XSRP平臺的TD-LTE物理層協議實驗設計

李 安， 楊建文， 王玉皞， 周輝林

（南昌大學信息工程學院，南昌 330031）

0 引言

近年來，無線通信技術日新月異，通信系統日益復雜，系統設計與性能評估越來越困難［1-2］。高等學校里傳統的無線通信系統的實驗開展主要分為固化的實驗箱、純軟件的仿真和購買真實的移動通信系統設備［3-4］。然而固化的實驗箱，面臨無法擴展、彈性不足的困難，軟件仿真存在脫離實際環境過于理想化的情況，而實際的無線通信系統設備價格昂貴，臺套數難以滿足學生人數眾多的需求，難以大規模運用于高等學校的實驗教學。

現代的通信實驗開展更趨于基于通用軟件無線電平臺結合科學計算語言、測試測量工程軟件實現［5-6］。典型的通用軟件無線電平臺XSRP［7-8］由軟件和硬件兩類資源組成：硬件部分包含可用軟件配置硬件的射頻收發子模塊和數字信號處理（Digital Signal Processor，DSP）子模塊，并可利用以太網接口與上位機完成即時通信，還具有擴展靈活、使用簡單等特點；軟件部分基于LabVIEW開發，能夠方便調用Matlab程序并以目錄樹形式呈現實驗項目，可以通過軟件配置射頻參數并圖形化顯示時域和頻域波形，使系統設計和評估變得更加便捷和高效。同時利用XSRP可以快速構建通信系統，并經由真實信道收發，彌補傳統無線通信系統實驗的不足［9］。

本文基于XSRP 通用軟件無線電開發平臺，結合科學工程計算語言Matlab，設計并實現了TD-LTE［10-11］物理層協議全流程數據傳輸。同時，該系統基于軟硬件協同，可重構性好，通過上位機可方便觀測控制實驗過程和配置XSRP。

1 XSRP及工作流程

XSRP軟件無線電開發平臺是一個通用平臺，適用性更廣，有2 路射頻收發通道，可支持2 天線同時收發，多臺同時使用可實現多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）的多天線收發系統設計。XSRP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（Field Programmable Gate Array，FPGA），具體技術參數如下：

（1）硬件平臺為“數字基帶+寬帶射頻傳輸”的結構，其中數字基帶必須包括與高速數據總線相連的DSP模塊，而不能采用無DSP或DSP為一個獨立單元的設計方法。

（2）至少提供1 個RJ45 千兆網口，2 ×2 MIMO射頻端口，1 個通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口，1 個通用非同步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter，UART）接口，1 個通用輸入／輸出口（General Purpose Input Output，GPIO）接口，3 個陰極射線示波器端口，1 個DSP 下載口，1 個FPGA 下載口。工作頻段范圍為70 MHz ～6 GHz，支持2 ×2MIMO 工作模式，包括高精度12 bit模擬數字轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）和數字模擬轉換器（Digital to Analog Converter，DAC），通道寬度范圍為56 MHz，包含一個128 抽頭的有限脈沖響應（Finite Impulse Response，FIR）濾波器，最高發射功率為+16 dBm，發射功率衰減范圍為0 ～90 dB（0.25 dB步進），最大接收功率-10 dBm，接收功率可調范圍為0 ～73 dB（1 dB步進）。

（3）可利用千兆以太網口實時發送基帶同相正交（In-phase Quadrature，IQ）信號到上位機，在上位機上除了完成通信算法的處理外，還可以利用網口發送基帶信號到DSP上，完成數據的實時處理

（4）基于LabVIEW 可以方便地使用. m 文件程序，也可以隨時調整、優化和重寫；能夠通過樹形方式展示所有要完成的實驗，也能夠添加（移除）新（過時）的實驗項目。實驗過程中可在測試點觀測、對比輸入／輸出信號，可圖形化地呈現信號的時域和頻域波形，并可以在一個窗口同時分組查看、合并比較4 組波形，輸出圖片格式的波形，也可以在軟件界面上設置軟件無線電平臺的收發射頻參數。

