CN102801676A - 一种基于虚拟仪器的接收机 - Google Patents

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裴文江
第伟
王开
孙庆庆
詹金狮
王晓姝
朱光辉
杨洋
缪瑞华
张毅峰
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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟仪器的接收机，包括接收机软件模块及接收机硬件模块，所述接收机硬件模块通过总线与所述接收机软件模块相连，所述接收机软件模块包括信号采集模块，所述信号采集模块连接有信号处理模块及通用仪器总线驱动。本发明采用了虚拟仪器技术构建出11p物理层接收机，而这项技术的实现在本发明中依赖于Labview图形化编程语言以及PXI模块化仪器。利用Labview快速高效的实现了11p接收机的射频模块软件部分以及基带信号处理模块软件部分，并且利用Labview快速实现了与PXI仪器硬件部分的交互。而PXI模块化仪器的精度较高的特性也为本发明提供了的一个强有力的硬件支撑。

Description

一种基于虚拟仪器的接收机
技术领域
本发明涉及虚拟仪器技术，具体利用虚拟仪器技术配合PXI模块化仪器实现802.11p物理层接收机的搭建。
背景技术
1、802.11p技术背景
近年来汽车网络越来越受到人们的关注，利用无线通信标准DSRC实现路边到汽车和汽车到汽车的公共安全和私人活动通信的短距离的通信服务。最初的设定是在300 m距离内能有6 Mb/s的传输速度。拥有304.8m的传输距离和6 Mb/s的数据速率。从技术上来看，它对IEEE 802.11进行了多项针对汽车这样的特殊环境的改进，如：热点间切换更先进、更支持移动环境、增强了安全性、加强了身份认证等等，这样便逐渐形成了802.11p标准。
IEEE 802.11p（又称WAVE, Wireless Access in the Vehicular Environment）是一个由IEEE 802.11标准扩充的通信协议，主要用于车载电子无线通信。它符合智能交通***（ITS，Intelligent Transportation Systems）的相关应用。应用层面包括高速车辆之间以及车辆与ITS路边基础设施（5.9千兆赫频段）之间的数据交换。IEEE 1609标准则基于IEEE 802.11p通信协议的上层应用标准。目前的汽车通信市场，很大程度上由手机通信所占据，但客观上说，蜂窝通信覆盖成本比较高昂，提供的带宽也比较有限。使用IEEE802.11p有望降低成本、提高带宽、实时收集交通信息等。
IEEE802.11p本质上是IEEE 802.11a的扩充延伸，它们的相同之处在于它们的物理层都是采用OFDM进行调制，且都是采用 64个子载波，其中4个副载波充当导频,用以监控频率偏置和相位偏置，其余48个副载波则是用来传递数据，剩余的载波补0以便可以采用64点FFT。在每个物理层数据包的头文件中都有短序列符和长序列符，用来做信号侦查、频率偏置估计、时间同步和信道判断。为了应对衰落信道，在调整到载波之前对信息位采用隔行扫描编码。他们的不同处主要在于在车载环境下为了增加对信号多路径传播的承受能力，802.11p使用10MHz频率的带宽，减少带宽使物理层的参数是IEEE802.11a的两倍。另一方面，使用比较小点的带宽减少了多普勒的散射效应，两倍的警戒间隔减少了多路径传输引起的码间干扰。结果导致物理层的数据传输速率减小了一半。
2、虚拟仪器背景
虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，虚拟仪器通过VXI、PXI等标准总线采用软件将计算机硬件资源和仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算机处理能力和仪器硬件的测量，控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测试***到以软件为中心的测试***的根本性转变。
虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能是相同的。如各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的“通”、“断”，测量结果的“数值显示”、“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是实物,而且是用手动和触摸进行操作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的图标，设计虚拟面板的过程就是在面板设计窗口中摆放所需的控件，然后编写相应的程序。大多数初学者可以利用虚拟仪器的软件开发工具，如Lab Windows/CVI、LabVIEW等编程语言,在短时间内轻松完成美观而又实用的虚拟仪器前面板的设计。
