基于OFDM技术的USRP实时视频传输实验设计和实现

于正威， 李 鹏， 刘 文

(南京信息工程大学 电子与信息工程学院，南京 210044)

0 引 言

近年来，无线通信技术迅猛发展，但随之而来的是系统的日益复杂，因此以传统方案去设计和评估通信系统早已显得十分困难[1]。就教学领域来看，传统的通信实验可以分为2类：第1类是固化的实验箱，第2类是基于软件的仿真。固化的实验箱，存在可扩展灵活性不强的问题，软件仿真存在实验效果不够贴近实践的问题[2]。而现代的通信实验更趋向于通用软件无线电外设(Universal Software Radio Peripheral，USRP)和实验虚拟仪器工程平台(Laborary Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW)组成的新型通信实验平台。USRP是可使用软件重配置的射频硬件和数字信号处理模块，具有可扩展、使用简单等特点；LabVIEW是目前应用广泛、发展迅速、功能强大的图形化软件开发集成环境，被视为标准的数据采集和仪器控制软件。结合USRP和LabVIEW可以快速的构建通信系统，并弥补传统通信实验的不足[3]。

本文基于USRP和LabVIEW组成的通信实验平台，设计并实现了一个以正交频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM) 技术为基础的视频传输实验[4]。

1 USRP软件无线电系统

软件无线电通信实验平台以可编程的硬件作为通用平台，用可重配置的软件实现各种无线电功能。通过更新软件可以兼容多种无线通信制式，具有方便参数配置、全方位观察各模块信号的优势[5]。

现有的软件无线电的实验设计，主要侧重于通信的局部模块，例如调制方式、载波同步等。但USRP实验平台是一个通用平台，适用性更宽。USRP的基本硬件结构包括：射频天线、射频转换器、模数转换器、数模转换器和现场可编程门阵列(FPGA)[6]。

本文选用USRP-2943R作为射频收发设备，有TX1、TX2、RX1、RX2通道，可支持2天线同时收发，使用多输入、多输出MIMO扩展口(MIMO EXPANSION)可与其它USRP设备相连组成MIMO系统。具体收发端性能参数如表1和表2所示。

表1 USRP-2943R发射端性能参数

表2 USRP-2943R接收端性能参数

1.1 实验平台软件LabVIEW介绍

本实验平台利用LabVIEW进行软件编程。LabVIEW使用图像化开发语言，编程过程清晰简单。USRP配合LabVIEW具有强大的数据处理能力，为开发软件无线电的实时系统创造了条件。LabVIEW支持混合语言编程，兼容Matlab脚本或者C语言代码，能够提高软件开发效率，降低代码移植难度。

1.2 USRP工作流程

如图1 USRP硬件框图所示：USRP通过PCI-Ex(peripheral component interconnect express)插槽与主机相连后，主机产生已调制的基带信号，通过PCIe传送给USRP，通过数字上变频(DUC)和双通道16 bit的D/AC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，最后经过放大器和天线RX1将信号以一定的频率发出[7]。

图1 USRP硬件框图

信号在真实的信道环境传播后，被接收天线RX2接收，然后接收端利用低噪声放大器，将RX2中的信号放大、混频操作，产生同相正交(I/Q)信号，再经过滤波和双通道的模数转换器采样。接收端对采样生成的信号进行数字下变频(DDC)，并通过PCIe传送到PC主机端进行解调恢复原始信号[8]。

2 视频传输实验的实现过程

视频传输系统实验分为2个发送和接收模块。如图2所示：发送模块先将获取到的视频流数据进行格式转换，再将数据流在LabVIEW上进行QAM调制，OFDM调制，最后经过USRP对信号进行DUC、D/AC后进行滤波、混频和放大等处理，由TX发射[9]。与之对应，接收模块在RX接收到射频信号后，USRP将射频信号进行放大、混频和滤波，再进行A/DC、DDC转换，然后通过PCIe输送到PC端，在LabVIEW软件中进行反OFDM、QAM解调等操作，最后将视频流数据输出进行播放。

实验中， LabVIEW不但起到控制作用而且还被用于获取视频流数据、处理数据流和配置USRP。其中最重要部分在于处理数据流，即使用LabVIEW实现OFDM传输系统。

