基于GNU Radio平台的OFDM通信体制基带信号的设计 毕业设计论文

1、 摘要随着社会节奏的加快和人们对高速率数据传输业务的需求，目前的2G移动通信网络逐渐变得越来越吃力。随着3G移动通信技术摘下神秘的面纱，我们似乎看到了一线曙光，但它也不是我们的最终归属。只有以软件无线电为根底的4G移动通信，才能真正的带我们走出了窄带数字移动通信的范畴，迎接一个更加光明的移动通信时代。论文主要介绍了软件无线电的关键技术之一OFDM调制技术的根本原理，其中包括OFDM的数字调制映射，IFFT实现，以及引入循环前缀以消除ISI和ICI。随后介绍了开源工程GNU Radio，并以此为平台进行OFDM通信体制基带信号的设计。本论文的重点在于对OFDM正交频分复用技术调制技术的理解，并依

2、托现有的GNU Radio和USRP通用软件无线电外设所组成的软件无线电平台，根据要求设计各种参数，并在Linux下实现OFDM基带信号的设计。通过OFDM调制信号频谱的测定，对OFDM调制技术予以验证。关键词软件无线电，正交频分复用，开源软件无线电，通用软件无线电外设AbstractWith the quickening pace of society and peoples need for high-speed data transmission, the current 2G mobile communication network has gradually become more

3、and more difficulty to satisfy us. With the 3G mobile communication technology taking off its veil of mystery, we seem to see a ray of hope, but it is not our ultimate home. Only a software radio-based 4G mobile communication, can really take us out of the narrow-band digital mobile communication ar

4、eas, which will bring us a brighter era of mobile communications.This paper firstly introduces OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), one of the key technologies of Software Defined Radio, which includes digital modulation mapping, realization of IFFT and mechanism that throws light on e

5、liminate the ISI and ICI by bringing in circulation prefix. Then open-source projects GNU Radio have been introduced, and, what we need to do is to design OFDM communication system baseband signal on GNU Radio platform.This paper focuses on the understanding of OFDM modulation technology, and with t

6、he help of software Radio platform compose of GNU Radio and USRP (Universal Software Radio Peripheral), according to the requirements given, we can determine the parameters and realize the design of OFDM baseband signal. By analyzing modulating signal spectrum of the OFDM, the OFDM modulation techno

7、logy shall be verified.Key wordsSDR OFDM GNU Radio USRP不要删除行尾的分节符，此行不会被打印目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc297030860 摘要 PAGEREF _Toc297030860 h IHYPERLINK l _Toc297030861 Abstract PAGEREF _Toc297030861 h IIHYPERLINK l _Toc297030862 第1章 绪论 PAGEREF _Toc297030862 h 1HYPERLINK l _Toc297030863 课题背景 PAG

8、EREF _Toc297030863 h 1HYPERLINK l _Toc297030864 课题来源、目的和意义 PAGEREF _Toc297030864 h 2HYPERLINK l _Toc297030865 主要研究内容 PAGEREF _Toc297030865 h 2HYPERLINK l _Toc297030866 本文结构 PAGEREF _Toc297030866 h 3HYPERLINK l _Toc297030867 第2章 OFDM调制技术原理 PAGEREF _Toc297030867 h 4HYPERLINK l _Toc297030868 引言 PAGEREF

9、 _Toc297030868 h 4HYPERLINK l _Toc297030869 2.2 OFDM技术根底 PAGEREF _Toc297030869 h 4HYPERLINK l _Toc297030870 2.2.1 OFDM调制技术的核心思想 PAGEREF _Toc297030870 h 5HYPERLINK l _Toc297030871 串/并变换 PAGEREF _Toc297030871 h 6HYPERLINK l _Toc297030872 子载波调制 PAGEREF _Toc297030872 h 6HYPERLINK l _Toc297030873 2.2.4 I

