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user: 3. 数字可编程超表面无线通信系统的硬件实现 本节以FSK调制为例，介绍利用数字可编码超表面完成直接载波调制的单载波无线通信系统的LabVIEWFPGA硬件实现。首先给出其系统框图并介绍其硬件架构和系统参数，接着详细介绍发射机和接收机侧的关键代码和操作，最后给出实测场景和图片传输的结果。 3.1. 系统架构和参数 图5就描述了整个基于数字可编码超表面的FSK无线通信系统框图。 图5. 基于数字可编码超表面的FSK无线通信系统框图 在发射机侧，用户数据首先在Host端完成到0-1比特流的转换，然后进行编码操作映射成对应的连续相位信号(比特“0”和“1”分别对应一种相位信号)，考虑到DAC (Digital to Analog Converter，数模转换器)的精度和效率问题，对该连续相位信号进行了4阶量化。接着Host将量化后的相位信号传输给FPGA，在FPGA上“0”和“1”对应的相位信号映射为实际的数字驱动电压，电压经过DAC和超表面背侧控制电路的调整和放大后传递给表面上的各个电磁微单元。在此同时，作为载波的单音信号由独立的信号发生器产生，并通过喇叭天线辐射向数字可编码超表面。 在接收机侧，由另一个喇叭天线捕捉空口信号并传输给射频前端，信号经过下变频和ADC (Analog to Digital Converter，模数转换器)后送入FPGA进行检测。FPGA在获得基带信号后先对信号进行加窗去噪，接着对其进行FFT操作并估计其信号频谱，再根据频谱检测结果译出0-1比特流信号，将其传入接收机侧的Host上位机进行数据恢复和结果显示。 本系统所用到的设备和器件如表1所示，系统参数如表2所示。 Table 1 List of devices and hardwar 硬件名称 功能描述 NI PXIe-1082机箱 用于装载NI系列硬件，并提供硬件连接使其数据互通 NI PXIe-8135控制器 作为发射端上位机，将用户数据(图片)翻译成比特流，再映射并量化为相位符号 NI FPGA 7966R 将量化后的相位符号转化为实际的数字驱动电压 NI DA 5781R 对数字驱动电压进行插值调整等操作 KeysightE8267D信号源 用于发射端产生单音载波信号，并通过喇叭天线辐射向超表面 NI USRP-RIO 2943R 用于接收端数据接收、检测和判决 DELL笔记本 作为接收端上位机，恢复出原始用户数据(图片)并显示相关参数 数字可编码超表面 用于发射端，根据基带数字驱动信号对载波信号进行直接调制 表1. 设备及硬件列表 Table 2 List of system parameter 参数名称 数值 载波频率 3.8 GHz FSK频点(比特“0”和“1”) 3.8 GHz ± 78.125 kHz 接收机采样速率 800 kHz FFT点数 512 相位量化阶数 4 表2. 系统参数列表 3.2. 收发端关键代码及操作 LabVIEWFPGA是美国国家仪器公司推出的一款图形化界面FPGA开发语言，具有易开发、可释性强等优点，本文采用该语言进行数字可编程超表面无线通信系统的实现。下面给出该系统收发端关键的关键操作和模块代码。 发射端基带程序主要在于将数据比特流转化为对应的相位信号，并根据数据传输速率实时将数据传递给FPGA生成实际的数字驱动电压。图6描述了发射机基带将数字比特流转换为相位信号和驱动电压的过程，一个FSK符号是相位连续的，这里将其进行了4阶量化操作，即0~360度的相位信息会就近映射成0度、90度、180度和270度的相位。量化后所有相位只有四种取值，因此最后生成的数字驱动电压也为四种数值。采用的DAC精度为−32768~+32768，我们事先已通过实验在其中筛选出了四种电压档位−32768、−18684、−13995和12745，用它们控制超表面得到的反射信号相位正好对应0度、90度、180度和270度。得到四种电压档位后，将比特“0”映射为−32768，−18684，−13995，12745的序列，将比特“1”映射为12745，−13995，−18684，−32768的序列。 图6. 发射机将比特流转变为相位序列和数字驱动电压的流程图 图7描述了根据实时数据传输速率将图6中生成的相位序列压入FIFO并送入FPGA的过程。在这个循环中系统会实时监控名为“CommHost-to-FPGA”的FIFO可用深度，当FPGA从这个FIFO中读取数据时该空余深度会增加，当深度大于22500时说明该FIFO中大部分数据已经被FPGA读取并进行了处理，此时应该往该FIFO中压如新的数据。这样的监控机制使得数据速率能够得到控制，既不会导致信息的丢失，也不会造成时间上数据的空档。 图7. 相位序列传输至FPGA中 接收端基带程序主要分为四个主循环：采样信号重定时、检测与判决、判决信号组帧和T2H (Target-to-Host，目标设备至上位机)数据传输，四个单周期定时循环间利用DMA-FIFO (Direct Memory Access-First Input First Output，直接内存存取–先入先出)存储器进行数据的交互。