对上述仿真系统只需进行收发部分的分离和简单修改，即可配合USRP设备实现该系统的硬件原型。见图4,发送端经MPSK调制后的信号被送入USRP模块，该模块对射频信号的发射参数进行配置，然后由USRP设备进行上变频等处理并发送到实际环境中;经过室内实际信道传输，接收端的USRP捕捉到环境中的射频信号，并进行射频和数字中频的相应处理，最后输出数字基带信号到GNU Radio中的MPSK解调模块，做后续的基带信号处理。这样，使用两台USRP设备就能够建立起通过实际信道进行信号收发的系统硬件原型。
对上面建立的仿真模型和硬件原型，分别调用BPSK,QPSK,8PSK,16PSK 四种调制方式，进行加性高斯白噪声信道的仿真和实际环境下的测试。测试在约15 m2大小的室内环境中进行，每个测试点对30 min内采集到的信噪比和误码率数据进行平均化处理，对比仿真结果，获得如图5所示的误码率曲线。
从测试结果生成的曲线可以得知，低信噪比情况下，室内环境测试所得的数据与仿真信道下测得的数据符合较好;在高信噪比情况下，尤其在高阶调制模式下，实际测试数据与仿真信道下测得的数据产生了较大偏离，在同样误码率情况下，偏离可能达到2~3 dB.由MPSK调制系统的理论分析可知，高阶调制模式相比低阶调制对噪声更为敏感，受载波频率和相位恢复模块引入的相位噪声影响也更大，容易对误码率数据产生影响。从实际的测试过程来看，室内环境由于人、物移动引起的信号遮挡和散射造成信号传播路径的变化，会使信号的信噪比产生5~10 dB左右大范围变动的现象，这也是测试数据与仿真曲线偏离的原因之一。由此看来，在低误码率的情况和高阶调制模式下，理想的加性高斯白噪声的仿真信道不足以精确描述实际的室内信道特性。
2.2 无线视频流传输系统原型
通过GNU Radio 灵活的软件特性和Python 的编程能力，可以进一步在上述链路级模型的基础上，建立基于实际无线信道传输的无线通信系统原型。以无线视频流传输系统为例，本文设计了如图6 所示的系统结构，并据此实现了相应的原型系统。
在系统发送端，视频采集设备从真实环境中实时采集视频流数据，经过PC上的视频编码程序编码后送到设定好的TCP或UDP网络端口;通过Socket网络编程方法，可以方便地绑定网络端口，将视频流数据送入GNU Radio中的程序进行处理;GNU Radio中的程序对网络端口的数据流做进一步的MAC 层成帧和同步处理，然后进行基带信号的调制和编码工作，最后送入USRP发射。接收端系统则进行大致相反的处理流程，经过解码后的视频流数据可以在相应的显示器上显示。
在实际测试过程中，该原型系统能够正确显示视频采集端采集到的视频信号，达到了预想的效果，如图7所示。其架构具有很强的灵活性和可扩展性，包括视频格式、视频编/解码方式、分组帧结构、信道编/解码、信号调制方式、传输频段和传输带宽在内的各个部分均易于调整和修改，这便于研究和开发人员根据视频信号在实际信道中的传输效果进行整体系统的定制性设计和优化。
2.3 实验结果分析
上述实验表明，GNU Radio建立的链路模型能够几乎不经修改地通过USRP进行实际信号的发射和接收，实现无线通信系统原型，并进一步用于室内外等常见真实环境下的系统测试。相比纯软件仿真结果，结合硬件原型进行测试将实际信道纳入仿真过程，使研究和开发人员在早期阶段就能够对目标传输频率和传输环境下的信道进行研究，对传输过程中的路径损耗、频段上其他系统的干扰、信道特性的变化等因素进行合理评估。
实际信道测试的结果对于系统后期开发也有更强的指导意义。借助该方法进行原型测试，能够使无线通信系统开发中的问题在早期迅速浮现，并在系统规划和设计阶段就被解决，有助于减少后期设计迭代过程的产生，缩短整个系统的设计流程。
3 结语
本文提出将软件无线电开发平台GNU Radio和通用软件无线电外设USRP 组成的软件无线电系统用于无线通信系统的建模仿真。首先介绍并分析了GNURadio的软件特性和USRP的硬件架构;随后以MPSK系统在仿真信道和实际信道下的通信链路建模仿真对比实验为例，验证了该方法将实际的无线信道纳入链路层仿真中的可行性;最后在前述链路级模型的基础上，设计并实现了一套基于实际无线信道收发的无线视频流传输原型系统。分析和实验结果表明，本文所提出的具有软硬件结合特性新方法具有快速系统原型实现的能力，而且通过引入实际信道进行仿真，能够避免复杂的信道建模过程，直接建立更精确的通信系统模型，提高对系统分析的速度和准确性，并可以基于仿真分析结果进行系统各部分的联合设计和优化。
该方法适用于对通信协议标准及整体系统有定制化需求、针对的传输环境较复杂的无线通信系统的研究开发，有助于减少系统开发后期的迭代过程，缩短系统的研发周期。
本文关键字：无线 科研成果，电子知识资料 - 科研成果