10、FFT/FFT实现 PAGEREF _Toc297030873 h 10HYPERLINK l _Toc297030874 保护间隔和循环前缀 PAGEREF _Toc297030874 h 11HYPERLINK l _Toc297030875 傅里叶变换的过采样 PAGEREF _Toc297030875 h 13HYPERLINK l _Toc297030876 加窗技术 PAGEREF _Toc297030876 h 13HYPERLINK l _Toc297030877 2.2.8 RF调制 PAGEREF _Toc297030877 h 15HYPERLINK l _Toc2970

11、30878 本章小结 PAGEREF _Toc297030878 h 15HYPERLINK l _Toc297030879 第3章 软件无线电平台介绍 PAGEREF _Toc297030879 h 16HYPERLINK l _Toc297030880 软件无线电平台 PAGEREF _Toc297030880 h 16HYPERLINK l _Toc297030881 3.2 GNU Radio PAGEREF _Toc297030881 h 17HYPERLINK l _Toc297030882 3.2.1 GNU Radio产生 PAGEREF _Toc297030882 h 17H

12、YPERLINK l _Toc297030883 3.2.2 GNU Radio的工作机制 PAGEREF _Toc297030883 h 17HYPERLINK l _Toc297030884 3.3 USRP硬件平台 PAGEREF _Toc297030884 h 19HYPERLINK l _Toc297030885 3.4 Python脚本语言简介 PAGEREF _Toc297030885 h 20HYPERLINK l _Toc297030886 本章小结 PAGEREF _Toc297030886 h 20HYPERLINK l _Toc297030887 第4章 OFDM基带信

13、号的设计 PAGEREF _Toc297030887 h 21HYPERLINK l _Toc297030888 4.1 OFDM根本参数选择 PAGEREF _Toc297030888 h 21HYPERLINK l _Toc297030889 4.2 OFDM假设干环节详解 PAGEREF _Toc297030889 h 22HYPERLINK l _Toc297030890 编码 PAGEREF _Toc297030890 h 22HYPERLINK l _Toc297030891 交织 PAGEREF _Toc297030891 h 23HYPERLINK l _Toc29703089

14、2 子载波调制与解调 PAGEREF _Toc297030892 h 24HYPERLINK l _Toc297030893 导频的插入 PAGEREF _Toc297030893 h 24HYPERLINK l _Toc297030894 循环前缀的引入 PAGEREF _Toc297030894 h 26HYPERLINK l _Toc297030895 4.3 Python应用程序的设计 PAGEREF _Toc297030895 h 26HYPERLINK l _Toc297030896 4.3.1 Python应用程序详解 PAGEREF _Toc297030896 h 27HYPE

15、RLINK l _Toc297030897 程序细节详解 PAGEREF _Toc297030897 h 28HYPERLINK l _Toc297030898 主要运行参数及意义 PAGEREF _Toc297030898 h 28HYPERLINK l _Toc297030899 运行结果和分析 PAGEREF _Toc297030899 h 29HYPERLINK l _Toc297030900 本章小结 PAGEREF _Toc297030900 h 30HYPERLINK l _Toc297030901 结 论 OFDM基带信号的设计，详细介绍了从参数设计，程序代码编写到频谱分析并验

16、证的步骤与所遇到的问题。双击上一行的“1“2试试，(本行不会被打印，请自行删除)OFDM调制技术原理本章对OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing正交频分复用技术进行了阐述，介绍了OFDM的原理及其系统机构，并简要分析了OFDM符号的产生及其同步技术问题，最后介绍了OFDM的优缺点。引言正交频分复用技术OFDM并非现在才开展起来的新技术，早在60、70年代，这种并行数据传输和频分复用的OFDM概念就已经被提出，它采用多路频率彼此正交的子载波并行地传输数据，具有频谱利用率高、抗多径失真、抗码间串扰和信道间干扰、特别适合于移动接收条件等特点。OF

