基于USRP的802.11a OFDM收发信机的设计与实现

李昊洋， 刘海涛， 李冬霞

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300）

0 引 言

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）［1］是一种多载波传输技术。与传统单载波传输技术相比，OFDM传输技术具有传输容量大、抗频率选择性衰落、频谱利用率高等优点［2］，被广泛应用于陆地移动通信系统、数字音频／视频广播（DAB／DVB）系统、无线局域网及航空移动通信系统。

传统直接使用FPGA和DSP实现通信系统原型开发方法存在工程实现难度大、开发周期长、可扩展性差等缺点［3］，难以满足快速通信系统原型开发的需求，且难以在实验教学中普及。2011年，斯坦福大学的Katti教授提出了利用通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral，USRP）［4-6］和实验虚拟仪器工程平台（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW）［7-8］完成通信系统原型开发的方法［9］，并将其应用到实验教学。该方法利用LabVIEW实现通信系统的基带信号处理，利用USRP实现A／D及D／A转换、中频及射频信号的处理。基于USRP和LabVIEW的通信系统原型开发方法具有工程实现简单、开发周期短、可扩展性强等诸多优势，得到了学术界与业界的广泛应用［10］。

文献［11］中利用USRP和LabVIEW构成的软件无线电平台完成了高频谱效率频分复用（Spectrally Efficient Frequency Division Multiplexing，SEFDM）系统原型的开发；文献［12］中利用该平台搭建了数字调制无线传输系统收发信机并进行了图像的传输；文献［13］中利用该平台完成了长期演进（Long Term Evolution，LTE）信号的频谱感知与监测；文献［14］中提出一种基于USRP的软件无线电算法验证平台的构建方法，验证了FFT捕获算法等在类GPS伪卫星信号的捕获和跟踪中的正确性和可行性。

本文以IEEE 802.11a协议标准为基础，利用USRP和LabVIEW构成的软件无线电平台实现了802.11a OFDM收发信机的原型构建，在无线信道环境下进行了文本传输。该原型系统能够直观形象地展示信号的时域、频域特性，通过添加加性高斯白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信道及频偏可进一步完成性能测试和算法验证，为通信学科的实验教学及相关科研工作提供了很好的应用实例。

1 IEEE 802.11a物理层传输标准

1.1 IEEE 802.11a物理层主要参数

表1为IEEE 802.11a物理层的主要技术参数。

IEEE 802.11a标准建议OFDM符号循环前缀的持续时间应为室内无线信道最大时延扩展（0.2μs左右）的3～4倍。为了节省频谱资源、减小子载波间干扰，在数据子载波两侧插入虚子载波，零频处的子载波则作为直流子载波，不传输信息。

表1 IEEE 802.11a物理层主要参数

1.2 IEEE 802.11a OFDM帧结构

图1 为IEEE 802.11a OFDM的帧结构。

图1 IEEE 802.11a OFDM帧结构

帧结构由3个字段组成：物理层汇聚协议（PLCP）前导字段、SIGNAL信号字段和数据字段［15］。其中，PLCP前导字段由10个重复的短训练符号和2个重复的长训练符号组成，主要用于帧同步、载波同步及信道估计。SIGNAL信号字段由1个OFDM符号组成，该符号承载的信息进一步分为5个域：速率域、保留域、长度域、奇偶校验域及尾比特。数据字段由长度可变的若干个OFDM符号组成。

2 系统设计与实现

2.1 发射机的实现

图2为IEEE 802.11a OFDM发射机框图。

图2 IEEE 802.11a OFDM发射机框图

信源输出的比特序列送入扰码器进行比特扰码处 理，扰码器输出的比特序列随后送入卷积编码器和交织器完成信道编码和比特交织，交织器输出的比特序列进一步通过调制器完成符号映射，调制符号经过串、并转换及插入导频和虚子载波后通过快速傅里叶逆变换（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）完成OFDM调制，在插入循环前缀（CP）后通过并、串转换形成OFDM基带信号，并与前导序列和SIGNAL信号组合成帧，通过USRP转换为射频信号，经射频天线送入信道传输。

参照图2给出的发射机框图，基于LabVIEW设计实现了802.11a OFDM发射机，如图3所示。

图3 IEEE 802.11a OFDM发射机程序框图

发射机由8个单元组成：发射机配置、信源、扰码器、卷积编码器、交织器、调制器、OFDM调制和成帧及数据写入。发射机配置单元完成802.11a OFDM发射机相关参数的配置，配置的技术参数包括：I／Q采样率、载波频率及发射机增益等；信源单元完成ASCII文本到比特序列的转换；其他单元依次完成802.11a OFDM数字基带信号处理；最后通过数据写入单元将LabVIEW产生的数字基带信号送入USRP设备。

图3中每个单元相对独立，在使用过程中可以根据实际需要对某些单元（如扰码器等）进行替换，以验证发射机相关模块功能和算法的正确性。

2.2 接收机的实现

图4为IEEE 802.11a OFDM接收机框图。

图4 IEEE 802.11a OFDM接收机框图

USRP完成射频信号的接收、下变频及A／D转换，得到的数字基带信号送入帧同步器和载波同步器完成帧同步及载波频偏估计与校正，载波同步器输出的数据经过串、并转换及移除CP后通过FFT完成OFDM解调，利用信道估计器得到的信道估计值进行迫零均衡，在移除虚子载波和导频后进行并、串转换，得到的串行信息进一步送入解调器进行符号解映射，解映射后的比特序列再送入解交织器和卷积译码器完成解交织和信道译码，卷积译码器输出的比特序列通过解扰器完成解扰，最后恢复出文本。

