无线课程设计实验指导书final

无线课程设计实验指

导书

第一章实验平台介绍

本次实验采用的是基于Linux操作系统的软件无线电平台GNURadio+USRP。其中GNURadio是软件部分，USRP为硬件部分。软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（A/D和D/A变换）尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。

1.1开源软件无线电GNURadio

GNU Radio 是一个通过最小程度地结合硬件（主要是USRP），用软件来定义无线电波发射和接收的方式，搭建无线电通信系统的开源软件系统。也就是说，现在那些高性能的无线电设备中所遇到的数字调制问题将变成软件问题。

图1.1 GNU Radio软件无线电系统

GNU Radio的编程基于Python脚本语言和C++语言的混合方式。Python用来构造流图。C++由于具有较高的执行效率，被用于编写各种信号处理模块，如：滤波器、FFT变换、调制／解调器、信道编译码模块等，在GNU Radio中称这种信号处理模块为block。GNU Radio提供一个包含多种信号处理模块的模块库，并且也可以扩展添加新的信号处理模块。Python是一种新型的脚本语言，具有无须编译、语法简单以及完全面向对象的特点，因此被用来编写连接各个block

使其成为完整的信号处理流程的脚本，在GNU Radio中称其为Flow graph。编程者通过建立一个流向图（flow graph）就能搭建成一个无线电系统对于信号处理模块，从理论上说，信号数据流不停的从输入端口流入再从输出端口流出。信号处理块(blocks)的属性包括输入和输出的端口数，流过它们的数据的类型。经常使用的数据流的类型是短整型(short)、浮点型(float)和复数型（complex）。一些处理模块仅仅有输出端口或者输入端口，它们分别成为信号源(data source)和信号接收器(data sink)。有的信号源从文件或者ADC 读入数据，信号接收器写入文件或者DAC 或者PC 的多媒体接口。

本次实验室使用的是GNURadio 3.3.0

1.2通用软件无线电设备USRP

USRP（Universal Software Radio Peripheral，通用软件无线电外设）旨在使普通计算机能像高带宽的软件无线电设备一样工作。从本质上讲，它充当了一个无线电通讯系统的数字基带和中频部分。USRP背后的基本设计理念是在主机CPU上完成所有波形相关方面的处理，比如调制和解调。所有诸如数字上下变频、抽样和内插等高速通用操作都在FPGA上完成。

图1.2 USRP模块框图

USB2.0 Port

DC Power

LT1085电源

芯片

USB 驱动芯片CY7C68013

FPGA

子板插口

稳压芯片TPS777

电源芯片AD3336

AD9862

图1.3 USRP 母版

USRP 是一个非常灵活的USB 设备，它把你的计算机和RF （射频）连接到一起。USRP 包含一个母板，母板包含4个12bit/64M 抽样率的ADC ，4个14bit/128MDAC ，一个百万门的FPGA 芯片和一个可编程的USB2.0控制器。每个USRP 母板支持2个接收子板和2个发射子板。

RF 前端是实现在子板上的，不同的子板处理不同的频率带宽。本实验采用的是板，频率范围为（2.3GHz ，2.9GHz ）的RFX2400子板。

图1.4 GNURadio+USRP工作场景

1.3 图形化操作界面GNURadio-companion

GRC是我们这次实验主要的工具，它是GNURadio提供的一个图形化操作界面，其功能类似于MATLAB中的Simulink。GRC提供了GNURadio中的大部分block，包括各种信源、信宿、滤波器、示波器、调制解调模块等等，方便操作，简单明了，便于直观的感受无线通信系统工作流程。同学们有兴趣的话可以自行编写一些C++的信息处理工作模块，并将其添加到GRC中。

下面我们对GRC界面的操作和本次实验涉及到的主要block进行介绍。

1.3.1 GRC操作界面介绍

图1.5 GRC操作界面

：建立新的grc文件；

：打开已经存在的grc文件；

：保存当前grc文件；

：生成一个python文件；

：运行当前Flow graph；

：停止运行当前Flow graph；

：使界面中某个模块停止工作；

用GRC进行实验就是按流程将其中的模块连接起来，并把需要设置的参数按要求设置好，然后运行查看结果。连线必须按照对应的数据类型来连，即连线两端的数据类型必须一致，模块的输入输出数据类型由不同颜色来加以区分，如果所连两模块不能实现数据类型匹配的话可以找到数据类型转换模块来转换数