17、DM技术根底正交频分复用技术OFDM是对传统的多载波技术的一种改良，与普通频分复用技术有很多相似之处。OFDM把高速的数据流通过串/并变换，将数据分配到速率相对较低的假设干个频率子信道中进行传输，不同的是，OFDM技术更好的利用了控制方法，使频谱利用率有所提高。在常规的播送系统中，每一个无线基站在不同的频率上发送信号，有效地运用FDM来保证每个站点的分割，播送系统中每一个站点没有任何的同步。如果使用OFDM传播技术，譬如DAB，从多个无线基站来的信息被组合成为一个单独的复用数据流，这些数据是由多个子载波密集打包组成的，然后将在OFDM体系中传输。在OFDM信号内的所有子载波都在时间和频率上同步

18、，使得子载波之间的干扰被严格的控制。这些复用的子载波在频率中交错重叠，但因为调制的正交性且采用循环前缀作为保护间隔，所以不会发生载波间干扰ICI。对传统的FDM系统而言，传输的信号需要在两个信道之间存在较大的频率间隔即保护带宽来防止干扰，这样就大大降低了频谱利用率。然而，应用OFDM的子载波正交复用技术大大减少了保护带宽，提高了频谱利用率，如果 REF _Ref296693896 h * MERGEFORMAT 图 21所示。在早期的OFDM系统中，各子载波采用正交滤波器将信道分成为多个子信道，但要用很多的滤波器，尤其是当路数增多的时候。1971年Weinstein及Ebert等将DFT应用在

19、多载波传输系统中，从而很方便地实现了多路信号的复合和分解。OFDM系统的一个重要优点就是可以利用快速傅立叶变换实现调制和解调，从而大大简化了系统实现的复杂度。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 1 FDM与OFDM带宽利用率的比拟多载波传输把数据流分解成假设干子比特流，这样单个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成了多个低速率符号并行发送的传输系统。正交频分复用是对多载波调制的一种改良，既有来自传统多载波传输系统的特点，又做到了对其频谱利用率较低的缺点的改良。它的特点是各子载波相互正交，所以扩频调制

20、后的频谱可以相互重叠，不但减少了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率，如图2-1。该系统能够很好的对抗频率选择性衰落-和窄带干扰。在单载波系统中，一次衰落或者干扰会导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一时刻只会有少局部的子信道受到深衰落的影响。OFDM调制技术的核心思想正交频分复用OFDM是一种多载波调制方法，即传送的信号不是对单一的载波进行调制，而是对频谱上彼此相毗邻且呈正交关系的一系列载波进行调制。其根本原理就是将高速数据流通过串并变换，变换为传输速率较低的并行数据，然后将这些并行数据分配到大量彼此正交的子载波上进行传输。这样每个子载波上的数据持续时间相对增加，因此可以减轻由于无

21、线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统的影响。这一过程参见图2-2：图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 2 OFDM系统收发框图串/并变换数据传输的典型形式是串行数据流，符号被连续传输，每一个数据符号的频谱可占据整个可利用的带宽。但在并行数据传输系统中，串行数据经过串并变换后成为并行数据，许多符号被同时传输，每个子信道上的数据符号周期长度变成了原来的倍，这样多径传输时延扩展与数据符号周期长度的比值变为原来的，当较大的时候，便可以有效减少那些在串行系统中出现的问题。变换过程可以参考图2-3。在OFDM系统中，将高速输入的穿行比特流进行串并变换，转换成假设

22、干并行的低速数据流，映射到OFDM符号的不同符号子载波上进行传输。由于调制模式可以自适应调节，即每个子载波的调制模式是可变化的，因而每个子载波可传输的比特数也是可变化的，所以串并变换需要分配给每个子载波数据段长度是不一样的。在接收端执行相反的过程，从各个子载波来的数据被转换回原始的串行数据。子载波调制一个OFDM符号之内包含多个经过相移键控PSK或者正交幅度调制QAM的子载波。其中N表示子载波的个数，表示OFDM符号的持续时间周期，是分配给每个子信道的数据符号， 图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 3 串并变换示意图是第个子载波的载波频率，矩形函数，那么从开

