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第卷 第期 年月：平 台 的物 理 层 协 议 实 验 设 计李安，杨 建 文，王 玉?，周 辉 林（南 昌 大 学 信 息 工 程 学 院，南 昌）摘要：针 对 通 信 技 术 更 新 迅 速，导 致等 无 线 通 信 设 备 更 新 价 格 昂 贵，从 而 提出 使 用 通 用 软 件 无 线 电 开 发 平 台实 现物 理 层 协 议 实 验，设 计 并 实 现了物 理 层 协 议 的 收 发 通 信 实 验。设 计 的 实 验 中和 上 位 机 通 过 以 太网 口 传 输 数 据 流，基 于 软 硬 件 协 同，上 位 机 利 用负 责 获 取 处 理 基 带 数 据 流 和配 置射 频 参 数，负 责 数 据 实 时 处 理 和 射 频 收 发。通 过 实 验 表 明：基 于通 用 平 台 的 收 发 天 线，在 真 实 信 道 环 境 条 件 下 实 现 了 多 机 通 信，真 实 模 拟 了物 理 层 协 议 的 实 现 过 程，接 近 现 实 的 通 信 系 统，为 移 动 通 信 系 统 协 议 栈 的原 型 开 发 与 验 证 提 供 了 范 例。关 键 词：软 件 无 线 电 平 台；时 分 双 工 长 期 演 进；物 理 层 协 议；实 验 设 计；真 实 信 道环 境中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，）：，（），：；（）；收 稿 日 期：基 金 项 目：江 西 省 高 等 学 校 教 学 改 革 研 究 省 级 课 题（）；江 西 省专 项 及项 目（，）作 者 简 介：李安（），女，湖 南 邵 阳 人，博 士，教 授，现 主 要 从事 无 线 通 信、软 件 无 线 电 相 关 研 究。：；：引言近 年 来，无 线 通 信 技 术 日 新 月 异，通 信 系 统 日 益 复杂，系 统 设 计 与 性 能 评 估 越 来 越 困 难。高 等 学 校里 传 统 的 无 线 通 信 系 统 的 实 验 开 展 主 要 分 为 固 化 的 实验 箱、纯 软 件 的 仿 真 和 购 买 真 实 的 移 动 通 信 系 统 设第卷备。然 而 固 化 的 实 验 箱，面 临 无 法 扩 展、弹 性 不 足的 困 难，软 件 仿 真 存 在 脱 离 实 际 环 境 过 于 理 想 化 的 情况，而 实 际 的 无 线 通 信 系 统 设 备 价 格 昂 贵，台 套 数 难 以满 足 学 生 人 数 众 多 的 需 求，难 以 大 规 模 运 用 于 高 等 学校 的 实 验 教 学。现 代 的 通 信 实 验 开 展 更 趋 于 基 于 通 用 软 件 无 线 电平 台 结 合 科 学 计 算 语 言、测 试 测 量 工 程 软 件 实 现。典 型 的 通 用 软 件 无 线 电 平 台由 软 件 和 硬 件两 类 资 源 组 成：硬 件 部 分 包 含 可 用 软 件 配 置 硬 件 的 射频 收 发 子 模 块 和 数 字 信 号 处 理（，）子 模 块，并 可 利 用 以 太 网 接 口 与 上 位机 完 成 即 时 通 信，还 具 有 扩 展 灵 活、使 用 简 单 等 特 点；软 件 部 分 基 于开 发，能 够 方 便 调 用程序 并 以 目 录 树 形 式 呈 现 实 验 项 目，可 以 通 过 软 件 配 置射 频 参 数 并 图 形 化 显 示 时 域 和 频 域 波 形，使 系 统 设 计和 评 估 变 得 更 加 便 捷 和 高 效。同 时 利 用可 以 快速 构 建 通 信 系 统，并 经 由 真 实 信 道 收 发，弥 补 传 统 无 线通 信 系 统 实 验 的 不 足。本 文 基 于通 用 软 件 无 线 电 开 发 平 台，结 合科 学 工 程 计 算 语 言，设 计 并 实 现 了物 理 层 协 议 全 流 程 数 据 传 输。同 时，该 系 统 基 于 软 硬件 协 同，可 重 构 性 好，通 过 上 位 机 可 方 便 观 测 控 制 实 验过 程 和 配 置。及 工 作 流 程软 件 无 线 电 开 发 平 台 是 一 个 通 用 平 台，适用 性 更 广，有路 射 频 收 发 通 道，可 支 持天 线 同 时 收发，多 台 同 时 使 用 可 实 现 多 输 入 多 输 出（，）的 多 天 线 收 发 系 统 设 计。