在以PC为核心组成的硬件平台支持下，虚拟仪器不仅可以通过软件编程设计来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能。因此在硬件平台确定后有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种在PXI仪器的公共硬件平台基础上编写软件实现802.11p物理层接收机的快速原型机的搭建，主要工作包括：1、802.11p物理层接收机基带信号处理模块的实现。2、802.11p物理层接收机射频模块的实现。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于虚拟仪器的802.11p接收机，包括接收机软件模块及接收机硬件模块，所述接收机硬件模块通过总线与所述接收机软件模块相连，所述接收机软件模块包括信号采集模块，所述信号采集模块连接有信号处理模块及通用仪器总线驱动。
进一步的，所述信号处理模块将所述信号采集模块的信号依次通过符号同步、频偏纠正、去循环前缀、FFT、纠正信道偏差、调解、去扰码、性能验证等模块。
进一步的，所述FFT将信号发送至信道估计模块，由信道估计模块反馈至所述纠正信道偏差模块。
本发明的有益效果是:
本发明最核心的技术便是采用了虚拟仪器技术构建出11p物理层接收机，而这项技术的实现在本发明中依赖于Labview图形化编程语言以及PXI模块化仪器。利用Labview快速高效的实现了11p接收机的射频模块软件部分以及基带信号处理模块软件部分，并且利用Labview快速实现了与PXI仪器硬件部分的交互。而PXI模块化仪器的精度较高的特性也为本发明所设计***运行良好提供了的一个强有力的硬件支撑。
另外802.11p主要用于车载无线通信，即主要服务于车联网。因而本发明实现的802.11p物理层接收机的快速原型机最主要的功能是可以在车载环境中实现信号的接收及解调，并且通过一系列严格的测试，该原型机的性能（如最小接收机灵敏度，EVM等）满足802.11p协议中规定的接收机射频一致性测试条目的指标。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1：802.11p接收机***框图；
图2：801.11p接收机硬件框图；
图3：802.11p接收机基带信号处理模块；
图4：802.11p信道估计模型；
图5：802.11p接收机完整***框图。
图中标号说明：A、接收机软件模块，B、接收机硬件模块，C、总线，1、信号采集模块，2、信号处理模块，3、通用仪器总线驱动，201、符号同步，202、频偏纠正，203、去循环前缀，204、FFT，205、纠正信道偏差，206、解调，207、去扰码，208、性能验证，209、信道估计。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参照图1所示，一种基于虚拟仪器的802.11p接收机，包括接收机软件模块A及接收机硬件模块B，所述接收机硬件模块B通过总线C与所述接收机软件模块A相连，所述接收机软件模块A包括信号采集模块1，所述信号采集模块1连接有信号处理模块2及通用仪器总线驱动3。
进一步的，参照图3所示，所述信号处理模块2将所述信号采集模块1的信号依次通过符号同步201、频偏纠正202、去循环前缀203、FFT204、纠正信道偏差205、调解206、去扰码207、性能验证208等模块。
进一步的，所述FFT204将信号发送至信道估计209模块，由信道估计209模块反馈至所述纠正信道偏差205模块。
本发明中实现的基于虚拟仪器技术的接收机***主要分为两块（如图1）：采用PXI模块化仪器实现的接收机的硬件部分以及利用Labview编程实现的接收机软件部分。下面分别对它们做详细的介绍：
采用PXI 5663模块化仪器的公共硬件平台
本发明中采用NI公司的模块化仪器PXI 5663矢量信号分析仪作为接收机的硬件部分，该款矢量信号分析仪主要分为三个部分（图2）：本振源PXI 5652，下变频器PXI 5601以及数字化仪 PXI5622。利用本振源产生的本振信号与输入下变频器的射频信号进行混频并进行中频滤波，将滤波之后的信号通过数字化仪进行采样，接着便可以对采样完之后的数字信号进行软件层面的数字信号处理。
本发明所处理的11p模拟无线电波信号的频率为5.8GHz，带宽为20MHz，根据奈奎斯特采样定律，所需的采样率至少为40MHz才能保持信号不失真，而该款矢量信号分析仪可以接收10MHz-6.6GHz频段的信号，拥有50MHz的瞬时中频带宽，拥有最高150MS/s的采样率，从上述仪器指标来看，该款模块化仪器可以完全满足11p接收机所需的性能指标。
基于Labview的射频信号采集处理模块以及基带数字信号处理模块
基于Labview的射频信号采集处理模块
