基于USRP的通用无线电实验平台构建与教学实践

王 洪，陈祝明

（电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 611731）

基于USRP的通用无线电实验平台构建与教学实践

王 洪，陈祝明

（电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 611731）

通信、雷达、广播、电视等无线电系统在电磁波信号的收发和处理上具有相似的特点。该文介绍了通用软件无线电外设平台（USRP）的由来与特点、系统架构、实验开发、课程应用和教学实践状况。同时，该文利用软件无线电技术建立了无线电系统的通用硬件平台，以软件方式实现功能的重构，使多门无线电类课程能够共享相同的实验平台。学生在该平台上可快速建立不同的无线收发系统，从系统的层面掌握无线电系统的设计，加深对理论的理解和感性认识。

通用软件无线电外设平台；软件无线电；实验平台；教学实践

怎样让学生能够快速地搭建多样化、个性化的无线电系统，亲自体验无线数据收发、外界电磁波信号接收、音视频信号呈现带来的乐趣，在感受无线电波存在的同时，体会抽象无线电理论的简单可实现性与可操作性？USRP就是能实现这些目标的通用无线电实验平台。USRP是一个面向软件编程的可重构系统，经过多年的发展，该平台在软件无线电领域占据主导地位，在教学科研上的应用也逐渐活跃。美国斯坦福大学、德克萨斯大学奥斯汀分校、弗吉尼亚理工大学和罗格斯大学等将该平台引入通信课程的教学，国内上海交通大学和电子科技大学也在软件无线电、通信原理等课程的实验中应用了该平台［1－3］。国内许多科研院所也使用USRP平台做前期的原型样机研制或原理性验证，在该平台上实现的2G、3G、LTE、LTE－A、ADS－B和雷达系统证明了其功能的强大［4］。掌握基于USRP的软件无线电技术成为学生求职的亮点。

1 USRP的由来与特点

1992年，文献［5］提出了软件无线电的概念，而美国麻省理工学院的Spectrumware是软件无线电的标志性发展项目之一。从Spectrumware的代码集Pspectra中产生了GNU Radio软件，Pspectra代码集也是Spectrumware商业化应用Vanu Software radio的基础。2001年，Eric Blossom创办了GNU Radio公司［6］，于2004年重写了GNU Radio源码，当他需要开发软件化HDTV接收机时，研究团队中的Matt Ettus研制了所需的母板和子板，该硬件上同时实现了FM、GPS等信号的接收，这便是USRP的雏形［7］。2005年，Matt Ettus创办了Ettus Research公司，推出了USRP的第一代产品；2010年，NI公司收购了Ettus Research。

USRP即通用软件无线电外设，由母板、收发子板和天线构成。母版通过USB或千兆以太网口与PC机相连，收发子板覆盖不同频段，用途不同，实现射频信号的发射和接收。最新的UBX子板覆盖了10 MHz～6 GHz范围，母板上由ADC／DAC芯片实现数模转换，FPGA芯片实现中频信号到基带的搬移，之后送到PC机中。FPGA预留了资源供用户编程，多部USRP可级联，特别适合MIMO应用，外接GPS模块可获得定位和同步信息。

USRP的母板分为嵌入型、总线型、网络型和X系列4个类别。USRP的子板有多种类型，包括收发子板、发射子板、接收子板，并分为宽带子板和特殊用途的子板。多样化的硬件选择，高速的数据采集，大容量存储空间，丰富的逻辑资源，覆盖很宽的频段，和较小的外形尺寸使USRP构建的平台适合教学应用。

2 系统架构与通用平台的构建

基于USRP的通用平台的总体架构如图1所示。从外观上看，平台的硬件包含USRP机盒、PC机和连接线，USRP硬件在母板、子板和天线中选配。通用平台的软件则是图1的层次化结构，主要支持的是LINUX操作系统，如Ubuntu。在Windows系统下需安装虚拟机软件，虚拟在Linux下的运行，如VMware虚拟软件。USRP与PC机之间有以太网口、USB接口和PCIe接口等。在操作系统下，需安装USRP的驱动程序UHD，目的是使用UDP socket和库函数，UDP（user datagram protocol）指用户数据包协议，基于UHD的用户API则包装在配套的软件中。

