李燕龙陈 晓黄 坤马振宇

（1.桂林电子科技大学，广西 桂林 541004；2.桂林电子科技大学信息科技学院，广西 桂林 541004）

创新驱动下实验方法研究
——以OFDM通信系统设计实现为例

李燕龙1陈 晓2黄 坤1马振宇1

（1.桂林电子科技大学，广西 桂林 541004；2.桂林电子科技大学信息科技学院，广西 桂林 541004）

实验教学是实践性教学中最基本的教学形式，是整个教学过程中理论联系实际的重要环节，它对培养学生的创新思维和创新能力起着十分重要的作用。文章利用软件无线电新平台创新性实现正交频分复用系统（Orthogonal Frequency Division Multiplexing， OFDM）通信系统，驱动学生在实现过程中研究新的实验方法，快速稳定实现系统。实验表明，文章所提出的创新驱动下的实验方法具有较强的结合工程实现的特点，具有较好的创新创业改革示范作用。

创新；正交频分复用；USRP-RIO；电子设计自动化

传统通信实验主要采用实验箱的方式验证通信系统中部分环节，随着软件无线电技术的发展，很多高校也在传统通信电路实验中融入了 EDA应用，但是普遍存在仅仅只是用EDA仿真技术来替换传统的硬件实验而没有进行实验方法系统总结的问题。目前广西区高校还没有针对性的工程结合理论创新性实现实验方法研究，国内许多知名高校尤其是工科电类专业进行了一些有益的探索与实践，总结了许多经验。近年来，在借鉴其它院校的成功经验的基础上，结合桂林电子科技大学的实际情况，通过采用EDA技术软实验辅助电子技术理论课程，加强了学生对电路理论基础知识的掌握，提高了学生理论与实际相结合的综合设计能力，完成综合电路设计调试的硬实验来培养学生的实际动手能力。实践表明，这种理论与实践相结合、软实验与硬实验相结合的培养方式对于培养学生的创新意识、动手能力和提高学生的综合设计能力是非常有益的。目前国家又在重点推广创新创业战略，以重点培养学生创新性思维，而大多数学生缺乏一个完整学习数字系统的分析、设计方法和现代通信系统的设计理念和知识储备，因此结合系统验证的创新驱动下的实验方法研究就具有重要的价值。

桂林电子科技大学电子电路实验中心面向全院相关专业开设了独立设置的实验课程及课内实验。开设“电子电路实验”，旨在加深学生对已学课程内容的理解，掌握电子电路实验方法，培养学生分析、设计、组装和调试电子电路的基本技能，并为掌握后继专业课程打好基础。通信系统实验目前大多数是通过仿真实现，或者部分采用实验箱实现，采用EDA技术就可以很好地解决上述问题，可以大大突破这些限制，同时，扩展一些创新性项目，培养学生的创新能力。

正交频分复用系统现代数字通信系统应用最为广泛的，如果学生能够在适合的平台上实现出OFDM系统，那么将对通信相关知识的整合和理解将大为提高。OFDM系统是一种把高速串行数据通过频分复用实现并行传输的多载波传输技术，其思想早在20世纪60年代就提出来了，1971年，Weistein和Ebert提出了用离散傅立叶变换（DFT）实现多载波调制，人们开始研究并行传输的多载波系统数字化实现方法，将 DFT运用到OFDM的调制解调中，为OFDM的实用化奠定了基础，大大简化了多载波技术的实现［1］。8年代，随着对多载波调制在高速调制解调器、数字移动通信等领域中的应用进行了较为深入的研究， OFDM在无线移动通信领域中的应用得到了迅猛发展［2］。

1 实验内容设计依据

OFDM 是一种高效的数据传输方式，其基本思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用子载波进行调制，并且各子载波并行传输［2］。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM相对于一般的多载波传输的不同之处是他允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交，则可以从混叠的子载波上分离出数据信号。由于OFDM允许子载波频谱混叠，其频谱效率大大提高，因而是一种高效的调制方式。

通常数字调制都是在单个载波上进行，如PSK、QAM等，这种单载波的调制方法易发生码间干扰而增加误码率，而且在多径传播的环境中因受瑞利衰落影响而会造成突发误码。若将高速率的串行数据转换为若干低速率数据流，每个低速数据流对应一个载波进行调制，组成一个多载波的同时调制的并行传输系统。这样将总的信号带宽划分为N个互不重叠的子通道，N个子通道进行正交频分多重调制，就可克服上述单载波串行数据系统的缺陷。

在过去的频分复用（OFDM）系统中，整个带宽分成N个子频带，子频带之间不重叠，为了避免子频带间相互干扰，频带间通常加保护带宽，但这会使频谱利用率下降。为了克服子载波间这个缺点，OFDM采用N个重叠的子频带，各个子频带间是相互正交的，因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来，这样便减小了载波间干扰。在向 B3G/4G演进的过程中，OFDM是关键的技术之一，可以结合分集、时空编码、干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。

