朱艳萍，卞方军，金聪伟，陈金立

（南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京 210044）

0 引言

新工科是教育部为应对科技革命和产业变革提出的推动高等工程教育改革的新思路和新方案。通信原理的课程设置也需要突出对电子信息类专业学生创新能力的培养［1-2］。基于的虚拟仪器设计了多输入多输出（Multi-Input Multi-Output，MIMO）通信系统。

本实验使用LabVIEW 平台和通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral，USRP）来搭建2×2 MIMO 通信系统，编写空时分组编码（Space time block coding，STBC）程序，实现图像的实时传输等任务。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，其核心概念就是“软件即是仪器”。虚拟实验平台能够突破时空的限制，对实验室减少购入、维护的设备资金等方面具有较大帮助，还可以增强学生的独立思考能力，提升学生系统设计的能力，在实用和经济方面都具有明显的优势［3-5］，是将来EDA实验室热门应用。

1 硬件平台的搭建

1.1 硬件原理与连接

所谓软件无线电，就是一种用软件实现物理层连接的无线通信设计。一部无线通信机，其通信功能由特定的软件来实现。同样的硬件，输入不同软件，就具有不同的通信功能，就可以使不同单位的、不同制式的通信机器进行相互通信［6］。

如图1 所示，USRP 软件无线电设备是一种灵活的软件无线电外设平台，可以与众多软件配套使用，比如：GNU Radio、Matlab／Simulink、LabVIEW等。只需将USRP平台与计算机通过一根网线连通，就可以实现一个软件无线电系统。

图1 通用软件无线电外设实物图

本实验采用两台计算机配合4 台USRP软件无线电设备构成完整的MIMO通信系统。计算机通过网线与USRP设备连接，USRP设备之间则通过MIMO数据同步电缆进行连接，设备连接如图2 所示。

图2 MIMO通信系统硬件连接图

1.2 USRP设备IP地址设置

实验室的设置的固定IP 地址是192.168.10.02。整个机房其他设备的IP 地址可根据实验室大的局域网设置成小的局域网地址，只需把最后的IP地址末端的02 改成0～255 的其他地址即可，即分配子网在其他计算机。在2 ×2 MIMO 通信系统中需要用到4 台不同USRP设备，设置4 个不同的子IP来区分。为方便，设接收端设备IP 地址为192.168.10.96 和192.168.10.97；发送端设备IP地址为192.168.10.98和192.168.10.99。

2 发送系统的设计与实现

MIMO通信发送系统主要包含信源、数据包形成、基带调制（8PSK调制）、时空分组编码、添加训练序列和脉冲成形等模块［7］，这些模块构成了如图3 所示的MIMO通信发射系统。

图3 MIMO通信发射系统框图

2.1 发送系统前面板设计

虚拟仪器的前面板相当于传统仪器的操作台，基于虚拟仪器可以用户自定义的特点，设计了如图4 所示的发送系统前面板。前面板中包含了USRP设备的IP设置、匹配滤波器的参数设置、文件路径的选择、载波频率IQ速率等参数设置操作控件，还包含了发送图片的显示和传输信息显示面板。通过此操作面板对MIMO通信发射系统进行各种参数的设置，人机交互友好，方便用户入手，适合基础薄弱的人进行通信原理创新性实践的初步研究。

图4 MIMO通信系统发射前面板

2.2 发送信号形成

发送信号的形成主要包含了信源和数据包形成两个模块。信源模块由获取图片和生成bit两部分组成。在图片文件路径中选择图像文件，将图像信息转换成01 bit数组，完成信源生成。此次实验信源为JPG 格式的图像，采用LabVIEW提供的能够读取JPG格式图像并输出图像数据的模块，完成图像信息的提取。

数据包形成模块根据设定的数据包大小将信源模块生成的信息bit分割成若干个如图5 所示的数据包。

图5 数据包形成模块程序框图

每个数据包由5 个部分组成：38 bit 数据包保护头、48 bit数据包头、16 bit 数据包长度、若干信息bit和200 bit数据包保护尾，结构见表1。

表1 基带数据包结构

在数据包模块中，接收端同步工作由数据包保护头完成，数据包头包含了该数据包的总数据包大小以及编号等内容，数据包长度则包含了该数据包中信息bit的大小，信息bit 包含了数据包传输所需要的信息bit，保护末尾信息bit工作由数据包保护尾完成，防止在通过成型滤波器时尾部数据丢失。

2.3 基带调制

本系统的基带调制采用8PSK 调制。8PSK 就是利用载波的相位变化来传递信息，而振幅和频率保持不变：

式中：A为振幅；ωc为载波频率；φk为［0，2π］上间隔均匀的8 种不同的相位［8］。

2.4 时空分组编码

时空编码技术作为一种新型的信号处理和编码技术，为每个符号周期和发送信号增加时间和空间的相关性［9］。空时编码也能起到减缓信道衰减的速度、降低误码率的作用。某一信息经过空时编码技术正交编码后，由多根天线发射出去，使得信号具有正交性。只要在接收端进行简单的线性合并处理，就可以将多路独立信号区分，得到满分集增益。