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（，），具 体 技 术 参 数 如 下：（）硬 件 平 台 为“数 字 基 带宽 带 射 频 传 输”的结 构，其 中 数 字 基 带 必 须 包 括 与 高 速 数 据 总 线 相 连 的模 块，而 不 能 采 用 无或为 一 个 独 立 单 元的 设 计 方 法。（）至 少 提 供个千 兆 网 口，射频 端 口，个 通 用 串 行 总 线（，）接 口，个 通 用 非 同 步 收 发 传 输 器（，）接 口，个通 用 输 入输 出 口（，）接 口，个 阴 极 射 线 示 波 器 端 口，个下 载口，个下 载 口。工 作 频 段 范 围 为 ，支 持 工 作 模 式，包 括 高 精 度 模 拟 数 字 转 换 器（，）和数 字 模 拟 转 换 器（，），通 道 宽 度 范 围 为，包 含 一 个抽 头 的 有 限 脉冲 响 应（，）滤 波 器，最 高 发射 功 率 为 ，发 射 功 率 衰 减 范 围 为 （步 进），最 大 接 收 功 率，接 收 功 率 可调 范 围 为 （步 进）。（）可 利 用 千 兆 以 太 网 口 实 时 发 送 基 带 同 相 正 交（，）信 号 到 上 位 机，在 上 位 机 上除 了 完 成 通 信 算 法 的 处 理 外，还 可 以 利 用 网 口 发 送 基带 信 号 到上，完 成 数 据 的 实 时 处 理（）基 于可 以 方 便 地 使 用 文 件 程序，也 可 以 随 时 调 整、优 化 和 重 写；能 够 通 过 树 形 方 式展 示 所 有 要 完 成 的 实 验，也 能 够 添 加（移 除）新（过 时）的 实 验 项 目。实 验 过 程 中 可 在 测 试 点 观 测、对 比 输 入输 出 信 号，可 图 形 化 地 呈 现 信 号 的 时 域 和 频 域 波 形，并可 以 在 一 个 窗 口 同 时 分 组 查 看、合 并 比 较组 波 形，输出 图 片 格 式 的 波 形，也 可 以 在 软 件 界 面 上 设 置 软 件 无线 电 平 台 的 收 发 射 频 参 数。的 硬 件 连 接 如 图所 示：通 过 以 太 网线 与 上 位 机 相 连，上 位 机 产 生 信 源 参 数 通 过 以 太 网 口传 送 给的模 块 产 生 已 调 信 号 同 相正 交（，）数 据。上 位 机 一 方 面 可 以观 察 已 调 信 号 时 频 特 征，另 一 方 面 通 过 以 太 网 线 把数 据 传 送 给的，通 过 数 字 上 变 频（，）和 数 模 变 换，经 过 放 大 器和 发 射 天 线将 信 源 发 送 出 去。图 的 硬 件 连 接 示 意 图 发 射 的 信 号 经 过 实 际 的 无 线 传 播 信 道 后，由的 接 收 天 线通 道 接 收，接 收 信 号 通 过模 块 的 低 噪 音 放 大 器、数 字 下 变 频（，）和 模 数 转 换 等 处 理，产 生 数 据，首 先 通 过 以 太 网 线 将 数 据 传 送 给 上 位 机 用 于 观 察接 收 信 号 的 时 频 特 征，上 位 机 再 将 数 据 传 送 给模块，对 数 据 进 行 解 调 等 处 理，恢 复 出 原 始 信 号。恢复 出 的 原 始 信 号 和 发 送 的 原 始 信 号 可 以 在 上 位 机 上 进行 对 比，对 整 个 物 理 层 协 议 的 性 能 进 行 评 估。协 议 实 验 的 实 现 过 程物 理 层 协 议 的 实 验 分 为 发 送 和 接 收 两 个模 块，发 送 模 块 通 过 上 位 机 端软 件 编 程 产 生第期李安，等：平 台 的物 理 层 协 议 实 验 设 计原 始 信 源 数 据 流，经 过编 码，正 交 幅 度 调 制（，）调 制 和 正 交频 分 复 用（，）调 制 产 生标 准 协 议 的帧 基 带 数 据，包括个 点 的符 号 和 点 的 循 环 前 缀（，），共 计 点 复 值 数 据，然 后 通过 以 太 网 线 传 输 给的，按 的 顺 序 进行 格 式 转 换 后 通 过 低 电 压 差 分 信 号（，）接 口 送 到 射 频 模 块，经 滤波、上 采 样 和 混 频 等 处 理 后 由 发 射 天 线发 射 出 去。