由于预先设置的800 kHz的采样速率，每512点数据要进行一次FFT操作并检测出一个“0”或“1”比特，因此需根据每个单周期定时循环内所有操作的延时周期进行时钟的预设，这样才能够保证数据吞吐量的平衡，既不会出现数据的中断也不会出现数据的溢出，最终计算的到四个单周期定时循环的时钟速率分别为135 MHz、160 MHz、20 MHz和5 MHz。图8给出了采样信号重定时的模块框图。该循环主要的作用是根据同步操作后寻找到的帧头位置，对FPGA正交采样得到的数据点进行计数，当计数到帧头位置时开始将数据写入FIFO供后续数据处理。同时该循环还从这些数据中取出少量样本写入T2H-FIFO存储器供Host端考察FPGA采得的数据。本系统中由于是在检测阶段采取能量检测的方法来寻找数据起始点，故在此循环中无需给出帧头位置，默认设定同步点位置为0，即FPGA将接收到的数据全部依次写入FIFO。基带端需要利用FFT对信号的频谱进行估计，系统中设定的FFT长度为512，在此循环中则设定为在每次接收的5120个采样点中择取前512个点写入T2H-FIFO，以便Host端对频谱进行观察。 图8. 采样信号重定时循环 图9给出了接收器剩余循环操作的主要流程图。接收机主要实现对FSK信号码元的加窗处理、频谱估计和信号检测等功能。每次循环从采样信号重定时循环中的FIFO里读取512个采样点(对应着一个FSK码元)进行处理。首先为了降低噪声能量并提高频谱检测的效率，需要对该512个采样点进行加窗处理，本系统中采用汉明窗。接下来需要利用周期图法对码元的频谱进行估计，即先进行512点的FFT操作再对结果取模。估计完频谱后，为了凸显有效频点和噪声在功率上的差距，将信号的线性值功率转换为了dB值。最后通过比较FSK不同有效频点上信号能量的强弱来判决该码元是0还是1，并将结果写入FIFO。在判决阶段还实现了一个基于能量检测的同步机制，即若观测到的信号在有效频点处的能量低于人为设定的阈值时，则认为发射机没有发射信号，而一旦某个有效频点处的能量开始高于此阈值时，则认为发射机开始发射数据并且第一个能量高于阈值的码元为整个数据的起始码元(同步点)。系统在Host端需要还原出图片数据，图片是由像素点构成的，每个像素点含有红、绿、蓝三种颜色分量，每个颜色分量对应着一个U8 (8位无符号整形)值。当检测与判决循环判决出8个比特的信息后，该循环自动将其组为U8并写入FIFO。该部分每个通道利用了7个反馈节点用于暂时存储先到达了串行比特流，当第8个比特被判决出时会包含前7个比特一起打包成一个U8数据。 图9. 接收机基带处理流程图 3.3. 测试结果及讨论 如图10，利用上述软硬件设备，我们在微波暗室中构建了一个基于数字可编码超表面的FSK无线通信系统，并且用其实时无线传输图片信息。在发射机中，系统采用两比特编码序列(也就是四种数字状态：“00”、“01”、“10”和“11”)来控制超表面上电磁微单元的反射系数 Γ m 。值得指出的是，由于之前发射机对连续的相位信号做了4阶量化，在超表面反射出的已调信号的频谱中将会引入一些高次谐波。但是尽管如此，这些高阶谐波的功率远远低于FSK系统真正需要检测谐波处的功率，因此仍然能够在接收端获得良好的FSK系统性能。而且如果继续充分利用量化精度和相位增量，这些高次谐波对系统性能的影响将越来越小或可以忽略。 本系统发射机的具体传输过程如下：首先发射机在基带部分通过图片软件读取图片字节并将字节转换成“010100…”的比特流；接着比特流中的每个比特顺序被映射成超表面的四种相位状态序列，即比特“0”被映射成“00-01-10-11”，比特“1”被映射成“11-10-01-00”；之后这些相位状态序列会重复若干次以填充满整个传输符号间隔，这样做是为了接收端FFT能够更加准确的检测出频谱能量；最后这些信息符号的状态序列通过控制电路转换成数字驱动电压作用到超表面上，这样一旦此时载波开始辐射到超表面上，图片就会以无线信号的形式进行传输。 本系统接收机采用软件无线电进行数据的处理。在采样速率为800 kS/s的情况下，每获取512个采样数据点就进行一次FFT变换，并以周期图法的方式估计出这传输符号的频谱。由于采用的是二进制的FSK调制，因此检测器重点关注频谱中的两个频点f 1 和f 2 处的能量，若频点f 1 处的能量大于频点f 2 处的能力，则检测器将超表面传输的符号判决为比特“0”，反则判决成比特“1”。在判决检测之后，比特流信息被恢复且打包给图片应用，从而再现图片信息。 图10中系统发射端的信号功率为0 dBm，发射机与接收机距离为6.2 m。接收机FFT之后估计出的信号频谱如图11所示。如预期的，在频点序号为50 (对应着78.125 kHz的频点)的地方出现了能量尖峰，即此时比特“1”正在传输。同时也可以看到由于相位量化的原因，频谱中出现了若干高次谐波的干扰，但我们目标频点处的能量仍然较这些干扰要高10 dB左右，因此性能几乎不受影响，并且如图中所示，所传输的图片也能够正常恢复。 图10. 用于实验中的基于超表面的FSK无线通信系统 图11. 基于超表面的FSK无线通信系统实验结果