23、始的OFDM符号可以表示为： 2-1一旦要将传输的比特分配到各个子载波上，某一种调至模式那么将它们映射为子载波的幅度和相位，通常采用等效基带信号来描述OFDM的输出信号，见式2-2 2-2其中的实部和虚局部别对应于OFDM符号的同相和正交分量，在实际系统中可以分别于相应子载波的分量和分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。在图2-4中给出了OFDM系统根本模型的框图，其中。在接收端，将接收到的同相和正交矢量映射回数据信息，完成子载波解调。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 4 子载波调制与解调示意图图2-5所示为在一个OFDM符号内包含着4个子载

24、波的实例。其中所有的子载波都具有相同的幅度和相位是不可能的。从图2-5可以看出，每个子载波在一个OFDM符号周期内都包含整数倍个周期，且各个相邻的子图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 5 OFDM符号内包含4个子载波的情况载波之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即： (2-3)例如对式(2-2)中可以看到对第个子载波进行解调，然后在时间长度T内进行积分，即： 2-4由图2-4可以看到，对第个子载波进行解调可以恢复出期望符号。而对其它载波来说，由于在积分间隔内频率差异可以产生整数倍个周期，所以积分结果为零。这种正交性还可以从频率角度来解释

25、。根据式2-1，每个OFDM符号在其周期内包括多个非零子载波，因此其频谱可以看作是周期为的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为函数，这种函数的零点出现在频率为整数倍的位置上。这种现象可以参见 REF _Ref296706634 h * MERGEFORMAT 图 26，图中给出了相互覆盖的各个子信道内通过矩形波形成形得到的符号的函数频谱。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 6 OFDM系统中子信道的频谱在每个子载波频谱的最大值处，其他所有子信道的频谱值恰好为零。因为在对OFDM符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应

26、的每个子载波频率的最大值，所以可以从多个相互重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。从图2-5可以看出，OFDM符号频谱实际上可以满足奈奎斯特准那么，即多个子信道频谱之间不存在相互干扰。因为这种某个子信道频谱出现最大值而其他子信道频谱为零点的特点可以防止载波间干扰。可见，与传统的并行数据传输系统相比，OFDM系统个子载波之间相互正交，它们的频谱相互重叠，因此可以充分利用频谱资源，提高频谱利用率。频谱利用率的比拟如图2-1所示，可以清楚的看出正交频分复用系统大大提高了频谱利用率，特别是对子载波数较多的系统来说，这种调制技术的优点更为突出IFFT/FFT实现傅里叶变换将

27、时域与频域联系在一起，大多数信号处理使用DFT，其中信号在时域和频域上均被抽样。快速傅立叶变换FFT是DFT的一种快速数学方法，其具有高效性，使OFDM技术开展迅速。对于N比拟大的系统来说，式2-2中的OFDM复等效基带信号可以采用离散傅里叶逆变换IDFT的方法来实现。为了表达的简洁性，可以令 REF _Ref296696411 h * MERGEFORMAT 式 22中的，并且忽略矩形函数，对于信号以的速率进行抽样，即令，那么得到： 2-5可以看到，因为式2-5的形式与IDFT相同，等效为对进行IDFT运算。同理，在接收端，在恢复出原始的数据符号过程中，可以对进行逆变换即等效为DFT，得到：

28、 2-6根据以上分析可以看到，OFDM系统的调制和解调可以分别由IDFT和DFT来代替。通过点的IDFT运算，把频域数据符号变换为时域数据符号，经过射频载波调制之后，发射到无线信道中。其中每个DFT输出的数据符号都是由所有子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个进过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。在OFDM系统的实际应用中，可以采用更加方便快捷的IFFT/FFT。N点IDFT运算需要实施次的复数乘法，而IFFT可以显著地降低运算复杂度。对于常用的基2IFFT算法来说，其复数乘法次数仅为，但是随着子载波的个数的增加，这种方法的复杂度也会显著增加。对于子载波数量非常大的OFDM系统来说，可

