基于USRP与LabVIEW的频谱感知实验平台设计.pdf

ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 4 期 2023 年 8 月Vol.26 No.4 Aug.2023 基于 USRP 与 LabVIEW 的频谱感知实验平台设计王若璇,刘 珩,纪俊维(北京理工大学 信息与电子学院,北京 100081)摘 要:利用 USRP 和 LabVIEW 设计并实现了频谱感知实验教学平台,并设计了利用该平台的教学实验,以及辅助频谱感知技术的理论教学。针对应急情况下公共安全网络通信容量不足、网络拥堵的现象,设计了将频谱感知技术应用于公共安全网络的实验,旨在培养学生运用理论知识解决实际问题的能力。通过该实验平台可将理论知识的学习嵌入到实际的工程背景中,既可加深学生对理论的理解,又可提高学生的实践能力,达到了良好的实验教学效果。关键词:频谱感知;教学实验平台;通用软件无线电外设;LabVIEW 程序开发环境中图分类号:TN92;G642 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.04.013Design of teaching experimental platform for spectrum sensing based on LabVIEW and USRPWANG Ruoxuan,LIU Heng,JI Junwei(School of Information and Electronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)Abstract:In order to assist the theoretical teaching of spectrum sensing technology,an experimental teaching platform for spectrum sensing is designed and realized with USRP and LabVIEW,and the teaching experiment using this platform is designed.In response to the phenomenon of insufficient com-munication capacity and network congestion in public security network under emergency situation,the experiment of applying spectrum sensing technology to public security network is designed,aiming at cultivating students ability to solve practical problems with theoretical knowledge.Through this experi-mental platform,the learning of theoretical knowledge can be embedded into the actual engineering background,which can not only deepen students understanding of the theory,but also improve students practical ability,thus achieving a good experimental teaching effect.Key words:spectrum sensing;teaching experimental platform;USRP;LabVIEW 收稿日期:2021-03-19 修改日期:2022-09-26作者简介:王若璇,硕士生,主要研究方向为无线通信技术。E-mail:995782385 通讯作者:刘珩,博士,副教授,博士研究生导师,研究方向为无线定位技术、移动自组网技术。E-mail:基金项目:国家自然科学基金(项目编号:61971038);北京理工大学校级教改重点项目(项目编号:2020CGJG019);北京理工大学 研究生 教育教 学改 革项目(项 目 编 号:2019JYJG002;2022ALJX008)。报警、火警和医疗急救等公共安全事务需要使用应急通信网络,然而由于目前分配给公共安全网的频谱资源有限 1,导致在应急情况下可能出现通信流量剧增、通信容量不足、网络拥堵甚至瘫痪的现象 2。为了在规定的有限频段范围内提高频谱资源的利用率,保证网络畅通,为公共安全提供可靠的网络服务,有必要将频谱感知技术引入公共安全网。频谱感知作为认知无线电的核心技术,是认知无线电技术能够提高频谱资源利用率的基础 3,其在军用、民用领域均有着广泛的应用,也是通信技术、电子对抗、软件无线电技术等专业均涉及到的研究课题 4。因此,在相关专业大学生中开展对频谱感知技术的教学与实验课程是十分有必要的。