趙寶樂(lè)，姬五勝，段 揚(yáng)，陳建敏

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222；2.天津市靜文高級(jí)中學(xué)，天津 300392）

軟件無(wú)線電是以數(shù)字信號(hào)處理為核心，在一個(gè)通用的平臺(tái)上集成模塊化硬件，并采用軟件編程技術(shù)來(lái)改變傳統(tǒng)意義上的純硬件電路技術(shù)[1-3]?；贚abVIEW和通用軟件無(wú)線電外設(shè)（universal software radio peripheral，USRP）的調(diào)頻鑒頻虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想和CS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，將平臺(tái)劃分為客戶端、服務(wù)器和本地硬件[4-6]，實(shí)現(xiàn)的調(diào)頻鑒頻實(shí)驗(yàn)基于USRP的通信系統(tǒng)，包括軟件和硬件兩部分。其中，硬件以USRP為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了相關(guān)的信號(hào)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)[7-8]。目前，大部分院校仍使用傳統(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)箱設(shè)備，開(kāi)展的是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生無(wú)法深入了解通信實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)[9-10]。部分院校開(kāi)設(shè)了基于軟件無(wú)線電平臺(tái)的通信原理實(shí)驗(yàn)，有的側(cè)重于通信原理的局部基本概念，諸如調(diào)制方式、載波同步等[11-12]；有的只針對(duì)特定的通信場(chǎng)景[13]，適用專業(yè)有限；而有的所用平臺(tái)不通用[14-15]，導(dǎo)致在實(shí)踐教學(xué)中無(wú)法推廣。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)利用LabVIEW和USRP實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)和射頻信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，構(gòu)建無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，有效減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入[16-17]。由于采用通用平臺(tái)，其適用性更廣。本文重點(diǎn)介紹頻率調(diào)制（frequency modulation，F(xiàn)M）和FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟原理和應(yīng)用方法，利用LabVIEW進(jìn)行FM調(diào)制及解調(diào)通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程和系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作；然后進(jìn)行有效的FM調(diào)制和解調(diào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，構(gòu)建“真實(shí)”的通信系統(tǒng)。

1 基于USRP和LabVIEW的虛擬仿真平臺(tái)

USRP是定義的無(wú)線電硬件平臺(tái)，通過(guò)千兆以太網(wǎng)端口連接到主機(jī)，板上使用的芯片可以在中頻數(shù)模單獨(dú)轉(zhuǎn)換。芯片可以將中頻信號(hào)傳輸?shù)交鶐?，自?dòng)將高頻信號(hào)直接傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。USRP主要工作頻段為50 MHz～2.2 GHz，包括射頻發(fā)送音頻以及射頻接收視頻2個(gè)不同的數(shù)據(jù)通道，根據(jù)不同種類的硬件類型，無(wú)線電發(fā)射器或接收器也可以使用相同頻率的USRP。

LabVIEW是簡(jiǎn)單易操作的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)編程語(yǔ)言，廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)景，作為通用的數(shù)據(jù)信息采集和檢測(cè)方法以及儀器軟件的分析語(yǔ)言，在分析領(lǐng)域的各種專業(yè)應(yīng)用中都接受了其常規(guī)方法。LabVIEW是連接終端用戶的工具，具有多功能、多類型通信接口和多種庫(kù)功能，可以快速直觀地配置儀器并直接控制外部輸入輸出設(shè)備，方便快捷地使用各種交互式控件、菜單模塊和功能模塊，輕松編程各種儀器，實(shí)現(xiàn)虛擬平臺(tái)儀器仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)[18]。USRP和LabVIEW虛擬仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 平臺(tái)原理圖

本平臺(tái)使用LabVIEW進(jìn)行軟件系統(tǒng)應(yīng)用編程操作，USRP實(shí)現(xiàn)無(wú)線基帶信號(hào)與射頻信號(hào)之間的數(shù)據(jù)傳輸。USRP無(wú)線收發(fā)器系統(tǒng)結(jié)合LabVIEW的多功能無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸處理能力，為軟件定義無(wú)線應(yīng)用的實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目創(chuàng)建重要的環(huán)境。