29、以进一步采用基4IFFT算法来实施傅里叶变换。保护间隔和循环前缀采用OFDM的一个重要原因是它可以有效地对抗多经传输延时扩展。把输入数据流串并变换到个并行的子信道中，使得每一个调制子载波的数据周期可以扩大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的数值比也同样降低倍。这样一来就大大提高了抗多经传播时延衰减的能力。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 7 多径情况下空闲保护间隔在子载波间造成的干扰噪声同时，为了最大限度的消除符号间干扰，还可以在每个OFDM符号之间插入保护间隔GI，而且该保护间隔长度一般要大于无线信道中最大的时延扩展，这样的一个符号的多径分量

30、就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内可以不插入任何信号，即是一段空白的传输时段。然而，在这种情况下，由于多径传输的影响，会产生载波间干扰ICI，即子载波之间的正交性遭到破坏，不同的子载波之间会产生干扰。这种效应如同图2-7所示。每个OFDM符号中都包括所有的非零子载波信号，而且也可同时出现该OFDM符号的时延信号，图2-7给出了第一子载波和第二子载波的时延信号。同途中可以看出，由于在FFT运算时间长度内，第一子载波和第二子载波之间的周期个数之差不再是整数，所以当接收机试图对某一子载波进行解调时，会有来自另一子载波的干扰。在系统带宽和传输速率都给定的情况下，OFDM信号的符号速率将远远低

31、于单载波的传输模式。例如在单载波BPSK调制模式下，符号速率就相当于传输的比特速率，而在OFDM中，系统带宽由N个子载波占用，符号速率那么为单载波传输速率的。正式因为这种低符号速率使OFDM自然地抵抗多径传播导致的符号间干扰ISI。另外，通过在每个符号的起始位置增加保护间隔可以进一步抵抗ISI，还可以减少在接收端的定时偏移错误。这种保护间隔是一种循环体制，增加了符号的波形长度，在符号的数据局部，每一个子载波内有一个整数倍的循环，此种符号的复制产生了一个循环的信号，即将每个OFDM符号的后时间中的样点复制到OFDM符号的前面，形成前缀，在交接点没有任何的间断。因此，将一个符号的尾端复制并补充到起

32、始点增加符号时间的长度，图2-8显示了保护间隔的插入。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 8 参加保护间隔的OFDM符号符号的总长度为。其中为OFDM符号的总长度，为抽样的保护间隔长度，为FFT变换产生的无保护间隔的OFDM符号长度，那么在接收端抽样开始的应该满足下式： 2-7其中是信道的最大多径时延扩展，当抽样满足该式时，由于前一个符号的干扰只会存在于，当子载波个数比拟大时，OFDM的符号周期相对于信道的脉冲响应很大，那么ISI的影响很小，甚至会没有ISI；而如果相邻的OFDM符号之间的保护间隔满足的要求，那么可以完全克服ISI的影响。同时，由于OFDM延

33、时副本内所有包含的子载波的周期个数也为整数，时延信号就不会在解调过程中产生ICI。傅里叶变换的过采样在实际应用中，对于一个OFDM符号进行N次采样，或者N点IFFT运算所得到的N个输出样值往往不能真正的反响连续OFDM符号的变化特性，原因在于：由于没有使用过采样，如果采样率低于符号中最高频率的2倍时，当这些样点被送到模数转换器ADC时，就有可能生成伪信号，导致信号失真。这种伪信号的表现就是，当以对于信号中最高频率的两倍频率进行采样时，即当采样值被复原之后，信号中将不再含有原信号的中的高频成分，呈现出虚假的低频信号。因此，针对这种伪信号现象，一般都要对OFDM符号进行过采样，即在原有的采样点之间