本文利用 USRP(Universal Software Radio Peripheral)与LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)搭建了频谱感知技术的教学实验平台,并将其引入到实验课程的教学中,其目的在于有效辅助频谱感知的理论教学,让学生在实验中加深对频谱感知技术相关原理的认识,同时提高学生系统分析、设计与实现的能力,并在系统实现的过程中熟练掌握相关硬件、软件的操作。1 频谱感知实验平台搭建1.1 频谱感知实验平台系统架构本文设计的频谱感知教学实验平台采用“信号源-USRP-LabVIEW”的总体架构,通过硬件与软件相结合的方式实现。其中,硬 件 部 分 包 括 US-RP2920 以及信号源设备,学生可根据实际背景或实验要求自行设定信号源的输出信号,USRP 接收信号源输出的信号并加以处理后通过网线接口传输到计算机上,然后在计算机上通过 LabVIEW 软件程序对接收信号进行分析与频谱检测判决。实验平台的整体系统框架设计如图 1 所示。图 1 频谱感知教学实验平台整体架构1.2 软件模块设计频谱感知教学实验平台通过 LabVIEW 进行软件部分的系统搭建。LabVIEW 利用图标与流程连线代替文本行来创建应用程序,是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境,其程序可分为前面板和后面板两部分,其中后面板用于程序的编写,前面板用于用户交互式参数输入以及输出结果展示 5-7。LabVIEW 软件的编程采用模块化的设计,可将后面板的程序分为参数配置模块、系统实现模块以及结果显示模块,其中系统实现模块又可根据系统算法的设计分为更为具体详细的小模块。在频谱感知实验教学平台中,后面板的系统模块程序主要用于完成频谱感知的功能,这也是实验教学过程中学生重点操作的部分,需要学生在进行了频谱感知理论知识的学习后,选择合适的频谱感知算法进行频谱感知系统的设计,并利用 LabVIEW 软件编程加以实现。参数设置输入模块和输出结果显示模块将在平台前面板上加以显示,用户可在参数输入部分进行USRP 的配置以及频谱感知系统中各项参数的设置。输出结果显示部分用于展示每一检测频段的功率谱图并显示该频段是否被占用的判决结果。1.3 硬件介绍频谱感知教学实验平台硬件部分包括信号源与USRP 设备,采用 USRP2920 和 LabVIEW 相结合的方式来搭建。USRP 是由美国国家仪器公司(Na-tional Instruments,简称 NI)发布的通用软件无线电外设,其内部结构如图 2 所示 8-9。在频谱感知教学实验平台中,首先需要一个信号源来提供实验所需要的信号输入,将信号源与 USRP 利用射频电缆相连,USRP 用于接收信号源输出的信号,并将接收到的信号加以处理后通过网线接口传输到计算机上,然后在计算机上通过 LabVIEW 程序对接收信号进行分析与频谱检测判决。采用 LabVIEW 和 USRP相结合平台的方式搭建与实验教学,可以将图形化构建的实验模块与虚拟化的实验系统落实到具体的USRP 硬件平台上 10,从而实现真实的信号接收与频谱感知功能。图 2 USRP2920 内部逻辑结构2 频谱感知教学实验设计基于频谱感知教学实验平台的实验教学,旨在使学生通过自行设计频谱感知算法、利用 LabVIEW进行频谱感知系统搭建、进行具体背景下的频谱感知系统测试,从而加深对频谱感知原理与功能的理解。因而,频谱感知的教学实验设计包括了频谱感知算法的设计、LabVIEW 上频谱感知系统的软件实现,以及具体将频谱感知技术应用于实际问题的实验设计。45 王若璇,等:基于 USRP 与 LabVIEW 的频谱感知实验平台设计2.1 频谱感知系统设计频谱感知技术的主要任务是通过对周围电磁环境中信号进行检测与分析,获得当前频段的频谱占用情况以及可用频段信息,查找频谱空洞,从而为上层数据传输频段选择提供判决信息 11。经典的频谱感知算法有能量检测算法、匹配滤波算法以及循环平稳特征算法 12。学生可自行选择自己所熟知的经典频谱感知算法进行频谱感知系统的设计,也可以自行设计频谱感知的改进算法。本文以基于功率谱估计的频谱感知算法为例搭建频谱感知系统。基于功率谱估计的频谱感知算法是在频域实现的能量检测算法的改进。功率谱估计采用 Welch 算法,其为经典周期图法的改进算法之一,通过对时域信号进行重叠分段并取平均,从而获得方差性能更好的功率谱,并通过选取合适的窗函数减小频谱的泄漏,从而提高频谱的分辨率 13。在进行加窗处理时,选取不同的窗函数对所得的功率谱的主瓣宽度和旁瓣的衰减会有所影响,在这里选取旁瓣衰减相对较大的 Blackman 窗进行处理,这样可以使旁瓣泄漏更小,噪声水平更低,谱失真更小。在得出信号的功率谱后,为了判决频段是否被占用,需要有一个作为比较对象的功率门限值,即当功率的值达到多少时可以判定某一频点上的功率是来自于信号而不是来自于噪声。门限值计算模块的实现算法参考了文献中所提到的连续均值剔除干扰算法,即 CME 算法 14,其基本思路是通过不断剔除超出门限的频点,更新频谱并更新门限值实现迭代,直到各频点的功率值都不超过新的门限值为止,从而得到最终的门限值。