XSRP的硬件連接如圖1 所示：XSRP通過以太網線與上位機相連，上位機產生信源參數通過以太網口傳送給XSRP 的DSP 模塊產生已調信號同相／正交（In-phase／Quadrature，I／Q）數據。上位機一方面可以觀察已調信號時頻特征，另一方面通過以太網線把I／Q 數據傳送給XSRP 的FPGA，通過數字上變頻（Digital Up-Converter，DUC）和數模變換，經過放大器和發射天線TX將信源發送出去［6］。

圖1 XSRP的硬件連接示意圖

TX發射的信號經過實際的無線傳播信道后，由XSRP的接收天線RX 通道接收，接收信號通過FPGA模塊的低噪音放大器、數字下變頻（Digital Down-Converter，DDC）和模數轉換等處理，產生I／Q 數據，首先通過以太網線將I／Q數據傳送給上位機用于觀察接收信號的時頻特征，上位機再將數據傳送給DSP模塊，對I／Q數據進行解調等處理，恢復出原始信號。恢復出的原始信號和發送的原始信號可以在上位機上進行對比，對整個物理層協議的性能進行評估。

2 TD-LTE協議實驗的實現過程

TD-LTE物理層協議的實驗分為發送和接收兩個模塊［12］，發送模塊通過上位機端Matlab軟件編程產生原始信源數據流，經過Turbo 編碼，正交幅度調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）調制和正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）調制產生3GPP 標準協議的1 幀基帶數據，包括14 個2048 點的OFDM符號和2048 點的循環前綴（Cyclic Prefix，CP），共計30720 點復值數據，然后通過以太網線傳輸給XSRP的FPGA，按IQ IQ的順序進行格式轉換后通過低電壓差分信號（Low Voltage Differential Signaling，LVDS）接口送到射頻模塊，經濾波、上采樣和混頻等處理后由發射天線TX發射出去。相應的，在接收模塊中XSRP 通過RX 接收到射頻信號后，先經射頻模塊對接收信號放大、混頻、濾波、ADC等輸出12 bit數據送到FPGA轉換為16 bit的復值基帶信號，然后通過以太網線將信號傳輸給上位機，基于Matlab對信號進行OFDM解調、QAM 解調和Turbo 譯碼等處理，最后將數據還原出來。發送模塊和接收模塊框圖如圖2 所示。

圖2 TD-LTE物理層協議實現框圖

在整個實驗中，上位機端Matlab 軟件的控制起到了非常重要的作用，可以用來實時監測信號的時頻特性，還可以用于獲取數據流、處理數據流和配置XSRP射頻參數。

2.1 發送模塊的實現

TD-LTE物理層協議實現的發送模塊組成［6］如圖3所示：將產生的信源按照TD-LTE協議規定插入循環冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check，CRC）并進行碼塊分割；然后將每個碼塊通過Turbo 編碼轉換成Turbo碼，接著每個碼塊之間進行交織以及速率匹配；最后將碼塊級聯起來組成整個碼塊，整個碼塊通過信道交織、加擾產生擾碼，通過QAM 調制、導頻生成、資源映射將數據映射到頻域［13-14］，再進行OFDM 調制和插入導頻形成一個完整的發送端幀結構，具體的幀結構如圖4 所示。

圖3 發送模塊框圖

圖4 幀結構圖

以調制子模塊設計而言，按照3GPP 標準協議中TD-LTE協議可得，調制子模塊可以采用正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）、16QAM、64QAM不同調制方式，對經過加擾后的二進制比特序列調制，從而形成復值調制符號，圖5 為上述3 種不同調制方法的星座圖［15-16］。

圖5 星座圖

為了使不同調制方式的平均功率相同而方便比較系統性能，必須對符號的能量進行歸一化處理，即確保在統計上任一符號的能量都為1。這里以16QAM 為例闡述如何對符號的能量進行歸一化。假設每個符號的發送概率相等，均為1／16，則映射的目的除要求每個符號點的相對位置都正確之外，還必須對每個符號的能量歸一化。根據圖5 中顯示的16QAM的星座圖，不難計算出每個符號的平均能量為