据类型：

图1.6 不同数据类型对应颜色

连线和设置参数时如果不符合标准是会出现错误，导致Flow graph不能运行。常见错误有如下几种：

a.连线两端数据类型不同，箭头会变为红色。

图1.7 数据类型错误

b.必设参数没有设置或者设置不符要求以及Flow graph发生错误会导致模块字体颜色变为红色。

图1.8 参数设置错误以及Flow graph错误

实验中涉及的GNURadio命令

gr_plot_int.py+空格+路径观察整型数据的图形

gr_plot_iq.py+空格+路径观察复数型数据的图形

gr_plot_float.py+空格+路径观察浮点型数据的图形

gr_plot_short.py+空格+路径观察短整型数据的图形

gr_plot_char.py+空格+路径观察字符型数据的图形

（注：该路径从/home开始

例：gr_plot_float.py /home/ee70/test.dat）

1.3.2 GRC实验涉及主要模块及其参数介绍

信源：

1、Signal Source

信号源，可提供恒定波形（阶跃信号）、正弦信号、余弦信号、方波信号、三波信号、锯齿波信号。

Output type：complex、int、short、float

Parameters：Sample rate：采样率；

Waveform：选择信号源所用波形；

Frequency：频率；

Amplitude：幅度；

Offset：上下偏移量。

2、Noise Source

噪声源，可提供四种噪声：高斯噪声（Gaussian）、拉普拉斯噪声（Laplacian）、脉冲噪声（Impulse）、均匀分布噪声（Uniform）。

Output type：complex、int、short、float

Parameters：Noise Type：噪声类型；

Amplitude：噪声幅度；

Seed：种子（噪声是一种随机数，但一般随机数都是伪随机数，即以一真随机数种子作为初始条件，用一种算法不停迭代产生随机数）。

3、Vector Source

矢量源，从一个向量中获取数据输出。

Output type：complex、int、short、float、byte

Parameters：Vector：获取数据的矢量；

Repeat：一个数据结束后是否重复该数据；

Vector Length：矢量长度。

信宿：

Null Sink

空信宿，位地址，用于接收数据及丢弃不需要的数据。

Input type：complex、int、short、float、byte。

Parameters：Vector length：矢量长度。

File Sink

文件信宿，将接收到的数据流写入到一个文件中。

Input type：complex、int、short、float、byte。

Parameters：File name：文件名；

Vector length：矢量长度。

图形信宿（用于观测波形）：

Scope Sink

示波器，观察信号的时域波形。

Input type：complex、float。

Parameters：Sample rate：采样率；

V scale：垂直方向扫描范围；

V offset：垂直方向偏移；

T scale：水平方向扫描范围；

AC couple：交流开关；

XY mode：XY模式开关；

Num Inputs：输入个数；

Window size：显示窗口尺寸；

Grid Position：当多于一个窗口显示时，当前窗口的位置。Constellation Sink

星座图显示，能够显示信号的星座图。

Input type：complex。

Parameters：Sample rate：采样率；

Frame rate：帧速率；

Constellation size：星座图尺寸；

M：科斯塔环控制系数；

Theta：科斯塔环控制系数；

Alpha：科斯塔环控制系数；

Max freq：最大频率；

Mu：M&M模块系数；

Gain Mu：用于调整Mu的值；

Symblo rate：符号率；

Window size：窗口尺寸；

Grid positon：当多于一个窗口显示时，当前窗口的位置。

FFT Sink

快速傅里叶变换频谱分析仪，观测快速傅里叶变换的频谱。

Input type：complex、float。

Parameters：Sample rate：采样率；

Baseband freq：基带频率；

Y per Div：纵坐标之间的间隔；

Y divs：显示窗口中纵坐标的显示个数；

Ref level：窗口刚出现时所显示的纵坐标最大值；

Ref scale：？

FFT size：FFT大小；

Refresh rate：窗口图像更新率；