可应用的软件主要有GNU Radio、LabVIEW、OSSIE和Matlab。GNU Radio以流程图的方式实现无线电系统的设计，由软件和第三方提供大量信号处理模块，用户将模块连接好后，设置参数即可。GNU Radio是一款开源软件，无线电爱好者可以分享自己开发的模块。软件有常见的信号处理模块，如FFT、滤波、调制解调和同步等，没有相应模块的时候，用户则要用C＋＋语言和Python语言自己编写。GNU Radio的另一个优点是GUI设计，可以时域、频域、星座图、眼图和瀑布图等方式展示信号处理的结果，GNU Radio中的频谱分析图如图2所示，图中还可看出多种调制方式，多速率信号处理和不同频段的选择。LabVIEW针对NI的USRP292～295系列，优势是使用NI的图形化编程软件，虚拟仪器的界面和丰富的数据库，并可在Windows和Linux操作系统下运行。OSSIE是弗吉尼亚理工大学对软件无线电研究的成果，包含基于SCA（software communication architecture）的核心构架、快速开发软件无线电的部件和信号波形处理程序的工具、预制部件的库及信号处理程序，偏重于教学科研应用。Mathworks公司在MATLAB软件中增设了USRP toolbox，开发了一系列函数和模块，并支持硬件描述语言HDL，若掌握了Matlab中编写硬件程序的技术，也可使用该软件。

图1 系统架构

图2 GNU Radio中的频谱分析

综上所述，当实验内容确定后，可根据需要选择所需的硬件和软件。如图3所示，通用平台按即可搭建起来，第三方开发机构不断在开发新的应用和模块，GNU Radio和OSSIE的开放性与USRP的通用性结合，为多门课程开发实验提供了方便［8］。为了与适用于多门课程，本学院选择了性能适中的USRP210作为母版，选择的WBX子板覆盖50 MHz～2.2 GHz频段，选择VERT400天线可支持3个频段的信号收发，并配备耳麦做音频信号处理、收音机和语音通信实验。软件选择Ubuntu操作系统和适合教学的GNU Radio。

图3 通用平台搭建

3 平台的多课程应用与教学实践

基于USRP构建的通用无线电平台具有以下4个特点。

1）实现无线电信号的收发，学生可接收自己产生的信号，也可接收外部的无线电波，增加学生的感性认识和学习兴趣。

2）通过调用和设置无线电系统的各个模块，加深对理论知识的认知，例如通信中的调制解调、编码解码、成形滤波和匹配滤波、符号映射、信道模型、同步均衡、OFDM等均能找到相应的模块，使学生充分理解这些理论的具体作用。

3）图形化的软件编程，丰富的运行结果显示方式，即能轻松建立不同的无线电系统，又能用多种工具分析结果。

4）兼顾学生对硬件、软件或理论的偏好。做硬件的学生可以不用天线，外接其他信号源，可以直接编写FPGA程序改变硬件功能。做软件的学生可以通过软件编程驾驭硬件系统，不必过多担心对硬件和仪器的陌生。做算法的学生可以将算法编成模块，可以从平台上获取分析的数据源，验证算法的可用性。

鉴于平台的通用性和上述特点，在该平台上可开设多门课程的实验。适用的课程包括通信原理、数字通信、无线通信、软件无线电技术、数字无线电技术、雷达原理与系统、信号与系统和数字信号处理等本科生和研究生课程。NI公司将软硬件与课程打包［9］，使用了德克萨斯大学奥斯汀分校RobertW.Heath教授编写的教材，包含8个实验，涵盖了调制解调、脉冲整形与匹配滤波、同步、信道估计与均衡、框架检测与频偏校正、OFDM和信道编码等内容，在德克萨斯大学奥斯汀分校已实践了多年。

