（中山大学电子与信息工程学院电子与信息工程实验教学中心，广东广州510006）
摘要：通信原理实验是绝大多数电子信息类专业所开设的对通信原理这一专业课的配套实验课程，其目的是通过教学实验，引导学生验证课程所学的知识，同时启发学生探究工程实践技术。传统的通信原理实验课基于集成实验箱接线的模式，限制了学生的自主创新和进一步探究技术细节。论文以面向本科通信工程、电子信息科学技术专业的本科教学、实验验证为基调，引入软件无线电的思想，以无线信道测量系统的搭建为实践案例，利用通用软件无线电平台USRP，搭建了一套一发六收的信道测量教学平台。基于该平台，论文对室外情景进行了细致的测量，并对其时延扩展和角度扩展进行了分析比较，解释了测量结果的合理性。通过这些测量和分析，最终验证了信道测量教学平台的功能，证实了在通信原理实验课中引入软件无线电思想的合理性、有效性。
关键词：通信原理实验；软件无线电；信道测量；室外情景测量中图分类号：G642.0
文献标志码：A
文章编号：1674-9324（2020）06-0053-05
一、引言
传统的通信原理实验的教学模式是采用集成化
2]的实验箱，搭配接线操作完成实验内容[1，。该模式固化了实验内容，限制学生必须在实验箱设计的框架下进行实验操作，打击了学生进一步探究技术的自主性。
软件无线电思想的提出，给实验改革提供了新的思路。通过在通信原理实验课中引入通用软件无线电
4]硬件平台[3，（UniversalSoftwareRadioPlatform，USRP），引导学生专注于软件模块的开发，可以使实验课教学可以回归算法级的仿真实验验证，并大大增加了实验的自主性和可扩展性。
6]论文将以MIMO信道测量[5，为软件无线电教学改革案例，通过搭建一套面向本科教学、实验验证的无线MIMO测量平台。并利用该教学平台对室外典型信道环境进行测量，通过对测量结果的分析和对实地场景的互相印证，证明教学平台的合理性、可行性。
论文的结构如下：第2节，描述MIMO测量系统发射与接收机结构及测量信号设计方案；第3节，分析了测量系统误差来源并提供了相应的解决方案；第4节，对室外典型信道情景进行测量，并对测量得到的信道参数进行分析对比；第5节，结论。
二、信道测量系统搭建方案（一）发射机搭建方案
信道测量教学平台框架如图1所示：发射机采用一台USRP-292x作为信源。上位机通过千兆网口对USRP进行控制数据和发送数据的传输。平台采用自相关和互相关性良好的Chirp扩频序列作为测试序列。USRP射频输出端接一台最大增益为30dB的功率放大
8]器，保证信号能够抵抗由于大尺度衰落效应[7，而引起的路径损耗，确保接收端能够拥有足够的接收功率解调出测试序列。同时接收端还将配备一颗250安时的大容量铅酸电池，保证系统能够正常工作直到完成测量任务。
（二）接收机搭建方案如图1所示：接收机主要由七台USRP组成，其中六台USRP输出端天线组成天线阵列，可保证利用
10]MUSIC谱[9，或Capon谱[11]对信号空间信息分离的准确性，更好地研究信道的空间特征。单独一台USRP作为基准源，使用设计好的与测试序列相正交的Chirp序列作为基准序列。工作时六台USRP设备将依据最大似然算法和相关算法，同步到该基准源上，消除不同设
收稿日期：2019-05-20
基金项目：国家自然科学基金资助项目（61501527）；教育部-NI产学合作协同育人项目（201702008095）
作者简介：彭福洲（1997-），男（汉族），广西贵港人，中山大学在读本科生，主要研究方向为软件无线电；陈翔（1980-），男（汉族），湖南长沙人，清华大学博士生，中山大学副教授，主要研究方向为无线与移动通信、卫星通信、物联网；刘敏（1976-），女（汉族），广东汕头人，中山大学博士生，中山大学实验师，主要从事通信原理实验教学和智能信息处理研究；刘慧怡（1996-），女（汉族），山东济南人，中山大学在读本科生，主要研究方向为软件无线电。
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2020年2月第6期教育教学论坛EDUCATIONTEACHINGFORUMFeb.2020No.6备间频偏与相偏带来的对参数估计的影响。不同天线接收数据通过以太网送入上位机进行存储，以备后续
离线处理。
图1信道测量教学平台框架
（三）测量信号的选取和参数设置
目前在信道测量系统测试信号选取中广泛使用的测试序列有三种：伪随机（PN）序列、Multitone序列以及Chirp序列[12]。
考虑到Chirp序列具有良好的自相关性，频带内功率谱平坦，本测量平台将使用Chirp序列作为测试序列，Chirp序列定义如式（1）所示：
梢N梢
n-j2πB梢
s[n]=w[n]expn=1，2，…N（1）梢，2梢
梢梢Nf捎
式中n的取值范围为0到N-1，N为测量序列长度，B为基带测量信号带宽，f为AD采样速率，w[n]为时域窗函数，用来抑制测量信号相关函数的旁瓣，定义如式（2）所示：
扇设
1αN燮n燮N-αN设
设设设
11-cosnπw[n]=缮设，0≤n≤αN（2）设设2αN设设设设0N-αN+1燮n燮N-1墒
晌上
上上上上上上上尚
蓸蔀2裳梢
蓸蓸蔀蔀B=3Mhz，α=0.1。
三、测量系统误差来源分析与矫正（一）设备间载波频率与相位误差
平台使用多台USRP协同工作，各个射频通道间频率与相位存在差别与漂移，可能会带来时间和载波不同步的现象。文献[13]给出了一种基于同步的放射性同位素铷时钟搭配锁相环结构实现对载波频偏的误差纠正方案。
