IP設置、匹配濾波器的參數設置、文件路徑的選擇、載波頻率IQ速率等參數設置操作控件，還包含了發送圖片的顯示和傳輸信息顯示面板。通過此操作面板對MIMO通信發射系統進行各種參數的設置，人機交互友好，方便用戶入手，適合基礎薄弱的人進行通信原理創新性實踐的初步研究。

圖4 MIMO通信系統發射前面板

2.2 發送信號形成

發送信號的形成主要包含了信源和數據包形成兩個模塊。信源模塊由獲取圖片和生成bit兩部分組成。在圖片文件路徑中選擇圖像文件，將圖像信息轉換成01 bit數組，完成信源生成。此次實驗信源為JPG 格式的圖像，采用LabVIEW提供的能夠讀取JPG格式圖像并輸出圖像數據的模塊，完成圖像信息的提取。

數據包形成模塊根據設定的數據包大小將信源模塊生成的信息bit分割成若干個如圖5 所示的數據包。

圖5 數據包形成模塊程序框圖

每個數據包由5 個部分組成：38 bit 數據包保護頭、48 bit數據包頭、16 bit 數據包長度、若干信息bit和200 bit數據包保護尾，結構見表1。

表1 基帶數據包結構

在數據包模塊中，接收端同步工作由數據包保護頭完成，數據包頭包含了該數據包的總數據包大小以及編號等內容，數據包長度則包含了該數據包中信息bit的大小，信息bit 包含了數據包傳輸所需要的信息bit，保護末尾信息bit工作由數據包保護尾完成，防止在通過成型濾波器時尾部數據丟失。

2.3 基帶調制

本系統的基帶調制采用8PSK 調制。8PSK 就是利用載波的相位變化來傳遞信息，而振幅和頻率保持不變：

式中：A為振幅；ωc為載波頻率；φk為［0，2π］上間隔均勻的8 種不同的相位［8］。

2.4 時空分組編碼

時空編碼技術作為一種新型的信號處理和編碼技術，為每個符號周期和發送信號增加時間和空間的相關性［9］。空時編碼也能起到減緩信道衰減的速度、降低誤碼率的作用。某一信息經過空時編碼技術正交編碼后，由多根天線發射出去，使得信號具有正交性。只要在接收端進行簡單的線性合并處理，就可以將多路獨立信號區分，得到滿分集增益。

2 ×2 MIMO通信系統中，STBC發射編碼矩陣為：

式中：X1，X2分別為天線1 和天線2 在兩個周期內發射的信號；x1、x2為不同的數據；“*”為共軛。顯然＝0，即具有正交性［10］。STBC 程序的輸入、輸出模型如圖6 所示。

圖6 STBC輸入輸出模型

該模塊可以進行如下測試：輸入4 個不同數據｛0.707 ＋0.707i，0.707 -0.707i，-0.707 -0.707i，-0.707 ＋0.707i｝，若輸出數組如圖7 所示，則可驗證STBC程序正確。

圖7 STBC程序的驗證

至此，MIMO通信系統的發射部分已經完成，其設計框圖如圖8 所示。

圖8 MIMO通信系統發射程序框圖

3 接收系統的設計與實現

MIMO通信接收系統包含天線接收、提取數據、同步、信道估計、STBC譯碼、基帶解調［11］、圖片顯示等模塊，其框圖如圖9 所示。

圖9 MIMO通信系統接收框圖

3.1 提取數據

在提取數據中，MIMO 通信系統根據信號樣點的功率值分布來提取傳輸數據包。將接收信號采樣點平均功率的1／4 設為門限值，將每50 個信號采樣點的平均功率與門限值進行比較。如果采樣點值高于門限值，則該信號被認定為待處理信息，低于門限值則被認定為噪聲，由此可以提取出傳輸數據包［12］。