因此本实验内容选定OFDM系统实现，既可以进一步理解正交频分复用系统，又能让学生方便快速实现，同时选择合适的软件无线电平台创新性的实现验证系统［3］。

OFDM 系统的一个主要优点是正交子载波可以利用快速傅利叶变换（fast Fourier transform）（FFT/IFFT）实现调制和解调。对于N点的IFFT运算，需要实施N2次复数乘法，而采用常见的基于2的IFFT算法，其复数乘法仅为（N/2）log2N，可显著降低运算复杂度。在OFDM系统的发射端加入保护间隔，主要是为了消除多径所造成的ISI。其方法是在OFDM符号保护间隔内加入循环前缀，以保证在FFT周期内OFDM符号的时延副本内包含的波形周期个数也是整数。这样时延小于保护间隔的信号就不会在解调过程中产生ISI［4-5］。

FFT是一种DFT的高效算法，FFT算法可分为按时间抽取算法和按频率抽取算法DFT的运算为：

由于OFDM的频率利用率最高，又适用于FFT算法处理，近年来在多种系统得到成功的应用，在理论和技术上已经成熟。目前，OFDM技术在4G LTE技术中已得到使用，是LTE三大关键技术之一。本文主要完成一套简易的OFDM收发系统，发射链路主要过程包括：信源、QAM映射、IFFT算法、加循环前缀 CP、射频；接收链路主要过程包括：射频、去CP、FFT算法、信道估计、QAM解映射、数据输出等过程［6-9］，原理框图如图1所示。

图1 OFDM原理框图

2 软件无线电平台USRP和LabVIEW

2.1 软件无线电平台原理

无线通信测试创新论坛对软件无线电（SDR）的定义：“无线电的一些或全部的物理层功能由软件定义。”

如图 2所示，软件无线电在通用硬件平台上运行软件模块，用于实现无线通信功能。结合USR-RIO通用软件无线电硬件和模块化软件的优势，提供了满足多功能需求且灵活性强的快速通信原型平台，适用于物理层设计、算法验证、多标准无线系统、无线信号录制与回放、通信情报等应用［3］。

图2 软件无线电平台架构

2.2 NI USRP-RIO硬件平台

如图3所示，为NI-USRP-RIO无线实验系统硬件、软件平台。如图4所示，射频信号输入到SMA连接器后的处理系统框图，USRP-RIO通过直接变频接收机中的混频操作，产生同相正交（I/Q）基带信号，再经过一个2通道，速率为100MS/s的14位模数转换器（ADC）采样。然后数字化的I/Q数据并行地经过数字下变频（DDC）过程，混频、滤波，使输入的100MS/s的信号达到指定速率。32位的下变频采样信号（每对I/Q各16位），通过标准千兆以太网连接，以高达20MS/s的速度传给主机。

图3 NI-USRP-RIO无线实验系统硬件、软件平台

对于发射端，PC主机合成32位的基带I/Q信号样本（每对I/Q各16位），然后再通过千兆以太网以高达20MS/s速度供给NI USRP-RIO。USRP-RIO硬件利用数字上变频（DUC）过程，将输入信号速率变为400MS/s，然后采用双通道16位的数模转换器（DAC）将其转换成模拟信号。由此产生的模拟信号与指定的载频混频。

图4 NI-USRP-RIO系统框图

2.3 NI LabVIEW

软件无线电系统其中的数据处理组件是由软件实现的。这些组件包括滤波器、调制器和解调器。因为这些组件是在软件中定义的，可以根据需要调整软件无线电系统，而不必在硬件上作大的改动。由于现在的计算机可以有非常快速的处理器和高速接口，NI-USRP-RIO的主要开发环境是 NI LabVIEW。NI LabVIEW 是一种将文本编程的低复杂度抽象为可视化语言的图形化编程语言，科学家以及工程师们广泛地使用它在多种环境中进行采集、处理、分析和显示测量数据。所以可以在计算机上使用LabVIEW快速地实现软件无线电的设计。

LabVIEW是美国国家仪器公司公司推出的一套基于G语言（图像编程）的商用开发工具，广泛应用于仪器仪表，电气，通信，航天等诸多领域，受到工程师们欢迎［10］。LabVIEW的程序被称为VI，即虚拟仪器。每一个LabVIEW程序都分为前面板和程序面板，其中程序面板包含了以图形方式表示并实现VI逻辑功能的各类控制或处理算法，而前面板相当于输入输出面板，用于程序面板的参数输入或显示数据输出。

3 基于LabVIEW和USRP-RIO的OFDM系统整体设计

3.1 总体软件结构

LabVIEW 提供了项目浏览器，用来方便组织管理各种VI和组件。其结构如图5所示：

图5 项目管理器

在项目管理器中，最重要的VI为OFDM TX-RX on Single USRP RIO（HOST）.vi，运行在Host端，用于OFDM系统中基带数字信号处理及接收和发送。系统在发送前对基带信号进行QAM调制、IFFT、加CP、限幅等基带处理过程；将接收到的信号进行去CP、FFT、信道估计、QAM解映射等处理过程；并且能通过USRP配置VI对USRP进行初始化，配置发送或接收通道参数，控制触发信号，检查数据流状态等。