相 应 的，在 接 收 模 块 中通 过接 收 到 射 频 信号 后，先 经 射 频 模 块 对 接 收 信 号 放 大、混 频、滤 波、等 输 出 数 据 送 到转 换 为 的 复 值 基带 信 号，然 后 通 过 以 太 网 线 将 信 号 传 输 给 上 位 机，基 于对 信 号 进 行解 调、解 调 和译码 等 处 理，最 后 将 数 据 还 原 出 来。发 送 模 块 和 接 收 模块 框 图 如 图所 示。图 物 理 层 协 议 实 现 框 图 在 整 个 实 验 中，上 位 机 端软 件 的 控 制 起 到了 非 常 重 要 的 作 用，可 以 用 来 实 时 监 测 信 号 的 时 频 特性，还 可 以 用 于 获 取 数 据 流、处 理 数 据 流 和 配 置射 频 参 数。发 送 模 块 的 实 现物 理 层 协 议 实 现 的 发 送 模 块 组 成如 图所 示：将 产 生 的 信 源 按 照协 议 规 定 插 入 循 环冗 余 校 验 码（，）并 进 行 码块 分 割；然 后 将 每 个 码 块 通 过编 码 转 换 成码，接 着 每 个 码 块 之 间 进 行 交 织 以 及 速 率 匹 配；最 后 将码 块 级 联 起 来 组 成 整 个 码 块，整 个 码 块 通 过 信 道 交 织、加 扰 产 生 扰 码，通 过调 制、导 频 生 成、资 源 映 射将 数 据 映 射 到 频 域，再 进 行调 制 和 插 入 导频 形 成 一 个 完 整 的 发 送 端 帧 结 构，具 体 的 帧 结 构 如 图所 示。图发 送 模 块 框 图图帧 结 构 图 以 调 制 子 模 块 设 计 而 言，按 照标 准 协 议 中协 议 可 得，调 制 子 模 块 可 以 采 用 正 交 相 移 键 控（，）、不 同 调 制 方 式，对 经 过 加 扰 后 的 二 进 制 比 特 序列 调 制，从 而 形 成 复 值 调 制 符 号，图为 上 述种 不 同调 制 方 法 的 星 座 图。图星 座 图 为 了 使 不 同 调 制 方 式 的 平 均 功 率 相 同 而 方 便 比 较系 统 性 能，必 须 对 符 号 的 能 量 进 行 归 一 化 处 理，即 确 保在 统 计 上 任 一 符 号 的 能 量 都 为。这 里 以为例 阐 述 如 何 对 符 号 的 能 量 进 行 归 一 化。假 设 每 个 符 号的 发 送 概 率 相 等，均 为，则 映 射 的 目 的 除 要 求 每个 符 号 点 的 相 对 位 置 都 正 确 之 外，还 必 须 对 每 个 符 号的 能 量 归 一 化。根 据 图中 显 示 的的 星 座 图，不 难 计 算 出 每 个 符 号 的 平 均 能 量 为 （）则 归 一 化 参 数槡，同 理 可 以 得 到中槡，中槡。表和所 示 分 别 为协 议 规 定 的 调 制 方 式第卷传 输 数 据 比 特 序 列与映 射 表。表 算 法与映 射 表槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡表 算 法与调 制 映 射 表槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡槡 按 照 协 议 规 定，通 过 上 位 机 端 的编 程 可 以实 现调 制，发 送 端调 制 程序 如 图所 示。首 先 将 不 同 的 复 数 值 做 成 一 张 表，每一 种 调 制 方 式 都 对 应 一 张 表，根 据 不 同 的值 来 查表；然 后 根 据 调 制 方 式 选 择，或 者的 调 制。这 样 就 完 成 了 发 送 端 的 调 制 部 分，组合 其 他 小 组 的 模 块 便 可 以 实 现 整 体 的 发 送 端 模 块。图调 制 子 函 数 接 收 模 块 的 实 现接 收 模 块 由 射 频 接 收 天 线、除 导 频、解 调、解 资 源 映 射、信 道 估 计 和 均 衡、调 制、解 扰、解 交织、解 级 联、编 码 和校 验 等 部 分 组 成，如 图所 示：由 射 频 接 收 天 线 接 收 信 号 并 进 行 处 理，通 过 去除 导 频 得 到符 号；然 后 经 过解 调 将 时 域数 据 转 换 成 频 域 数 据，接 着 频 域 数 据 通 过 解 资 源 映 射和 信 道 估 计 得 到 各 天 线 各 信 道 的 插 入 符 号，经 过 信 道均 衡 使 信 号 加 强 和 易 于 区 分；再 将 可 分 离 的 信 号 进 行解 调 得 到 扰 码，经 过 解 扰、解 交 织 和 解 级 联 等 处理 后 生 成码，码 译 码 后 经 过校 验 无误 即 可 得 到 原 始 的 数 据 流。