34、再添加一些采样点，构成为整数个采样值。OFDM符号的过采样在频域实施，需要在频域原始输入数据中补零。补零的方式很多，但OFDM系统要求过采样后原始信号的频谱保持不变过采样后原始信号的带宽会扩展，而实际要求原始信号的带宽不变，所以过采样要在频域输入数据前面或后面补零，这样相当于扩展的频谱为零，从而保证了时域连续信号频谱宽度不变。加窗技术根据式(2-1)，假设，可以得到功率归一化的OFDM信号的复包络： 2-8其中是功率归一化因子，OFDM符号的功率谱密度为个子载波上的信号的功率谱密度之和为： 2-9根据OFDM符号的功率谱密度，其带外功率谱密度衰减比拟慢，即带外辐射功率比拟大。随着子载波数量的增

35、加，由于每个子载波功率谱密度的主瓣和旁瓣变窄也就是说，它们下降的陡度增加，所以OFDM符号功率谱密度的下降会逐渐增加。但即使是在256个子载波的情况下，其带宽仍然会是带宽的4倍。因此为了让带宽之外的功率谱密度下降更快，那么需要对OFDM符号采用“加窗技术。对OFDM符号“加窗意味着：令符号周期边缘的幅度值逐渐过渡到零。通常用的窗的函数为升余弦函数，其定义如下： (2-10)其中，表示加窗前的符号长度，而加窗后符号长度应该为，从而允许在临时符号之前存在有相互覆盖的区域。经过加窗处理的OFDM符号如图2-9所示。图 STYLEREF 1 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 9 经过加窗处

36、理的OFDM符号示意图实际上，一个OFDM符号的形成可以遵循以下过程：首先，在个经过数字调制的符号后面补零，构成个输入样值符号，然后进行IFFT运算。然后，IFFT输出的最后个样值被插入到OFDM符号的最前端，而且IFFT输出的最前面个样值被插入到OFDM符号的最后面。最后OFDM符号与升余弦函数时域相乘，使得系统带宽之外的功率可以快速下降。滚降系数为0.025的升余弦函数可以大大降低带外辐射功率，而时域内由于滚降系数由于滚降系数所造成的信号叠加只占符号周期的2.5%。值越大，带外辐射功率下降得也就越快，但同时也会降低OFDM符号对时延扩展的容忍程度。由式(2-3)可以得知，只有各个子载波的幅

37、度以及相位在FFT周期内保持恒定，才会保证子载波之间的正交性，防止ICI和ISI的出现。但在滚降系数存在的情况下，即使时延信号的时延长度没有超过保护间隔，由于各个子载波的幅度以及相位在FFT周期T内发生了变化，子载波间的正交性被破坏，所以滚降系数的存在可能带来ICI和ISI，是的保护间隔的有效长度由原来的变成了现在。RF调制OFDM调制器的输出产生了一个基带信号，将此基带信号与所需传输的频率进行混频操作，应用模拟技术或者图2-10所示的数字上变频器，两种技术虽然完成同样的操作，但是由于数字调制技术提高了处理I、Q信道之间匹配性和数字IQ调制器相位的准确性，将会更加精确。图 STYLEREF 1

38、 s 2 SEQ 图 * ARABIC s 1 10 OFDM系统的数字混频器以上是对OFDM调制技术根本原理以及主要信号处理模块的介绍。局部处理模块并未进行详细介绍，例如在采用数字调制映射之前的编码，是为了将信源转换为适合传输的信号形式的处理工程，而交织那么添加了各比特之间的联系，由此增强错误比特纠错能力。本章小结 本章用适当的篇幅对OFDM调制技术的原理进行了简短介绍了，在说明起根本原理的前提下还说明了OFDM调制技术应用的各种考前须知。软件无线电平台介绍本章主要从软件无线电平台的两大组成局部着手进行介绍，重点介绍了GNU Radio开源软件无线的工作机制，以及与USRP硬件平台的配套使用