Peak hold：峰值保持；

Average：均值；

Window：FFT窗口算法，如汉明窗等；

Window size：窗口尺寸；

Grid Position：当多于一个窗口显示时，当前窗口的位置。

4、Number Sink

主要用于显示数据的具体数值，可用于计算误码率时显示误码率的时候等。

Input type：complex、float。

Parameters：Units：所出现数值的单位，可以自己设定；

Sample rate：采样率；

Min value：最小值；

Max value：最大值；

Factor：影响显示数值的大小，输入数据先与该值相乘再显示

Decimal places：小数点之后的显示位数；

Reference level：作用同factor，输入数据与factor相乘后再与该值相加之后再显示；

Show garge：以横向柱形图的方式表示显示数据；

Peak hold：峰值保持；

Average：均值；

Window size：显示窗口大小；

Grid position：当多于一个窗口显示时，当前窗口的位置。

Packet block：

1、Packet_encoder

在使用gmsk、dmpsk调制模块的时候使用。主要功能是将数据打包后再输入至调制模块。

Input type：complex、float、int、short、byte。

Output type：byte。

Parameters：Samples/Symbol：每个符号的采样数(应该和之后的调制模块的数值相同)；

Bits/Symbol：每个符号的bit数；

Access Code：同步向量（0,1组成的字符串），空白表示自动设置；

Pad for USRP：如果设为True，那么packet就补充成为128采样的倍数；

Payload Length：包的长度,设为0 表示自动设置。

Notice：Bits、Symbol 应该按下列要求设置：

gmsk -> 1

dbpsk -> 1

dqpsk -> 2

d8psk -> 3

2、Packet_decoder

在使用gmsk, dmpsk调制模块的时候使用。对解调后的数据进行解包操作。

Input type：byte。

Output type：complex、float、int、short、byte。

Parameters：Access Code：同步向量（0,1组成的字符串），空白表示自动设置；

Threshold：检测Access Code的正确与否(Threshold<0 -> use default)。

调制：

1、Frequency mod

频率调制模块。

Input type：float。

Output type：complex。

Parameters：Sensitivity：调制系数。

2、Quadrature demod

频率调制解调模块。

Input type：complex。

Output type：float。

Parameters：Gain：设为频率调制中调制系数的倒数。

3、DPSK Mod

DBPSK、DQPSK、D8PSK调制器。

Type：DBPSK、DQPSK、D8PSK。

Input type：byte。

Output type：complex。

Parameters：Samples/Symbol：每个符号的采样数，应该大等2；

Excess BW：根升余弦滤波器多余带宽；

Gray Code：是否使用Gray Code；

Verbose：是否打印调制模块的相关Parameters信息；

Logging：是否将输出数据自动存储在文件中。

4、DPSK demod

DBPSK、DQPSK、D8PSK解调器。

Type：DBPSK、DQPSK、D8PSK。

Input type：complex。

Output type：byte。

Parameters：Samples/Symbol：每个符号的采样数，应该大等2；

Excess BW：根升余弦滤波器多余带宽；

Costas Alpha：环路滤波器增益；

Gain Mu：用来调整Mu的值；

Mu：位于[0。0 1。0]之间的一个值；

Omega Relative Limit：用于计算Omega的最大和最小值；

Gray Code：是否使用Gray Code；

Verbose：是否打印调制模块的相关Parameters信息；

Logging：是否将输出数据自动存储在文件中。

Notice：Gain MU,MU and Omega Relative Limit 是clock_recovery_mm_ff、cc block中的Parameters,这个解调模块使用M&M算法来作为它的同步算法。