2 調(diào)頻鑒頻虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

FM調(diào)制是指一種可根據(jù)載波基帶信號(hào)強(qiáng)度的頻率變化自動(dòng)改變載波調(diào)制頻率值的載波調(diào)制方式。

2.1 調(diào)頻鑒頻實(shí)驗(yàn)原理

（1）FM頻率調(diào)制

未調(diào)制時(shí)的調(diào)頻電路輸出電壓uC可表示為

式中：ωc為瞬時(shí)角頻率；（ωct+φ0）為已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)相位；Um為載波振幅。

當(dāng)輸入調(diào)制信號(hào)uΩ（t）后，調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)角頻率ω（t）將在ωc的基礎(chǔ)上按照uΩ（t）的規(guī)律變化，kf為由調(diào)頻電路所決定的比例常數(shù)，即

式中：Δω為瞬時(shí)頻偏。

經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的積分器，頻率調(diào)制可以被簡(jiǎn)化為相位調(diào)制。FM調(diào)制信號(hào)可表示為

（2）FM頻率解調(diào)

FM解調(diào)是調(diào)制的逆過(guò)程，原理是從接收的已調(diào)信號(hào)中恢復(fù)原基帶信號(hào)，對(duì)已調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算。

2.2 NI USRP與LabVIEW網(wǎng)絡(luò)連接（1）硬件要求

一個(gè)千兆以太網(wǎng)端口的計(jì)算機(jī)與USRP設(shè)備連接，需要天線、千兆以太網(wǎng)電纜、USRP通用電源變壓器。

（2）軟件要求

使用NI LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用LabVIEW調(diào)制工具包和LabVIEW數(shù)字濾波器工具包。配置電腦IP地址為：192.168.10.1，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)和共享中心——更改適配器設(shè)置——以太網(wǎng)屬性——TCP/IPv4。工作頻率為50 MHz～2.2 GHz。

2.3 頻率調(diào)制發(fā)送程序設(shè)計(jì)

FM調(diào)制發(fā)送端：LabVIEW編寫上位機(jī)程序?qū)?shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在device name窗口配置電腦IP地址后，將設(shè)備名稱地址與USRP的IP地址設(shè)置一致，為192.168.10.2，active antenna是USRP-2920的 天 線選擇端。在前面板設(shè)置USRP的載波頻率為180 MHz，將增益值設(shè)置為10 dB，number of samples是USRP的采樣點(diǎn)數(shù)，設(shè)置窗口為20 000。FM發(fā)送端程序框圖如圖2所示。

圖2 FM發(fā)送端程序框圖

在NI-USRP Configure Signal.vi中，將IQ采樣率設(shè)置為2k（Samples/s），IQ rate必須大于中頻的2倍，本振頻率是空中需要發(fā)送的頻率，將天線選擇端設(shè)為TX1，發(fā)射端的參數(shù)設(shè)置為載波頻率200 MHz。調(diào)制完的FM信號(hào)通過(guò)USRP發(fā)送到空中，將調(diào)頻調(diào)制信號(hào)直接發(fā)送USRP，然后通過(guò)USRP對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字/模擬等轉(zhuǎn)換后，再將無(wú)線信號(hào)發(fā)送到空中。在該程序中，基帶信號(hào)和中頻信號(hào)被生成并將其相乘，以獲得調(diào)頻調(diào)制信號(hào)。

2.4 調(diào)制接收程序設(shè)計(jì)