参照图4给出的接收机框图，基于LabVIEW设计实现了802.11a OFDM接收机，如图5所示。

接收机由13个单元组成：接收机配置、帧同步器、载波粗同步器、载波精同步器、帧成分提取器、信道估计器、SIGNAL信息提取器、OFDM解调器、解调器、解交织器、卷积译码器、解扰器及信宿。接收机配置单元完成802.11a OFDM接收机相关参数的配置，配置的技术参数包括：I／Q采样率、载波频率及接收机增益等；2～4单元完成帧同步和载波同步；帧成分提取器单元对帧成分进行提取，分离出长训练序列、SIGNAL信号及数据，分别用于信道估计、SIGNAL信息提取及8～12单元的数字基带信号处理；在信宿单元完成比特序列到ASCII文本的转换。同样，在使用过程中可以根据实际需要对接收机中的某些单元（如信道估计器等）进行替换，以验证不同算法的正确性和可行性。

2.3 载波精同步单元的实现

由于发射机与接收机涉及单元较多，限于篇幅不能一一赘述，以接收机载波精同步为例给出基于LabVIEW的通信系统算法的实现方法。

采用最大似然算法，利用长训练序列的周期重复性进行载波精同步。假设OFDM发射信号的低通等效信号［16］为：

图5 IEEE 802.11a OFDM接收机程序框图

式中：xn为发送信号；ftx为发送载波频率；Ts为采样周期。忽略噪声信号，接收到的低通等效信号为：

式中，fΔ＝ftx－frx为发送和接收载波的频偏。

定义两个连续重复的长训练符号之间的延时为D个采样点，即xn＝xn＋D，OFDM符号长度为L，则周期重复信号的延时相关和为：

式中，*表示共轭。

将式（2）代入式（3）可得：

理论上讲，若不存在频偏，R应为实数。由式（4）可知，频偏的影响体现在e－j2πfΔDTs这一项上。根据式（4）可得频率偏移的估计值为：

式中，arg为对复数取幅角运算，D＝64。得到载波频率偏移的估计值后，将接收的子载波数据乘以e－j2πf＾ΔTsn来进行频偏校正。

图6为载波精同步程序框图。

载波精同步包括2个单元：精频偏估计和频偏校正。在精频偏估计单元提取接收到的2个长训练序列rn、rn＋D，根据式（4）对所提取到的2个长训练序列进行时域相关等操作，完成频偏的精估计，得到所估的频偏值；在频偏校正单元将接收数据与e－j2πf＾ΔTsn相乘，完成载波频偏补偿。由于在求频偏估计值时要除以2和Ts并添加“负号”，在进行频偏校正时还要再乘以2和Ts且也要添加“负号”，通过抵消这3项来简化设计过程。输出经过频偏校正或未经校正的数据，以验证载波同步算法的正确性和必要性。

图6 载波精同步程序框图

3 结果与分析

图7所示为802.11a OFDM发射机的测试结果。

发射机的测试结果包括5个部分：USRP硬件参数和信道参数的设置、所传输的文本、星座图、功率谱图及时域波形图。由OFDM信号功率谱图可见，信号带宽接近16 MHz，零频处为直流，不传输信息，还可以看出在协议规定的4个位置插入了导频。由OFDM时域波形图可以很明显地看出，在数据符号前有10个重复的短训练符号及2个重复的长训练符号。

图8所示为802.11a OFDM接收机的测试结果。

接收机的测试结果包括5个部分：USRP硬件参数的设置、接收文本、无噪声影响且频偏校正后的星座图、功率谱图及时域波形图。从无噪声且频偏校正后的星座图、功率谱图、时域波形图中都可以看出与发射机基本一致，只是受到了真实信道等外界因素的影响。接收机恢复出的文本和发射机所发射的文本完全一致，验证了原型系统的正确性。

图7 IEEE 802.11a OFDM发射机测试结果

图8 IEEE 802.11a OFDM接收机测试结果

基于该原型系统，可以很方便地进行通信系统性能的测试验证。例如，通过调整发射机部分所添加的AWGN信道参数，可以实时、直观地观察噪声和频偏等对接收信号星座图的影响，并验证载波同步算法的正确性和必要性。受噪声影响和频偏影响的接收信号星座图如图9所示，这里噪声功率设为－30 dB，频偏设为2 kHz。

由图9可见，受噪声影响的接收信号星座图变得分散，未进行频偏校正的接收信号星座图发生了旋转，在这两种情况下均会出现误码，以致无法完全正确地恢复出所发射的文本。

图9 受噪声（a）和频偏（b）影响的接收信号星座图

4 结 语

本文利用USRP和LabVIEW构成的软件无线电平台设计实现了802.11a OFDM的发射机与接收机。介绍了IEEE 802.11a标准的物理层参数及帧结构以及发射机和接收机的具体实现过程，最终实现在无线信道环境下进行文本的传输。测试结果表明，该平台可以快速搭建通信系统原型并可在此基础上进行性能测试及算法验证，适用于通信学科的形象化实验教学及相关的科研工作。