2 ×2 MIMO通信系统中，STBC发射编码矩阵为：

式中：X1，X2分别为天线1 和天线2 在两个周期内发射的信号；x1、x2为不同的数据；“*”为共轭。显然＝0，即具有正交性［10］。STBC 程序的输入、输出模型如图6 所示。

图6 STBC输入输出模型

该模块可以进行如下测试：输入4 个不同数据｛0.707 ＋0.707i，0.707 -0.707i，-0.707 -0.707i，-0.707 ＋0.707i｝，若输出数组如图7 所示，则可验证STBC程序正确。

图7 STBC程序的验证

至此，MIMO通信系统的发射部分已经完成，其设计框图如图8 所示。

图8 MIMO通信系统发射程序框图

3 接收系统的设计与实现

MIMO通信接收系统包含天线接收、提取数据、同步、信道估计、STBC译码、基带解调［11］、图片显示等模块，其框图如图9 所示。

图9 MIMO通信系统接收框图

3.1 提取数据

在提取数据中，MIMO 通信系统根据信号样点的功率值分布来提取传输数据包。将接收信号采样点平均功率的1／4 设为门限值，将每50 个信号采样点的平均功率与门限值进行比较。如果采样点值高于门限值，则该信号被认定为待处理信息，低于门限值则被认定为噪声，由此可以提取出传输数据包［12］。

3.2 同 步

同步主要包含符号同步、帧同步和载波同步3 个步骤。

符号同步采用最大能量算法来完成符号同步。设置过采样参数（假设过采样系数为4），取出不同位置的采样点，分别计算各个数组的功率，选择功率最大的数组对应的采样位置，最终达到符号同步，数据降采样的效果。

帧同步采用了延时自相关法［13］。该方法可有效地克服传播距离对信号功率的衰减影响，保证其较高的同步检测概率。主要参数的计算如式（3）～（6）所示。假设在发射端添加长度为N的序列，其前半部分、后半部分具有相同的符号。

接收序列和接收序列延时的自相关系数

式中，rd为接收序列。

自相关系数窗口期间接收的能量

接收序列经过两个滑动窗口R和P为判决计算求得归一化值

将其最大值作为数据的帧头

载波同步采用Moose算法进行校正。其频偏的最大似然估计值

式中，Y1、Y2分别为相邻两个N点的FFT 输出。由此估计值对采样点进行修正。

3.3 信道估计

在实际应用中，信道估计算法的原则是追求一种误码率、复杂度低，计算精确度高的均方误差最小算法［12］。如图10 所示的信道估计一般模型，图中e（n）为信道的估计误差，用符号误码率表示［14］。这里采用LS信道估计算法，利用训练序列完成信道估计，其程序框图如图11、12 所示。接收的二维数据包中每行的数据分别对应2 个不同的序列，每个序列又一一对应各自的发送天线。只需对每行的序列进行信道估计，最终便可得到4 个信道的参数。

图10 信道估计模型

图11 信道估计程序框图（输入部分）

图12 信道估计程序框图（输出部分）

假设接收到的信号为：

式中：H为信道响应；Xp为发送信号；Wp为噪声。

最小二乘（Least square：LS）算法对式（8）中的参数H进行估计，使函数J最小：

可以得到LS算法的信道估计值：

3.4 STBC译码

接收系统的译码利用最大比值接收方法［15］进行空时分组译码［16］。STBC 具有编码构造容易，译码简单，分集增益高等优势。假设天线发送的数据x1、x2经过空时分组编码后得到：）

假设信道参数矩阵为：

式中，hij为第i根接收天线收到第j根发送天线数据的传输信道参数。

接收到的数据阵为：

利用估计出的信道参数处理接收到的信号。估计信道参数为：

令

可以得到解调后的信号：

STBC译码子程序的模型如图13 所示。

图13 最大比值合并接收进行STBC译码模型

至此设计完成了MIMO 通信系统接收部分，其系统设计框图如图14 所示。

图14 MIMO通信系统接收程序框图

4 实验调试与结果分析

按照MIMO 通信系统创新实验的设计步骤，连接好硬件电路并设定好USRP 设备的IP 地址，运行MIMO发送系统程序，从发送系统的路径下选择发送并记录实验数据。发送与接收图片如图15 所示，图15（a）为发送的原始图片，图15（b）为经过MIMO系统后接收的图片。

图15 收发图片测试对比

从发送和接收图片的比较，接收图片存在一定的丢包现象，这可通过调整发送bit 数等参数降低丢包率。根据对比收发图片的清晰度，发现接收图像中存在噪声。通过实验手段证实了噪声的存在以及对通信系统的影响。

5 结语

在本次通信原理创新实验中，主要采取了虚拟仪器LabVIEW 与配套的软件无线电平台实现2 × 2 MIMO通信系统。在虚拟仪器中实现了MIMO收发系统的相关编码与调制功能，只需简单的设备就可实现复杂的功能，主要功能由计算机软件编程实现，降低了仪器的复杂度，学生可根据课题的需求设计开发所需系统，为通信原理进行深层次的创新实验提供便捷的平台与实现方法，为新工科背景下培养学生的创新奠定基础。