FM調(diào)制接收端波形圖如圖3所示。打開(kāi)FM接收端界面，設(shè)置設(shè)備地址與發(fā)送端一致，程序正常運(yùn)行調(diào)試過(guò)程中，如果運(yùn)行出錯(cuò)，會(huì)在程序“錯(cuò)誤輸出”的顯示主界面顯示錯(cuò)誤代碼和相應(yīng)程序的錯(cuò)誤信息描述。運(yùn)行發(fā)送端和接收端程序，可以觀察發(fā)送端和接收端的波形圖；在FM接收界面中，有3個(gè)波形圖表，黑白圖形為解調(diào)出最原始的波形，左上角圖形為經(jīng)過(guò)復(fù)數(shù)至實(shí)部虛部轉(zhuǎn)換變化后，形成的已調(diào)信號(hào)的波形圖，右上角圖形為經(jīng)過(guò)FFT Power Spectrum and PSD.vi轉(zhuǎn)化而成的波形圖，調(diào)整發(fā)送端和接收端載波頻率，觀察接收端的波形變化。

頻率解調(diào)也是調(diào)制過(guò)程中的一種逆變過(guò)程，將接收的FM已調(diào)信號(hào)通過(guò)相位解調(diào)器，借助USRP設(shè)備內(nèi)部IQ解調(diào)器實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)求導(dǎo)運(yùn)算，還原出基帶信號(hào)。

2.5 FM調(diào)制仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）驗(yàn)證程序編寫的正確性

發(fā)送端將IP地址設(shè)置為192.168.10.2，發(fā)送界面的載波頻率設(shè)置為180 MHz，將增益設(shè)置為10 dB，輸入的范圍為0～30 dB，采樣點(diǎn)設(shè)置為200 000，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如圖3左側(cè)所示，F(xiàn)M發(fā)送程序調(diào)制信號(hào)如圖4所示。在程序運(yùn)行后設(shè)備能持續(xù)運(yùn)行，且在發(fā)送端面板上能夠觀察到信號(hào)正確的波形。

圖3 FM接收端波形圖

圖4 FM發(fā)送端調(diào)制信號(hào)

（2）驗(yàn)證接收端的正確性

設(shè)置設(shè)備IP地址，與發(fā)送端參數(shù)一致，接收端設(shè)置天線為RX2（發(fā)送端天線為TX1），界面顯示的是經(jīng)過(guò)程序解調(diào)出的調(diào)制信號(hào)，接收界面載波頻率同樣為180 MHz。

（3）運(yùn)行發(fā)送端和接收端

USRP結(jié)合LabVIEW的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)如圖5所示。

圖5 USRP結(jié)合LabVIEW的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

程序FM調(diào)制發(fā)送端前面板和接收端前面板（包括設(shè)備名稱、載波頻率、增益及波形圖）進(jìn)行對(duì)比，在前面板改變基帶信號(hào)的頻率，可以觀察到FM調(diào)制波形所產(chǎn)生正確的波形變化，能夠觀察到正確的解調(diào)波形。由此可以得出，發(fā)送調(diào)制信號(hào)的波形和接收信號(hào)的波形一致，表明實(shí)現(xiàn)了解調(diào)。

2.6 FSK調(diào)制發(fā)送程序設(shè)計(jì)

通過(guò)編碼模塊將二進(jìn)制文本流變成二進(jìn)制比特流，然后再將二進(jìn)制比特流映射成為二進(jìn)制符號(hào)流，接下來(lái)通過(guò)脈沖成形濾波器將符號(hào)變成復(fù)基帶波形，復(fù)基帶波形依次通過(guò)數(shù)字上變頻器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，形成模擬基帶信號(hào)，最后通過(guò)射頻前端將模擬基帶信號(hào)發(fā)射出去。

LabVIEW編寫程序設(shè)置參數(shù)，設(shè)備名稱地址與USRP的IP地址一致，為192.168.10.2，將天線設(shè)為TX1，載波頻率為1.20 GHz，增益值設(shè)置為10 dB。信道設(shè)置窗口將信道模型設(shè)置為AWGN。