本论文提出了一种基于基准信号源的方案，其主要思想是使用一台USRP作为基准信号源，使每一台设备都同步于该设备上，达到纠正误差的效果，其原理框图如图1右端接收机结构所示。
该方案中，基准信号依然采用Chirp序列。为了保证两个信号的正交，将测试序列取共轭后进行频率平移得到基准信号s1[n]，其表达式如式（3）所示：（3）s1[n]=s*[n]e
式中*表示求共轭，从频域来看，s1[n]与s[n]频谱为离散谱，s1[n]频谱是s[n]频谱的频移，所以两者在频域正交，保证两者的互相关系数近似为0，s[n]与s1[n]的自相关和互相关函数曲线如图2所示。
1.载波频偏矫正。当频通道接收到基准源发送s1
-j2πn/N在测量信号的参数选择过程中，基于USRP器件的特性，以及测量环境时变特性、多径的时延扩展考虑，将设置Chirp序列参数如下：N=256，f=10MHz，
图2s[n]与s1[n]的自相关与互相关函数
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2020年2月第6期教育教学论坛EDUCATIONTEACHINGFORUMFeb.2020No.6jωn[n]序列后，将依据本地存储的基准序列s1[n]来进行频偏的纠正。由于数据是离线后进行处理，对实时性要求不高，故在本系统中使用的是最大似然算法。设接收到的信号为y[n]（假设已经进行了帧同步），假设频偏为ε，相偏为φ，则接收信号y[n]可以表示为式（4）：y[n]=e*e*s1[n]（4）
首先假设接收信号的频偏为ω，则算法的思路是先纠正该频偏，即得到在该频偏假设下，纠正频偏后的序列y1[n]，如式（5）所示：
-j准
-jεny1[n]=y[n]*e（5）
随后与接收端本地存储的基准序列s1[n]求相关系数得到R（ω）如式（6）：
R（ω）=∑n=0y1[n]*s1*[n]
N-1（6）
依据上述步骤遍历所有可能的频偏ω后，将得到关于频偏ω的函数R（ω），取其中使相关系数最大的频偏ω，该值即是最大似然法得到的最佳估计值。如图3是一次记录结果时计算的皮频偏与相关函数图。
图3某次频偏相关函数R（ω）图
2.载波相偏矫正。经过频偏纠正后，假设理想情况下，信号只剩下相偏，此时假设信号表示为y2[n]，如式（7）所示：y2[n]=e*s1[n]（7）
在设计系统时，基于精度的考虑，相偏的计算应该使用最大似然的方式进行计算。但考虑到系统的总体计算复杂度过高，运算花费时间过多，故相偏计算采用共轭相关的方式进行。即将y2[n]与本地存储的基准源信号的共轭相乘，然后再累加，如式（8）所示：
z=|r|e=∑n=0y2[n]*s1*[n]
jβN-1-j准
（8）
然后再求z的相角β，该相角β即是估计得到的相偏。上述算法由于是对信号进行线性运算，只在最后一步的求相角是非线性运算，因此其对于噪声有很好的抗性。
（二）设备总体频率响应误差
信号由USRP射频端送入AD器件进行采样处理前，需要通过放大器、混频器、滤波器等，再到达ADC进行采样。这些器件的不理想性，会导致接收信号等效于通过一个非理想的低通滤波器，使得接收信号产生畸变。射频器件的纠正是一个复杂的过程，其思路也是基于基准源发送一个基准信号，然后求出频率响应，再进行补偿。
发射机的发送信号直接接入接收机的RX口，将射频器件与同轴线设为一个整体，通过对接收信号的分析，求其整体的频率响应。对于发送信号s（t）来说，假设其傅里叶变换为S（f），器件整体的频率响应为G
（f），对接收的信号求其频率响应，假设为R（f），则其满
足式（9）：
R（f）=S（f）*G（f）（9）可以对频率响应R（f）进行多次测量，寻求其统计特性，降低误差。将得到的频率响应记录R（f）下来。实际进行测量时，假设所要求的信号的频率响应为H（f），接收到的测量信号的频率响应为R1（f），该频率响应是信号通过信道和射频通道的结果，使用公式表示为式（10）：
R1（f）=s（f）*H（f）*G（f）（10）对离线信号进行处理，可以依据已经存储的R（f）对接收信号的频率响应R1（f）进行校正，得到真正的信道频率复响应H（f），如式（11）所示：
H（f）=R1（f）/R（f）（11）经过射频器件频率响应校正后，不但校正了射频通道的幅度频率特性，还在一定程度上补偿了通道引入的群时延，减少测量的误差。
四、室外信号环境测量与参数分析（一）概述
无线通信技术的典型应用场景包括室外场景。不同的传播情景的信道特征会有很大的差别。在论文中，将选取室外两种典型情景（郊区宏蜂窝情景以及都市宏蜂窝情景）进行测量。受限于USRP器件在板载AD性能和内部FPGA不开源的特性，以及存在时钟源的精度不足的客观条件，本系统实际上做不到精度太高的测量，而仅能做出一些基础原理性的验证和分析。
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2020年2月第6期教育教学论坛EDUCATIONTEACHINGFORUMFeb.2020No.6（二）室外情景测量
室外情景测量结果汇总如表1所示。在实际测量中，并没有实际去到郊区或者都市进行测量，而是依据COST259/273[14]所描述的信道情景选取中山大学东校区校内情景进行测量。郊区宏蜂窝情景描述的是典型郊区的信道环境，其一般建筑物稀疏，建筑物的高度一般不超过四层楼，地带开阔。都市宏蜂窝情景描述的是典型都市的通信情景，其一般建筑物分布密集，且建筑物高度一般较高，空旷地带很少，故而都市宏蜂窝情景的时延扩展和角度扩展相对于郊区宏蜂窝情景大，与表中测量得到的结论相符。