本文在Host端通过DMA FIFO将OFDM基带信号数据传给FPGA端FIFO，在FPGA VI中对数据进行混频，滤波，插值，之后传给DAC，将数字信号转变为模拟信号，模拟中频信号经由正交上变频后由天线发送出去。接收过程是发送过程的逆过程，这里不再赘述。系统程序框图如图6所示：

图6 系统程序结构框图

本设计的前面板如图7所示，主要是放置各个显示控件，如：调制解调前后星座图、功率谱、误码率以及对信号USRP天线的配置参数等。

图7 系统前面板

3.2 OFDM系统模块实现

3.2.1 QAM调制及解调模块

QAM调制、解调模块主要调用了NI LabVIEW中现有的调制VI来进行调制解调，另外通过单独设定for循环定时，使QAM调制的阶数定时循环改变，实现4QAM、16QAM、32QAM、64QAM循环调制解调［11］。如图8、9所示：

图8 QAM阶数循环

图9 QAM调制（a）、QAM解调（b）

3.2.2 FFT、IFFT模块

IFFT算法简单来说，在OFDM系统中是一种在数学上可以快速实现子载波叠加的方式，是多载波合路的捷径。

FFT算法即为IFFT逆过程。

图10 FFT(左) IFFT(右)

3.2.3 加CP、去CP模块

CP是一个数据符号后面的一段数据复制到该符号的前面形成的循环结构，这样可以保证有时延的OFDM信号在FFT积分周期内总是具有整倍数周期。

如果没有保护间隔CP，接收端收到多径信号，因为各径传输路径不同，到达接收机的时间也不同。各径信号在交叉信号处产生符号间干扰。在解调时会产生困难。

具体实现程序如图11所示。

图11 加CP（a）、去CP（b）

4 实验结果及分析

本文基于LabVIEW和USRP-RIO平台实现了OFDM系统。从图12中可以看出接收端64QAM解调后的星座图清晰可见，误码率为10-6。利用USRP-RIO和LabVIEW平台实现了OFDM系统的发送与接收，同时在实现该过程时，采用了创新驱动下的实验方法，结果说明该方案及该实验方法是可行、有效的。

图12 64QAM调制结果

5 结束语

本文基于LabVIEW及USRP RIO平台，设计了一套简易的OFDM收发系统，实际测试结果表明，该系统能够实现误码率为10-6的传输，实现了OFDM系统的发送与接收过程。通过创新驱动下的实验方法研究，本文主要得到了以下几点启示，理论知识与工程结合的最好方法就是实验；实验过程中结合已有的知识和实验方法进行新的实验方法研究；以一个实验方法为例，推动实验方法整体创新是切实可行和有效的。

［1］ 佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用［M］.北京:人民邮电出版社，2003.

［2］ 王文博，郑侃.宽带无线通信OFDM技术［M］.北京:人民邮电出版社，2003.

［3］ 裘伟廷.基于LabVIEW的虚拟仪器和虚拟实验［J］.现代仪器，2002（3）:17-20.

［4］ 鲁慧.基于USRP和辅助外同步的OFDM系统设计实现［D］.西安:西安电子科技大学，2014.

［5］ 周井玲，蔡文.基于 LabVIEW 的教学实验研究［J］.南通工学院学报（自然科学版），2004（3）:88-90.

［6］ Garbo.G， Mangiones.S， Maniscalco.V. Wireless OFDMOQAM with a small Number of Subcarrrier［C］.IEEE WCNC，2008，2008:187-192.

［7］ N.Laurenti and L.Vangelis. Effiecient implementions and alternative architectures for OFDM-OQAM systems［J］. IEEE Transsactions on Communications，2001，49（4）: 664-675.

［8］ Wen-Rong Wu.Chio.S.Performance of channel estimation methods for OFDM systems in multi-path fading channels［J］.IEEE Transaction on consumer electronics.Feb，2000:161-170.

［9］ I. A. Tasadduq， R. K. Rao. Weighted OFDM with block codes for wireless communication［C］.IEEE Pacific Rim Conference on Communications， Computers and Signal Processing（PACRIM）， Victoria， Canada，2001:441-444.

［10］ 于风云，张平.QAM 调制与解调的全数字实现［J］.现代电子技术，2005，28（3）:53-55.

［11］ 陈通海，李景春，郑娜，等.基于GNU Radio和USRP2的未知信号检测［J］.无线电工程，2012，42（12）:16-19.

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

桂林电子科技大学教育教学改革项目“数字电路实验与 EDA技术协同创兴创业课程建设探索研究”（JGB201633）；新世纪广西高等教育教学改革工程项目“面向电子设计工程师认证的电子电路实验教学体系的改革”（2012JGB138）。

李燕龙（1989-），男，桂林电子科技大学讲师，硕士研究生学历，研究方向为无线宽带通信、信号处理。