3.2 同 步

同步主要包含符號同步、幀同步和載波同步3 個步驟。

符號同步采用最大能量算法來完成符號同步。設置過采樣參數（假設過采樣系數為4），取出不同位置的采樣點，分別計算各個數組的功率，選擇功率最大的數組對應的采樣位置，最終達到符號同步，數據降采樣的效果。

幀同步采用了延時自相關法［13］。該方法可有效地克服傳播距離對信號功率的衰減影響，保證其較高的同步檢測概率。主要參數的計算如式（3）～（6）所示。假設在發射端添加長度為N的序列，其前半部分、后半部分具有相同的符號。

接收序列和接收序列延時的自相關系數

式中，rd為接收序列。

自相關系數窗口期間接收的能量

接收序列經過兩個滑動窗口R和P為判決計算求得歸一化值

將其最大值作為數據的幀頭

載波同步采用Moose算法進行校正。其頻偏的最大似然估計值

式中，Y1、Y2分別為相鄰兩個N點的FFT 輸出。由此估計值對采樣點進行修正。

3.3 信道估計

在實際應用中，信道估計算法的原則是追求一種誤碼率、復雜度低，計算精確度高的均方誤差最小算法［12］。如圖10 所示的信道估計一般模型，圖中e（n）為信道的估計誤差，用符號誤碼率表示［14］。這里采用LS信道估計算法，利用訓練序列完成信道估計，其程序框圖如圖11、12 所示。接收的二維數據包中每行的數據分別對應2 個不同的序列，每個序列又一一對應各自的發送天線。只需對每行的序列進行信道估計，最終便可得到4 個信道的參數。

圖10 信道估計模型

圖11 信道估計程序框圖（輸入部分）

圖12 信道估計程序框圖（輸出部分）

假設接收到的信號為：

式中：H為信道響應；Xp為發送信號；Wp為噪聲。

最小二乘（Least square：LS）算法對式（8）中的參數H進行估計，使函數J最小：

可以得到LS算法的信道估計值：

3.4 STBC譯碼

接收系統的譯碼利用最大比值接收方法［15］進行空時分組譯碼［16］。STBC 具有編碼構造容易，譯碼簡單，分集增益高等優勢。假設天線發送的數據x1、x2經過空時分組編碼后得到：）

假設信道參數矩陣為：

式中，hij為第i根接收天線收到第j根發送天線數據的傳輸信道參數。

接收到的數據陣為：

利用估計出的信道參數處理接收到的信號。估計信道參數為：

令

可以得到解調后的信號：

STBC譯碼子程序的模型如圖13 所示。

圖13 最大比值合并接收進行STBC譯碼模型

至此設計完成了MIMO 通信系統接收部分，其系統設計框圖如圖14 所示。

圖14 MIMO通信系統接收程序框圖

4 實驗調試與結果分析

按照MIMO 通信系統創新實驗的設計步驟，連接好硬件電路并設定好USRP 設備的IP 地址，運行MIMO發送系統程序，從發送系統的路徑下選擇發送并記錄實驗數據。發送與接收圖片如圖15 所示，圖15（a）為發送的原始圖片，圖15（b）為經過MIMO系統后接收的圖片。

圖15 收發圖片測試對比

從發送和接收圖片的比較，接收圖片存在一定的丟包現象，這可通過調整發送bit 數等參數降低丟包率。根據對比收發圖片的清晰度，發現接收圖像中存在噪聲。通過實驗手段證實了噪聲的存在以及對通信系統的影響。

5 結語

在本次通信原理創新實驗中，主要采取了虛擬儀器LabVIEW 與配套的軟件無線電平臺實現2 × 2 MIMO通信系統。在虛擬儀器中實現了MIMO收發系統的相關編碼與調制功能，只需簡單的設備就可實現復雜的功能，主要功能由計算機軟件編程實現，降低了儀器的復雜度，學生可根據課題的需求設計開發所需系統，為通信原理進行深層次的創新實驗提供便捷的平臺與實現方法，為新工科背景下培養學生的創新奠定基礎。