以解 调 为 例，由调 制 可 知，经 过调 制 的 扰 码 会 通 过 协 议 规 定 的 映 射 表 转 换 成 一 对 一 对的 值，同 理，解 调 的 原 理 便 是 按 照 调 制 原 理的 逆 思 路 进 行 解 调，通 过 表 中 每 个 值 对 应 的值 将符 号 转 换 成 一 连 串 的值，这 样 便 完 成 了解 调 设 计。实 验 结 果 和 分 析本 实 验 可 在 室 内 利 用 单 台完 成，将 每 个 模块 组 合 起 来，发 送 模 块 和 接 收 模 块 联 调，构 成 整 体 链路。在 程 序 运 行 前 需 要 通 过 计 算 机 软 件 配 置的射 频 接 收 天 线 数、发 送 天 线 增 益，接 收 天 线 增 益、载 波平 率 和 输 出 功 率 等 参 数。（）在 理 想 仿 真 情 况 下。无 噪 声 引 入，不 经 过 实际 射 频 时 的 接 收 信 号 的 星 座 图 和 波 形 图 如 图所 示。由 图 可 知，各 信 号 之 间 区 分 明 显，且 幅 度 值都 比 较大，非 常 有 利 于 接 收 端 的 正 确 判 决。第期李安，等：平 台 的物 理 层 协 议 实 验 设 计图接 收 模 块 框 图（）星 座 图（）波 形 图图无 噪 声 且 配 置 正 常 的 接 收 信 号 结 果（）存 在 信 道 噪 声 情 况 下。经 过收 发 射 频模 块，射 频 参 数 配 置 正 确 时 的 接 收 信 号 的 星 座 图 和 波形 图 如 图所 示。由 图 可 知，各 信 号 之 间 虽 然 存 在 干扰，但 还 是 区 分 比 较 明 显，且 幅 度 值也 比 较 大，并 不会 对 接 收 信 号 的 判 决 产 生 比 较 大 的 影 响。（）星 座 图（）波 形 图图有 噪 声 且 配 置 正 常 的 接 收 信 号 结 果（）未 正 确 配 置 射 频 参 数。经 过收 发 射 频模 块，但 未 正 确 配 置 接 收 端 射 频 参 数 时 接 收 信 号 的 星座 图 和 波 形 图 如 图所 示。由 图 可 知，由 于 各 个 信 号挤 在 一 起，无 法 区 分，且 幅 度 值也 比 较 小，在 接 收 端判 决 中 将 无 法 将 各 信 号 分 离。（）星 座 图（）波 形 图图未 进 行 配 置 的 接 收 信 号 结 果 图结语本 文 基 于软 件 无 线 电 开 发 平 台 设 计、搭 建并 实 现 了物 理 层 协 议 实 验，该 实 验 利 用 了软 件 无 线 电 平 台 软 件 可 配 置 和 控 制 的 优 势，实现 了 符 合技 术 标 准 的物 理 层 协 议，在 真实 信 道 环 境 条 件 下 的 快 速 验 证 和 性 能 测 试。结 果 表明，利 用 真 实 空 中 环 境 的 软 件 无 线 电 实 验 平 台 新 体 系可 以 完 全 满 足 移 动 通 信 系 统 原 型 整 体 设 计 需 要，并 解决 了 实 际 信 道 环 境 下 算 法 验 证 和 性 能 分 析 的 问 题。该系 统 应 用 于 实 验 可 以 帮 助 学 生 更 好 地 掌 握 通 信 系 统 综合 设 计、通 信 原 理、信 号 处 理 等 相 关 知 识，未 来 将 进 一步 将 其 扩 展 到 物 理 层 协 议 的 实 验、验 证 和分 析。参 考 文 献（）：，：，：黄 继 业，谢辉，董 哲 康基 于的 频 段测 试 系 统 设 计 与 实 现 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：邓 月 明，王玲，周 志 彬现 代 通 信 实 训 平 台 建 设 与 实 验 教 学改 革 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：陆 建 军，蒋阳，韩 庆 文，等无 线 通 信 工 程 专 业 实 验 教 学 的 改革 与 实 践 现 代 教 育 技 术，（）：罗 屹 洁，徐 煜 华，崔丽，等“通 信 系 统 综 合 实 验”教 学 平 台 建设 电 气 电 子 教 学 学 报，（）：唐正，吕 晓 蕊基 于 的 软 件 无 线 电 平 台 在 通 信 实 践教 学 中 的 应 用 物 联 网 技 术，（）：单 慧 琳，张 银 胜，王波基 于 软 件 无 线 电 的 综 合 系 统 设 计 实践 教 程 镇 江：江 苏 大 学 出 版 社，：，：，：，：，（），（）：（下 转 第页）第卷方 程 式 赛 车 在 赛 道 上 的 工 作 状 态 要 求。