图2 视频传输实现框图

2.1 发送模块的建立

发送模块链路流程如图3所示：将视频数据每2 bit映射为一个QAM符号，再把串行符号数据转变为并行符号数据，之后在每个并行流中每隔5个符号数据放置一个导频，导频放置完成后，再插入虚拟子载波(即插入0序列)，由此构成新的符号序列，对新构成的符号序列再进行256点IFFT变换，然后加上64点的加循环前缀(Cyclic Prefix，CP)，再由并行转为串行，最后加入传统的短训练序列(Legacy Short Training Field，L-STF)和传统的长训练序列(Legacy Long Training Field，L-LTF)，到此就建立好了实验的发送模块。实验中实际发送一帧数据为7 000 bit，每帧有5 000 bit有效数据[10]。发送帧结构如图4所示。

图3 发射模块框图

图4 发送帧结构

在图3中从QAM调制后到USRP前模块都是OFDM技术的实现细节。OFDM技术是本实验中的一个关键技术，其具有频谱利用率高、抗频率选择性衰落或窄带干扰等优点。OFDM的基本原理是将单个码周期为Ts的信息流由串行转变为N路并行码流，每个码流都加载到一个子载波上，子载波的频率满足fn=f0+n/(NTs)，n=0,1…，N-1，即子载波的频谱相互正交[11]。

OFDM调制方法如下：令Xl[k]表示在第k个子载波上的第l个发送符号，l=0,1,…,∞，k=0,1…，N-1。由于串并的转换，N个符号的传输时间变为NTs，一个OFDM符号的传输时间为Tsym=NTs，令Ψl,k(t)为第k个子载波上的第l个OFDM信号：

(1)

时间连续的基带信号表示为：

(2)

在时刻t=lTsym+nTs，Ts=Tsym/N，fk=k/Tsym，对式(2)时间连续的基带OFDM信号进行采样，可以得到相应的离散时间的OFDM符号：

(3)

实验根据图3、4所示的发送端框图和帧结构，再结合OFDM的相关公式，利用LabVIEW进行编程，实现了基于OFDM技术的实时视频传输系统的发射端功能。LabVIEW程序如图5所示，图中各个信号的处理是相对独立的，因此可对每个模块进行黑盒测试[12]。

2.2 接收模块的建立

接收模块的链路流程如图6所示：对USRP接收的数据流，利用L-LTF和L-STF分别进行互相关和自相关计算，以实现粗同步和精同步[13]。在找到同步头后，对数据流执行串转并，去CP，FFT变换，去导频和去虚拟子载波等操作。再根据导频使用最小平方算法(Least Squares，LS)进行信道估计，根据信道估计结果进行线性插值，即可得到其他子载波上的信道特性[14]。对接收到的数据流乘上各子载波的信道特性，就可以得到均衡后的数据。最后并串转换即可恢复成QAM符号流，再经过QAM解调就可得到视频比特流数据。

图5 发射端程序

图6 接收端程序框图

从图6中可以看出，从USRP后到QAM解调前的模块都是OFDM的解调过程。接收模块中OFDM的原理如下式所示：

lTsym

(4)

(5)

接收端关键点除了FFT变换过程，还包括信道估计过程。因信道环境较好，选择了相对简单、复杂度相对较低的LS算法进行信道估计[15]。实验中利用导频和LS算法进行信道估计，此时的频域信号为:

Y=HX+Z

(6)

(7)

(8)

(9)

实验根据图6和相关的OFDM解调原理，搭建了LabVIEW的接收端程序，如图7所示。此程序中各个模块也应该进行黑盒测试，以保证各模块的功能完整性和正确性。

图7 接收端程序

3 实验结果与分析

本实验环境是室内，实物如图8所示。运行程序前，设置载波频率、采样率、本振频率、输出功率等参数，具体参数如图9所示。

接收信号的频谱图如图10所示。

图11为接收端星座图。由图11(b)可见,接收端能够接收正确数据。

图12(a)为正在发送的视频图片，图12(b)为接收到的视频图片。通过对比图12(a)、(b)可以发现,PC端能够正确恢复发送的视频，但会出现细微的延时。

图8 实物图

图9 发送端(左)和接收端(右)参数设置

图10 接收端信号频谱

(a) 未均衡的星座图

(b) 均衡的星座图

(a) (b)

图12 视频接收界面

4 结 语

本文基于USRP和LabVIEW的通信实验平台搭建并实现了基于OFDM技术的实时无线视频传输系统。文章首先介绍了USRP和LabVIEW构成的软件无线电平台的组成和优点。阐述了系统的设计和实验的实现过程。最后结合视频播放软件，在接收端观察到了实验发送的视频。

实验结果表明，这种基于真实环境的无线通信实验平台，完全适用于通信系统原型的整体设计，解决了科研中真实环境下算法验证的问题，提高了验证算法的可行性，值得推广于无线通信教学领域，以此加深学生对通信原理的理解，提高学生的动手能力。