表1室外测量情景下信道参数对比
图4都市宏蜂窝情景
下面同样选取都市宏蜂窝情景为代表，验证教学平台的功能。测试地点是在学院楼群之间，如图4所示。其中发射机放在纳米楼正门附近，接收机放在JIE楼北门口，不存在直射路径。选取该处环境进行信道测量的原因是该处环境建筑密度大，建筑物楼层高，类似于COST273定义的都市宏蜂窝环境，在此处进行测试，可以在一定程度上模拟信号在都市间进行通信的环境。
该情景信道参数DOA如图5和APDP如图6所示。由于发射与接收机之间不存在视距路径，信号需要通过楼间的反射或者绕射到达。从APDP测量结果中可以观察到两条功率相近，到达时间差近似为0.4μs的径。通过对环境的分析，这两条径可能是分别通过药学院楼和JIE楼反射或绕射而来，且由于测量系统时间分辨率不高（约为0.1μs），导致无法两条多径在时间上几乎无法区分。通过对DOA进行分析，基本可以认为到达角为负的那条径，是由左边的药学院楼反射而来，而到达角为正的那条径，是由右边的JIE楼绕射而来。
图5都市宏蜂窝情景DOA谱图6都市宏蜂窝情景APDP
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五、结论
论文以教学实践为中心，利用软件无线电平台USRP，重点研究了MIMO信道测量平台的搭建和误差分析与矫正方案，最终搭建了一套1发6收的基于独立射频通路模式的无线信道测量教学平台。论文对测量平台的结构进行了设计，并详细分析了测量系统可能存在的几种误差，同时给出了对每一种误差进行补偿矫正的方案。最后，论文使用搭建好的测量平台对室外的两种典型情景进行了测量，通过分析比较这几种测量情景的时延扩展和角度扩展，证明了测量结果的正确性和合理性以及基于软件无线电平台的实验教学模式的可行性。
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PENGFu-zhou,CHENXiang,LIUMin,LIUHui-yi
(ElectronicsandInformationEngineeringExperimentalTeachingCenter,SchoolofElectronicsand
InformationTechnology,SunYat-senUniversity,Guangzhou,Guangdong510006,China)
Abstract:CommunicationPrincipleExperimentisasupportingexperimentalcoursetothevastmajorityofelectronicandinformationmajors.Itspurposeistoleadstudentstoverifywhattheyhavelearnedintheclassroomandtoinspirethemtoexploreengineeringtechnologydetailsthroughexperimentscourse.Thetraditionalexperimentcourseofcommunicationprincipleisbasedonthemodeofintegratedexperimentbox,whichlimitsstudents'independentinnovationandfurtherexplorationoftechnicaldetails.Basedontheundergraduateteachingandexperimentalverificationofcommunicationengineeringandelectronicinformationscience,thispaperintroducestheideaofsoftwareradiototheexperimentcourse.Thispaperchoosestobuildawirelesschannelmeasurementsystemasapracticalcase.BasedontheuniversalsoftwareradioplatformUSRPtobuildasetofchannelmeasurementteachingplatformwithonetransmitterandsixreceivers.Basedonthisplatform,thepapermeasurestheoutdoorscenarioscarefully,andcomparestheirtimedelayexpansionandangleexpansion.Throughtheanalysisofthescenarios,thefunctionofthechannelmeasurementteachingplatformisfinallyverified,andtherationalityandeffectivenessofintroducingthesoftwareradioideaintotheexperimentalcourseofcommunicationprincipleareverified.
Keywords:communicationprincipleexperiment;softradio;channelsounder;outdoorscenariosmeasurement
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