图 与 时 间 关 系 仿 真 结 果图电 池 箱 内 部 温 度 仿 真 结 果图电 池 箱 放 电 电 流 仿 真 结 果结语本 文 建 立 了 关 于 车 辆 运 动 与 电 芯 的 联 合 仿 真 模型，将 赛 车 实 验 参 数 代 入 模 型 进 行 仿 真，表 明 了 模 型 的正 确 性。仿 真 结 果 显 示，本 文 设 计 的 电 池 箱 能 满 足 方程 式 赛 车 可 靠 安 全 性 目 标，全 面 训 练 了 学 生 在 无 人 驾驶 方 程 式 赛 车 电 池 设 计 方 面 的 实 验 技 能，激 发 了 学 生的 兴 趣 和 研 究 方 向，通 过 多 学 科 交 叉 培 养，提 升 了 学 生的 创 新 能 力。参 考 文 献（）：李 克 强“中 国 方 案”智 能 网 联 汽 车 发 展 思 路 智 能 网 联 汽车，（）：刘 彦 博，黄 宏 成，时 良 仁基 于 新 常 态 下 多 元 化 创 新 实 践 的 培 养模 式 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：邓 建 明，龚 循 飞，于勤，等基 于和的 纯 电 动 车联 合 仿 真 分 析 汽 车 实 用 技 术，（）：隋 元 杰某 新 能 源 商 用 车 动 力 电 池 热 管 理 分 析 与 改 进 设 计 南 京：南 京 理 工 大 学，陈 元 丽，赵 振 东，陈 素 娟基 于的 三 元 锂 电 池 建 模 与 仿真 研 究 南 京 工 程 学 院 学 报（自 然 科 学 版），（）：翟 熙 照，韩 同 群基 于联 合 仿 真 的 电 动 汽 车 动 力 性经 济 性 分 析 湖 北 汽 车 工 业 学 院 学 报，（）：李 浩 燃 纯 电 动 赛 车 动 力 系 统 参 数 匹 配 与 性 能 优 化 研 究西 安：长 安 大 学，王 子 旭纯 电 动 车 电 池 充 放 电 控 制 策 略 在 环 仿 真 研 究 哈 尔滨：哈 尔 滨 理 工 大 学，魏 增 福，董波，刘 新 天，等锂 电 池 动 态 系 统模 型 研 究电 源 技 术，（）：王 元 哲，唐 志 国，周嘉，等锂 离 子 动 力 电 池 成 组 设 计 及 其 优 化分 析 合 肥 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版），（）：卞 烨 峰，褚 超 美基 于的 电 动 汽 车 电 池 包 结 构 仿 真 及验 证 农 业 装 备 与 车 辆 工 程，（）：张阳，潘 文 霞带 可 变 参 数 锂 离 子 电 池模 型 电 源技 术，（）：林 成 涛，仇斌，陈 全 世电 动 汽 车 电 池 功 率 输 入 等 效 电 路 模 型的 比 较 研 究 汽 车 工 程，（）：朱 方 方，王 康 丽，蒋凯基 于的 锂 离 子 电 池 建 模 与 仿真 研 究 电 源 技 术，（）：蔡 敏 超，殷浩，舒 少 龙基 于 的 纯 电 动 汽 车整 车 上 下 电 策 略 系 统 仿 真 技 术，（）：檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿（上 接 第页），：，：何 腊 梅基 于的 通 信 系 统 设 计 自 动 化 与 仪 器 仪 表，（）：杨 宇 红，袁焱，田砾，等基 于 软 件 无 线 电 平 台 的 通 信 实 验教 学 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：于 正 威，李鹏，刘文基 于技 术 的实 时 视 频 传输 实 验 设 计 和 实 现 实 验 室 研 究 与 探 索，（）：陈巍 调 制 解 调 器 的 研 究 与 实 现 长 沙：国 防 科 学技 术 大 学，韩 宝 衣基 于增 强 型 基 带 平 台 的物 理 层研 究 与 实 现 北 京：北 京 邮 电 大 学，