该部分主要功能是通过调用仪器驱动API，编写控制仪器的Labview程序。程序段主要根据11p信号的特性设置仪器的三个子***（通道子***，采集子***，触发子***），以此实现控制仪器对射频端信号进行采集，下变频，A/D等。其中通道子***用于控制仪器采用哪个逻辑通道进行射频信号的采集；采集子***用于设置与射频信号采集相关的一些仪器特性，例如仪器的采集方式（IQ or Spectrum），载波频率，参考水平（Reference Level），参考时钟等；触发子***用于设置与A/D相关的一些特性，例如触发采样方式，触发采样功率等级，采样率，采样点数等。
基于Labview的基带数字信号处理模块
该部分主要功能是通过编写Labview程序来完成对采样之后的数字信号进行一系列处理（如图3），从而最终还原出最终发送的比特流。按照处理的顺序主要分为符号同步，信道估计，OFDM解调。下面分别介绍这几部分。
符号同步：由于信号采集模块传出来的数据前一段全是噪声信号，后一段是一帧OFDM信号和噪声信号的叠加，因而为了正确的获取一帧OFDM信号，必须以尽可能小的误差（误差不能超过16）去估计出OFDM帧的起始点，而这正是符号同步模块所完成的。该同步模块主要思想是通过求接收信号r(n)和已知短训练序列之间的互相关实现的，通过求互相关值的最大值，使互相关值最大的那个点即为帧的起始点。
信道估计：在实际***中，由于载波偏移、定时偏差、以及信道的频率选择性衰落等的影响，信号会受到破坏，导致相位偏移和幅度变化。为了准确恢复信号，接收端有两种信号检测方法，查分检测和相干检测。查分检测不需要知道信号的参考值，只需要利用相邻两个信号的相位和幅度的差值。相干检测利用信号的参考值来检测信号，所以对相干检测而言而需要进行信道估计得到检测所需的参考值。在完善信道估计的情况下，为了得到相同的误码率，后者所需要的信噪比前者低3dB。对于需要很高传输速率和频谱效率的OFDM***，相干检测更合适。精确的信道估计依然是OFDM进行相干检测必不可缺少的部分。
信道估计算法主要包括两大类：一种是基于训练序列的估计算法，一种是盲估计算法。所谓基于训练序列的估计算法是指利用接收机已知的信息来进行信道估计。本发明主要采取这种算法进行信道估计。采取这种算法进行估计的算法又包括两种：基于块状训练序列的算法和采用导频估计的算法。
所谓块状训练序列即一个OFDM符号内的所有点均为已知点，通过这个接收端已知的OFDM符号以及接受到的相应的符号，可以估计出信道在52个载波频率段的频率响应{H(0),H(1)…..,H(51)}，这样便可以修正本OFDM帧内其他OFDM符号。但这种算法只适合于时变缓慢的信道，因为若信道频率响应变化很快，显然前一个OFDM符号的频率响应与下一个OFDM符号的频率响应时不一样的。
采用导频估计的算法可以改善上述信道情况下的信道估计的准确性，它的思想在于利用发送的每一个OFDM符号的4个导频信道的频率响应利用信道插值来估计出该OFDM内其他48个数据子载波信道的频率响应。本发明便是利用这种算法的思想进行信道估计。模型如图4。
OFDM解调：按照协议来看，OFDM解调过程是调制过程的逆序，按照先后顺序，可以分为解映射，解交织，viterbi译码。解映射是映射的逆过程，即将映射到星座图上的复数点还原为比特序列，包括64-QAM，16QAM，QPSK，BPSK。而交织是为了防止信号在传输中产生突发错误，而采取的一种将发送比特序列相互位置打乱的措施，解交织即是用来还原出位置未被打乱的比特序列。
11p主要利用两个序列位置变换的方程实现位置的变换，本发明中便是利用Labview实现出了这两个方程的逆过程，从而实现了相互位置的还原。Viterbi译码是发送端卷积编码的逆过程，在实现的过程中，通过在MATLAB中编写相应的Viterbi译码程序，然后在Labview中调用该MATLAB程序实现了该译码。
整个11p接收机***的框图见图5。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于虚拟仪器的接收机，其特征在于：包括接收机软件模块（A）及接收机硬件模块（B），所述接收机硬件模块（B）通过总线（C）与所述接收机软件模块（A）相连，所述接收机软件模块（A）包括信号采集模块（1），所述信号采集模块（1）连接有信号处理模块（2）及通用仪器总线驱动（3）。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的接收机，其特征在于：所述信号处理模块（2）将所述信号采集模块（1）的信号依次通过符号同步（201）、频偏纠正（202）、去循环前缀（203）、FFT（204）、纠正信道偏差（205）、调解（206）、去扰码（207）、性能验证（208）等模块。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟仪器的接收机，其特征在于：所述FFT（204）将信号发送至信道估计（209）模块，由信道估计（209）模块反馈至所述纠正信道偏差（205）模块。
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