調(diào)試顯示中，打包持續(xù)時(shí)間為1.456 m/s，強(qiáng)制IQ速率為1 M，碼元速度為250 kHz，信號(hào)星座圖、信號(hào)眼圖和信號(hào)IQ波形與FM調(diào)制類似。FSK調(diào)制發(fā)送端發(fā)送的文本為一段由“0”和“1”組成的代碼，F(xiàn)SK調(diào)制程序框圖主要包括初始化、調(diào)制、脈沖成型、信道設(shè)置、生成圖像、傳輸和傳輸關(guān)閉。FSK調(diào)制發(fā)送端程序框圖如圖6所示。

圖6 FSK調(diào)制發(fā)送端程序框圖

2.7 FSK解調(diào)接收程序設(shè)計(jì)

接收過(guò)程與發(fā)射過(guò)程相反，通過(guò)射頻前端將高頻信號(hào)變成模擬基帶信號(hào)，然后依次通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字下變頻器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成復(fù)基帶信號(hào)，通過(guò)匹配濾波器將信噪比最大化，抽樣判決將符號(hào)變成比特流，最后將比特流解碼成文本。

FSK解調(diào)接收端界面硬件設(shè)置與發(fā)送端一致，打開(kāi)調(diào)制設(shè)置，改變調(diào)制方式、采樣因子、采樣率、濾波器參數(shù)、濾波長(zhǎng)度和脈沖成型濾波器。同步設(shè)置界面，同步方式設(shè)置為定時(shí)估計(jì)，碼元定時(shí)恢復(fù)算法為最大能量算法，幀檢測(cè)算法為自相關(guān)。最后在調(diào)試界面，強(qiáng)制載波頻率為100 kHz，強(qiáng)制IQ速率為100 K，強(qiáng)制增益和強(qiáng)制帶寬均為0，F(xiàn)SK解調(diào)界面右側(cè)顯示的接收文本數(shù)據(jù)與發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)一致。FSK解調(diào)接收程序框圖主要包括初始化、信號(hào)偵測(cè)、接收和關(guān)閉會(huì)話。

2.8 FSK調(diào)制解調(diào)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

發(fā)送端和接收端同時(shí)運(yùn)行，F(xiàn)SK調(diào)制發(fā)送端前面板和FSK解調(diào)接收端前面板（包括設(shè)備名稱、載波頻率、增益）進(jìn)行對(duì)比。程序運(yùn)行過(guò)程中，子程序顯示當(dāng)前參數(shù)變化。在發(fā)送端程序框圖界面改變傳輸?shù)奈谋?，直接從已調(diào)波的幅度中恢復(fù)出原數(shù)字基帶信號(hào)，F(xiàn)SK解調(diào)接收端所接收的文本與圖6發(fā)送端發(fā)送的文本進(jìn)行對(duì)比可知兩端的文本信息一致，信號(hào)星座圖、信號(hào)眼圖和信號(hào)IQ波形仿真結(jié)果與理論分析內(nèi)容一致，解調(diào)電路正確解調(diào)出信號(hào)，表明FSK解調(diào)實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本平臺(tái)以LabVIEW軟件和USRP硬件相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)典型的模擬通信、數(shù)字通信虛擬實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建起直觀的、可以看得見(jiàn)的通信系統(tǒng)，構(gòu)建出實(shí)際需要的模擬通信和測(cè)試技術(shù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模塊的更改，并對(duì)平臺(tái)的功能進(jìn)行擴(kuò)展和延伸，獲得新的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。除了本實(shí)驗(yàn)以外，還可以實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)幅和檢波虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、USRP與Matlab聯(lián)合通信原理實(shí)踐教學(xué)，構(gòu)建BPSK/4-QAM數(shù)字調(diào)制與脈沖成型濾波、BPSK/4-QAM數(shù)字解調(diào)接收等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，信道編碼、信道均衡和同步技術(shù)等虛擬實(shí)驗(yàn)，以及實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的探究性實(shí)驗(yàn)，包括正交分頻復(fù)用系統(tǒng)（OFDM）、4G/5G移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)等。