电子科技大学建立了软件无线电实验室［10］，为本科生开设了以下12种实验：

1）基本信号处理，如信号相加、相乘、傅立叶变换等；

2）低通、带通和高通滤波器设计与应用；

3）数字重采样：抽取与内插；

4）AM广播信号处理；

5）FM数字收音机和发射机设计；

6）网络数据传输；

7）复信号分析及SSB信号解调；

8）I／Q幅相不一致性、相位噪声；

9）采样与量化效应；

10）数字调制解调；

11）基于QPSK的数字通信系统；

12）S模式应答信号接收。

图4 接收并解调的民航飞机应答信号

以民航飞机的S模式信号的接收为例，在WBX子板中实现1 090 MHz信号的接收，混频到基带后采样，采样率10 MHz；然后做前导脉冲检测，并输出参考电平；根据前导脉冲确定的位置和参考电平，对数据位解码。如图4所示，GNU Radio中显示的S模式基带信号，前面4个脉冲是前导脉冲，后面是56位的数据脉冲。

4 结束语

针对一门课程定制的实验设备常常只能做有限的定制实验，开发新实验常常需要更多的资源，并难于与其他课程共享。基于USRP的通用无线电平台为多门无线电类课程共享实验设备创造了条件。既能使学生调用现有模块，快速搭建无线电系统，从系统层面掌握无线通信、无线传播和探测的理论，也允许学生从底层做起，自建信号处理模块，了解理论的技术细节，因此，该平台在未来的无线电类课程中有很好的应用前景。

［1］杨宇红，袁焱，田砾，等，基于软件无线电平台的通信实验教学［J］.实验室研究与探索，2015，34（4）：186－188.

［2］JIANG Chao，LI Zongbo.Analysis and research of softwaredefined radio GNU radio and the USRP［M］.Kunming：Scientific Research，2010：419－422.

［3］陈祝明.软件无线电技术基础［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［4］TENNENHOUSE D L，BOSE V G.Spectrumware：a software－oriented approach to wireless signal processing［EB／ OL］.［2015－12－01］.http：／／www.sds.lcs.mit.edu／SpectrumWare／home.html..

［5］BLOSSOM E.Listening to FM radio in software step by sep［EB／OL］.［2015－12－01］.http：／／www.linuxjournal.com.

［6］ETTUSM.GNU radio opens an unseen world［EB／OL］.［2015－12－01］.http：／／www.gnuradio.org.

［7］CEARLEY A.An interview with the inventor of USRP：Happy 10thbirthday［EB／OL］.［2015－12－01］.http：／／www.ettus.com／blog／2015／01／an－interview－with－the－inventor－of－usrp－on－the－10 th－birthday.

［8］HAMILL D.Introduction to USRP and GNU radio.

［EB／OL］.［2015－12－01］.http：／／www.ettus.com.［9］陈德章，木树娟，唐皓，等.一种基于频谱传感的无

线电频谱测量系统［J］，中国无线电，2012（6）：51－53.

［10］王洪，陈祝明，孙清清.基于USRP和GNU Radio的《软件无线电》课程实验［J］.实验科学与技术，2013，11（4）：

310－312.

Construction and Teaching Practice of General Radio Experiment Platform Based on USRP

WANG Hong，CHEN Zhuming
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Communication，radar，broadcast，TV and other wireless systems are sim ilar in transmitting，receiving and processing of electromagnetic signals.General hardware platform is constructed for these systems with software defined radio techniques.Functions are redefined by changing software.So it is possible to share same platform by many radio courses.Students can build their radio systems fast on the platform，learn to design radio system and understand corresponding know ledge by themselves.This paper introduces the origin，features，structures，experiments，and teaching situation based on USRP.

universal software radio peripheral；software－defined radio；experiment platform；teaching practice

TN014

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.056

2015－12－01；修改日期：2016－00－00

国家自然科学基金（61139003）。

王洪（1974-），男，博士，副教授，主要从事软件无线电、雷达信号处理和民用航空电子技术方面的研究。