針對目前通信教學和科研活動中缺乏真實現場驗證這一問題,本方案基于USRP和GNU Radio組成的通信實驗平臺,設計并實現了一個以正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術為基礎的視頻傳輸實驗。與軟件仿真驗證相比,實驗測試中以真實信道為傳輸環境,貼近現實的通信系統,使得需要驗證的信號處理算法在性能評估上更具有說服力。
功能描述
視頻傳輸系統主要實現將攝像頭信號數據發射到無線電磁環境中,并在接收端將此信號數據進行恢復以及顯示。系統由兩臺上位機、兩臺USRP-LW X310、兩塊UBX-LW 40射頻子板與天線組成。
在系統發射端,上位機通過攝像頭捕獲到視頻信號,通過GNU Radio發送模塊將視頻信號進行處理后通過USRP-LW X310,UBX-LW 40以及天線發射到無線電磁環境中;
在接收端,系統通過USRP-LW X310,UBX-LW 40以及天線接收無線電磁信號,信號數據通過上位機GNU Radio接收模塊進行處理,并將恢復的視頻畫面顯示到上位機。系統支持多種調制方式,數據包支持自定義,發送源可選擇文字,圖片與視頻。系統接收端可顯示星座圖,頻譜圖與時域波形圖。
視頻傳輸系統框圖
系統實現過程
步驟一:在系統中安裝gstreamer庫,利用mkfifo命令分別創建發射端、接收端中gstreamer和GNU Radio之間管道;
步驟二:通過輸入命令連接uvc H.264/MPEG-TS網絡攝像頭;
步驟三:使用gstreamer中的命令將轉化為.ts格式的視頻加載到發射端GRC流圖中,通過OFDM調制后再使用USRP發送。
步驟四:USRP接收視頻后,經過GRC流圖中的OFDM解調等模塊,將解碼的視頻經過管道與gstreamer相連,可以使用gst-launch命令播放或者使用mpv命令在mpv播放器上播放(本次實驗使用的是mpv播放器實現地播放)。

視頻管道配置圖
軟件界面圖
本次仿真使用設備:性能較高的PC機兩臺、USRP-LW X310兩臺、logitech C930攝像頭一個(支持UVC H264的攝像設備)。
兩臺主機環境為:Ubuntu 18.04系統、GNU Radio Companion 3.7.13.5、uhd 3.14.1.1。
(1)發端運行實現
發端GRC流圖如圖所示:

發送端GRC流圖
發端集成模塊細節如圖和圖所示:
發端Channel Coding集成模塊
發端OFDM MIMO Transmitter集成模塊
發端傳輸結果如圖所示:
發送端傳輸結果圖
(2)接收端運行實現
收端GRC流圖如圖所示:
收端集成模塊細節如圖所示:
收端OFDM MIMO Receiver集成模塊
收端Channel Decoding集成模塊
運行結果如圖所示:
收端運行結果圖
整體運行結果圖
本次仿真使用設備:性能較高的PC機兩臺、USRP-LW X310兩臺、logitech C930攝像頭一個(支持UVC H264的攝像設備)。
兩臺主機環境為:Ubuntu 18.04系統、GNU Radio Companion 3.7.13.5、uhd 3.14.1.1。
(1)發端運行實現
發端GRC流圖如圖所示:

發送端GRC流圖
發端集成模塊細節如圖和圖所示:
發端Channel Coding集成模塊
發端OFDM MIMO Transmitter集成模塊
發端傳輸結果如圖所示:
發送端傳輸結果圖
(2)接收端運行實現
收端GRC流圖如圖所示:
收端集成模塊細節如圖所示:
收端OFDM MIMO Receiver集成模塊
收端Channel Decoding集成模塊
運行結果如圖所示:
收端運行結果圖
整體運行結果圖
視頻傳輸系統實物搭建及整體運行結果圖
推薦硬件型號
(1)SDR-LW系列
SDR-LW系列是珞光電子推出的高性能SDR獨立設備,由板載處理器、FPGA和射頻前端組成。通過Intel X86處理器與FPGA協同工作,增加了軟件無線電設備的靈活性。一體機的設計框架使其可以快速地搭建視頻傳輸系統實驗環境。建議SDR-LW 2974及SDR-LW 4940兩種型號。
(2)USRP-LW系列- USRP-LW X310+UBX-LW 40子板
USRP-LW X310是一款性能卓越,定位于高端的,服務于下一代軟件無線電設計和開發的軟件無線電設備。支持PCIE接口,以及1 Gbps和10 Gbps Ethernet接口,為USRP與通用處理器(GPP)之間提供了高速接口。
UBX-LW 40是一款全雙工寬帶收發器,覆蓋10MHz至6GHz的頻段,瞬時帶寬為40MHz。多個UBX子板的相干和相位對齊操作使用戶能夠探索MIMO和測向應用。
典型應用場景
視頻傳輸系統幫助用戶快速搭建一個數據傳輸系統,可用于天線性能驗證,智能超表面系統驗證,毫米波通信系統驗證,光電傳輸系統性能驗證。
配置清單參考