需要指出的是,CME 算法本身的目的是自适应地计算信号的相应门限值以及根据计算的门限值剔除信号中的干扰,在这里仅借鉴CME 算法中计算门限值的算法步骤,而不对干扰进行剔除。也就是说,在对信号功率谱进行 CME 算法处理前先对功率谱进行备份,在计算出门限值后应利用备份出的未经 CME 算法运算处理的功率谱进行门限判决。在计算得到判决门限值后,便可对功率谱中的每一根谱线是否超过门限做出一个判断,当某一频段内达到或超过门限值的谱线数达到某一比例时,则可判决该频段已被占用,反之则判决该频段闲置。基于以上频谱感知算法,可设计得到频谱感知教学实验平台的 LabVIEW 设计系统框图,如图 3 所示。其中后面板的系统程序分为 USRP 配置与接收模块、功率谱估计模块、门限值计算模块、门限判决模块以及前面板输出结果显示模块,前面板部分可以进行 USRP 的配置以及频谱感知系统中频谱检测范围、检测频段带宽、门限系数、判决比例等参数的设置,参数配置界面如图 4 所示。图 3 实验平台 LabVIEW 设计框图图 4 频谱感知实验平台前面板设计2.2 基础实验流程与结果频谱感知的教学实验课程设计为基础实验与进阶实验两部分,其中基础实验主要完成频谱感知系统的设计与实现,学生通过完成基础实验可以深入理解频谱感知技术的原理并基本掌握频谱感知算法的实现。基础实验流程包括:(1)实验课前准备,教师向学生讲授频谱感知相关理论知识,并提供给学生实验相关的参考资料与实验要求,学生熟悉频谱感知技术的原理,学习频谱感知的相关算法。(2)学生根据频谱感知的理论算法,在实验平台后面板上进行频谱感知系统模块的设计与编程实现。学生可自行选择已有的经典频谱感知算法,或利用上述的基于功率谱估计的频谱感知算法,也可自行设计频谱感知的改进算法。(3)连接 USRP 与信号源进行系统测试,学生在教师指导下操作信号源输出所需要55的信号并在实验平台前面板处观察频谱感知结果。图 5 为对 1GHz1.4GHz 频段进行频谱感知的输出结果图,图中显示了每 20MHz 子频段的功率谱图以及该频段的频谱感知判决结果。其中信号源输出的是一个载波频率为 1.1GHz,幅值为-20dBm,符号速率为2Msps 的 QPSK(Quadrature Phase Shift Ke-ying)信号。由结果图可以看出,在 1.09GHz 1.11GHz 频段检测到存在信号,即频段被占用,而在其余频段不存在信号,即频段闲置。图 5 频谱感知实验结果图2.3 进阶实验设计进阶实验通过引入具体的应用背景,使学生从理论和实际的结合中进一步理解频谱感知技术的原理与功能,从而培养学生运用所学知识解决实际问题的能力。下面以频谱感知在公共安全网中的应用为例进行频谱感知进阶实验的设计。目前,最广泛使用的公共安全专用移动通信技术为窄带数字集群通信技术,标准包括 TETRA(Trans European Trunked Radio 泛欧集群无线电,已改为 Terrestrial Trunked Radio 陆上集群无线电)、TETRAPOL 是一种开放的、数字化的、专用的专业移动无线电(PMR)技术、Preoject25(简称P25)由美国公共安全通信官员协会(APCO)、国家电信董事会(NASTD)和其他一些联邦机构于 1989 年共同提出。美国电信行业协会(TIA)TR-8 工作组负责管理所有涉及 P25 系统、服务(包括定义、互操作性、兼容性和一致性等)等方面的事务,并制定了 102 系列技术文档)、PDT(Police Digital Trun-king)等,其中 PDT 标准为我国公安部确定的公安警用数字集群唯一标准,是具有中国自主知识产权、中国自有的警用数字集群标准,其采用 4FSK 调制方 式,信 道 间 隔 12.5kHz,数 据 传 输 速 率9.6kb/s 15。2019 年 11 月,我国工信部印发关于调整 800MHz 频段数字集群通信系统频率使用规划的通知,对 806821/851866MHz 频段数字集群系统频率使用规划进行了调整,明确了新增基于PDT 标准技术体 制 的 数 字 集 群 通 信 系 统 使 用800MHz 频段。以此为背景进行频谱感知实验的设计,将 806MHz821MHz 数字集群通信频段分为 75个频段,每个频段 200kHz,对每一个频段进行频谱感知从而得到本频段的判决结果,最终整合观察在806MHz 821MHz 内哪些频段被占用而哪些频段闲置。当然,学生也可以自己选择频谱感知相关的应用背景进行实验,针对具体的背景问题进行分析与研究,并进行频谱感知系统参数的配置,从而将频谱感知系统真正应用于实际以解决现实中的问题。3 实验平台与教学的特点3.1 理论联系实际,在实验中加深对理论的理解教学中的理论联系实际原则指出,要将理论与实际相结合,用理论分析实际并用实际验证理论,使学生从理论和实际的结合中理解和掌握知识,从而培养学生运用知识解决实际问题的能力。