5、GMSK mod

GMSK调制器。

Input type：byte。

Output type：complex。

Parameters：Samples/Symbol：每个符号的采样数，应该大等2；

BT：高斯滤波器带宽* 符号时间；

Verbose：是否打印调制模块的相关Parameters信息；

Logging：是否将输出数据自动存储在文件中。

6、GMSK demod

GMSK解调器。

Input type：complex。

Output type：byte。

Parameters：Samples/Symbols：每个符号的采样数，应该大等2；

Gain Mu：用来调整Mu的值；

Mu：位于[0。0 1。0]之间的一个值；

Omega Relative Limit：用于计算Omega的最大和最小值；

Freq Error：bit rate error；

Verbose：是否打印调制模块的相关Parameters信息；

Logging：是否将输出数据自动存储在文件中。

信道编码模块：

Coding block：

1、Trellis encoder

卷积码编码器。

Input type：byte、short、int。

Output type：byte、short、int。

Parameters：FSM Args：所使用的fsm文件的位置；

Initial State：卷积编码时的初始状态。

Notice：这个模块可以使用在TCM模式中。

2、Trellis Metrics

计算维特比算法所使用的metric。

Input type：complex、float、int、short。

Output type：float。

Parameters：Output Cardinality：fsm文件中的O值，应该是有限状态机的输出状态值；

Dimensionality：维数；

Constellation：映射图；

Metric type：metric的类型。。

3、Trellis Viterbi

维特比译码。

Input type：float。

Output type：int、short、byte。

Parameters：FSM Args：所使用的fsm文件的位置；

Block Size：数据模块的大小；

Initial State：自动设为-1；

Final State：自动设为-1。

SF：（7,4）信道编解码模块、

1、sf_encoder_ii

（7,4）线性分组码编码模块。

2、sf_decoder_ii

（7,4）线性分组码译码模块。

USRP block：

1、USRP Source

使用USRP来接受信号。

Output type：complex、short。

Parameters：Format：接收数据的格式；

Unit Number：连接的USRP号；

Decimation：ADC的抽样速率([4,256])；

Frequency：接收频率；

LO Offset：子板的本振频偏；

Gain：设置PGA；

Side：选择母板的使用端；

Rx Antenna：选择接收天线；

Halfband Filters：选择是否使用半波滤波器。

2、USRP Sink

使用USRP来发送信号。

Input type：c omplex、short。

Parameters：Unit Number：连接的USRP号；

Interpolation：DAC的内插速率([8,512],必须是4的倍数)；

Frequency：发送频率；

LO Offset：子板的本振频偏；

Gain：设置PGA；

Side：选择母板的使用端；

Transmit：是否启动发送。

Additional：

Throttle

限制系统采样率模块。该模块作用是使所搭建的flow graph中的所有模块的采样率均限定在一个值下，从而节省系统资源。如使用USRP相关模块时，该模块可不加。

第二章实验内容

这次无线通信实验主要基于GNURadio中的GRC图形化操作界面，利用GRC中的模块搭建我们需要的通信流程，达到我们学习了解通信系统的目的，同时熟悉GNURadio基本操作和使用方法。

2.1实验一、DQPSK和GMSK信号调制实验

实验设备：

PC两台、RFX2400 USRP1两台

实验目的：

了解GRC的信号处理模块、流程图及其使用方法

了解DPSK、DQPSK调制解调原理

了解GMSK调制解调原理

观察DPSK、DQPSK信号分别通过 AWGN 信道情况下的星座图失真情况

实验要求：

1. 了解grc的基本操作方法，要求仿真的流程中信号调制方式使用DPSK、DQPSK

2. 通过单机实验和GnuRadio+USRP的实验两种实验方式进行仿真

3. 比较同一调制方式，在不同SNR下的误码率，并且分析结果

4. 画出信号通过信道前后的时域波形图、频谱图、星座图、比较两者的不同并

且分析原因

5. 画出不同信噪比情况下的星座图，解释其对于误码率的影响 实验原理： 1、DQPSK ：

DQPSK 调制原理是利用载波的四种不同相位来表示输入的数字信息，也就是四进制相位键控，它规定了四种调制相位：/4,3/4,3/4,/4ππππ++--。所以需要将二进制数字序列中的数据划分为每两个比特为一组，也就是有00,01,10和11四种情况，经过差分编码后，分别对应上面的四个相位，其具体对应关系如表1所示。而调制之后的符号星座图的相位路径转换图如图2.1所示。解调端根据星座图和载波相位来判断发送端发送的信息数据。

lm

π/4

3π/4

Re

-π/4

-3π/4

图2.1 调制符号星座图和可能变换路径

图2.2 DQPSK 发送信号频谱图

2、GMSK ：

将基带信号经过高斯滤波器之后，再进行MSK （Minimum Shift Keying ）即最小频移键控调制，从而形成调制信号的过程教叫做GSMK （Gaussian Filtered Minimum Shift Keying ）即高斯滤波最小频移键控调制。它具有良好的频谱和功率特性。 高斯滤波

原始数据i α经过高斯滤波器之后的响应可由下式来表示：

()()*i g t h t α=

其中，调频指数1/2h =，意味着对应调制数据源k a ，一个码元内的最大相移为/2π。下式为GMSK 调制符号表达式。

00()())x t f t t π??=++

图2.3 GMSK发送信号频谱图

图2.4 发送端框图

图2.5接收端框图

2.2 实验二、卷积码

实验设备：

PC两台、RFX2400 USRP1两台

实验目的：

了解grc仿真中的信号处理模块、流程图以及使用方法

了解卷积码的基本原理

了解GunRadio实现信道编码的方法

了解不同SNR对于误码率的影响

了解卷积码对于误码率的影响

了解不同的卷积码对于误码率的影响

实验要求：

1.了解Grc的基本操作方法，要求仿真的流程中信道编码部分使用卷积编码

2.通过单机实验和GnuRadio+USRP的实验两种实验方式进行仿真

3.搭建有信道编码与无信道编码的Grc仿真模型

4.比较上述两种情况下的误码率，并且分析结果

5.比较不同的卷积码对于误码率的影响，并且分析结果(比较(2,1,3)码与(2,1,8)码的性能)

实验原理：