表1 和2 所示分別為3GPP協議規定的調制方式傳輸數據比特序列Bit與IQ映射表。

表1 16QAM算法Bit與IQ映射表

表2 64QAM算法Bit與IQ調制映射表

按照協議規定，通過上位機端的Matlab 編程可以實現QPSK／16QAM／64QAM調制，發送端QAM調制程序如圖6 所示。首先將不同的復數值做成一張表，每一種調制方式都對應一張表，根據不同的Bit 值來查表；然后根據調制方式選擇QPSK，16QAM 或者64QAM的調制。這樣就完成了發送端的調制部分，組合其他小組的模塊便可以實現整體的發送端模塊。

圖6 調制子函數

2.2 接收模塊的實現

接收模塊由射頻接收天線、除導頻、OFDM 解調、解資源映射、信道估計和均衡、QAM 調制、解擾、解交織、解級聯、Turbo編碼和CRC 校驗等部分組成，如圖7 所示：由射頻接收天線接收信號并進行處理，通過去除導頻得到OFDM符號；然后經過OFDM解調將時域數據轉換成頻域數據，接著頻域數據通過解資源映射和信道估計得到各天線各信道的插入符號，經過信道均衡使信號加強和易于區分；再將可分離的信號進行QAM解調得到擾碼，經過解擾、解交織和解級聯等處理后生成Turbo 碼，Turbo 碼譯碼后經過CRC 校驗無誤即可得到原始的數據流。

圖7 接收模塊框圖

以QAM 解調為例，由QAM 調制可知，經過QAM調制的擾碼會通過協議規定的映射表轉換成一對一對的I／Q值，同理，QAM 解調的原理便是按照調制原理的逆思路進行解調，通過表中每個I／Q 值對應的Bit值將QAM符號轉換成一連串的Bit值，這樣便完成了QAM解調設計。

3 實驗結果和分析

本實驗可在室內利用單臺XSRP 完成，將每個模塊組合起來，發送模塊和接收模塊聯調，構成整體鏈路。在程序運行前需要通過計算機軟件配置XSRP的射頻接收天線數、發送天線增益，接收天線增益、載波平率和輸出功率等參數。

（1）在理想仿真情況下。無噪聲引入，不經過實際射頻時的接收信號的星座圖和波形圖如圖8 所示。由圖可知，各信號之間區分明顯，且幅度值u都比較大，非常有利于接收端的正確判決。

圖8 無噪聲且配置正常的接收信號結果

（2）存在信道噪聲情況下。經過XSRP收發射頻模塊，射頻參數配置正確時的接收信號的星座圖和波形圖如圖9 所示。由圖可知，各信號之間雖然存在干擾，但還是區分比較明顯，且幅度值u也比較大，并不會對接收信號的判決產生比較大的影響。

圖9 有噪聲且配置正常的接收信號結果

（3）未正確配置射頻參數。經過XSRP收發射頻模塊，但未正確配置接收端射頻參數時接收信號的星座圖和波形圖如圖10 所示。由圖可知，由于各個信號擠在一起，無法區分，且幅度值u也比較小，在接收端判決中將無法將各信號分離。

圖10 未進行配置的接收信號結果圖

4 結語

本文基于XSRP 軟件無線電開發平臺設計、搭建并實現了TD-LTE 物理層協議實驗，該實驗利用了XSRP軟件無線電平臺軟件可配置和控制的優勢，實現了符合3GPP技術標準的TD-LTE物理層協議，在真實信道環境條件下的快速驗證和性能測試。結果表明，利用真實空中環境的軟件無線電實驗平臺新體系可以完全滿足移動通信系統原型整體設計需要，并解決了實際信道環境下算法驗證和性能分析的問題。該系統應用于實驗可以幫助學生更好地掌握通信系統綜合設計、通信原理、信號處理等相關知識，未來將進一步將其擴展到5G NR 物理層協議的實驗、驗證和分析。