频谱感知实验教学平台的搭建旨在让学生在频谱感知系统的设计与实现中更加深入的理解频谱感知的理论原理,并在对公共安全专用移动通信网络进行频谱感知与判决的过程中,进一步感受频谱感知技术的实65 王若璇,等:基于 USRP 与 LabVIEW 的频谱感知实验平台设计际应用,真正做到理论与实际的结合与统一,将掌握的知识运用并带回到实践中去。3.2 程序模块化,便于呈现系统工作原理LabVIEW 的一大特点为其编程语言图形化,这使编程的过程变得简单清晰,也使得程序变得更加直观易懂,更便于学生通过读懂系统程序从而理解系统的工作原理。频谱感知系统采用模块化的设计,使用图形化的语言编程更易于模块化地呈现频谱感知系统的工作原理,更易于学生掌握每一个模块的具体原理与实现过程。3.3 参数灵活配置,举一反三的教学效果USRP 具有配置灵活的特点,频谱感知实验教学平台的各项实验参数也均可自行设置与更改,这更便于学生在完成本文所设计的实验的基础上,将频谱感知技术应用于更多背景中并进行实验设计与实践。此外,学生还可以通过修改系统中某些模块的实现算法从而对系统的功能进行一定的扩展,从而培养学生触类旁通、举一反三的能力。4 结语本文搭建了基于 USRP 与 LabVIEW 的频谱感知实验教学平台,并以公共安全专用移动通信网络为背景设计了具体的实验内容且给出了实验结果。将频谱感知技术应用于公共安全网络,有利于提高有限频段的频谱资源利用率,从而可以在应急情况下保证通信网络的畅通,为公共安全提供可靠的网络服务。将频谱感知技术的理论教学、实验教学相结合,并将技术应用于解决现实中的实际问题,有益于学生在实验中加深对知识理论的理解,并培养学生理论联系实际、运用理论知识解决实际问题的能力。另外,基于 USRP 与 LabVIEW 的实验教学平台还可以应用于其余各类的研究生相关课程的教学与实验中,例如设计现代谱估计实验平台并将其应用于“近代信号处理”课程的教学中,从而有效辅助课程的理论知识教学。参考文献(References):1 马晓晓.认知无线电频谱感知技术的应用探讨J.数字技术与应用,2020,38(5):69-70.2 公安部第一研究所.公共安全宽带专用移动通信网络现状与发展趋势M.北京:清华大学出版社,2017.3 江晓林.认知无线电网络中频谱感知算法研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2015.4 王洪,陈祝明,郭睿刚.基于软件无线电平台的频谱感知实验设计J.实验科学与技术,2016,14(5):16-20.5 蔡超强.LabVIEW8.5 在信号频域分析教学中的应用J.实验科学与技术,2009,7(3):7-9.6 王慧.基于 LabVIEW 的虚拟仪器的实验教学研究D.上海:复旦大学,2008.7 魏宇恒.基于 LabVIEW 的通信虚拟实验系统的开发D.大庆:东北石油大学,2010.8 美国国家仪器为高校教育者提供创新的教学方案NI USRP-2920/21 为射频和通信实验教学引入全新的动手实践平台J.国外电子测量技术,2011,30(10):81.9 陈翔,曾祥健,邱继云.基于软件无线电的 RFID 教学实验平台J.教育教学论坛,2020(45):373-376.10 罗屹洁,徐煜华,崔丽.“通信系统综合实验”教学平台建设J.电气电子教学学报,2018,40(2):136-138.11 熊天意.认知无线电频谱感知技术研究D.西安:西安电子科技大学,2017.12 钱枫.认知无线电网络中频谱感知算法研究J.电子科技,2011,24(3):97-100.13 杨晓明,晋玉剑,李永红.经典功率谱估计 Welch 法的 MAT-LAB 仿真分析J.电子测试,2011(7):101-104.14 夏彩杰,王爱华,安建平.基于 CME 算法的数字窄带干扰抑制及改进J.数据采集与处理,2006(S1):114-118.15 周运伟.警用 PDT 标准的技术发展策略研究J.中国人民公安大学学报(自然科学版),2011,17(1):35-39.(上接第 52 页)度适宜的教学环境。本系统的应用将在实验室教学管理方面提升到了一个新的高度,为其它高校智能辅助实验室管理系统的研究与设计提供了参考。参考文献(References):1 范国婷,韦斯羽,王秀友,等.高校实验室管理系统的设计与实现J.通化师范学院学报,2020,41(8):76-81.2 亓才一.基于纯 CSS 的 Web 多级下拉菜单制作方法J.软件研发与应用,2020(8):11-13,16.3 邓绯.使用 JavaScript+JQuery 实现网页翻屏J.应用与开发,2020,36(6):134-135.4 单东林,张晓菲,魏然.锋利的 jQueryM.北京:人民邮电出版社,2009.5 陈忠菊.基于 SQLAlchemy 的研究和在数据库编程中的应用J.电脑编程技巧与维护,2015(1):62,85.6 李婧,徐胜蓝,万灿,等.基于自适应 k-means+算法的电力负荷特性分析J.南方电网技术,2019,13(2):13-19.7 皮亚宸.K 近邻分类算法的应用J.通讯世界,2019,26(1):286-287.8 加文海克(Gavin 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