39、。 软件无线电平台软件无线电简称SWR，是一种新型的无线电体系结构，它通过硬件和软件的结合使无线电网络和用户终端具有可重配置能力。软件无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效而且相当经济的解决方案，可以通过软件升级实现功能提高。软件无线电可以使整个系统包括用户终端和网络采用动态的软件编程对设备特性进行重配置，换句话说，相同的硬件可以通过软件定义来完成不同的功能。因此，HYPERLINK :/baike.baidu /view/37.htm t _blank 软件无线电的核心思想是以一个通用、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

40、的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件局部电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理ADC和DAC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，并以无线电平台具有最大的灵活性为特征。所包含的全部可编程包括可编程HYPERLINK :/baike.baidu /view/42237.htm t _blank 射频RF波段、HYPERLINK :/baike.baidu /view/26456.htm t _blank 信道接入

41、方式和信道调制。软件无线电就是宽带模数及HYPERLINK :/baike.baidu /view/3692636.htm t _blank 数模变换器A/D及D/A、大量专用/通用处理器、HYPERLINK :/baike.baidu /view/529231.htm t _blank 数字信号处理器Digital Signal Processer，DSP构成尽可能靠近射频天线的一个硬件平台。在硬件平台上尽量利用软件技术来实现无线电的各种功能模块并将功能模块按需要组合成无线电系统。例如：利用宽带模数HYPERLINK :/baike.baidu /view/730154.htm t _bla

42、nk 变换器，通过可编程数字滤波器对信道进行别离；利用HYPERLINK :/baike.baidu /view/162096.htm t _blank 数字信号处理技术在数字信号处理器DSP上通过软件编程实现HYPERLINK :/baike.baidu /view/1398416.htm t _blank 频段如短波、超短波等的选择，完成信息的抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换，实现不同的信道调制方式及选择，实现不同保密结构、网络协议和控制终端功能等。GNU Radio GNU Radio是开源软件无线电英语名称，是学习，构建软件无线电的软件工具包，不但免费而且功能又十分强大。GNU

43、Radio是近十年才由GNU方案推出的，已经越来越多的人开始使用这GNU Radio平台来构建自己的无线电处理模块。很多使用GNURadio的开发者和用户探索了GNURadio软件和硬件的实际应用，给我们留下了大量现成的优秀的源代码。GNU Radio产生GNU Radio，是自由软件方案中的一局部。2001年，该工程起源于美国的麻省理工学院的 SpectrumWare 工程组所开发的 Pspectra 代码的分支。2004年其源代码被完全重写，所以如今的 GNU Radio 软件并不再包含原 Pspectra 中的任何代码，因此防止了版权问题，并且GNU Radio已经成为GNU正式工程之一

44、。GNU Radio的工作机制GNU Radio平台拥有独特的双重结构以及流图机制，这给我们的编写信号处理模块以应用程序带来了很多便利。GNU Radio的双重结构GNU Radio 软件平台由双重结构组成。所有performance-critical 信号处理模块用C+语言编写，而高级的组织，连接和粘合操作都由Python 完成。GNU Radio 软件向用户提供了很多优秀的使用频率较高的模块。Python要做的就是选择适宜的信源，信宿和处理模块，设置正确的参数，然后将它们连接起来形成一个完整的应用程序。实际上，所有的信源，信宿和模块都是由C+编写的类。然而，在Python 层面是无法看到C

45、+程序的工作过程的。一段较长的，复杂的而功能强大的C+代码，在Python 中只能表达为一行语句C+向Python提供功能模块，而Python那么无需关注C+信号处理模块中的执行细节，但需要关注必要的接口和函数的调用。GNU Radio 提供一个信号处理模块的库，里面包含超过100 个信号处理模块，并且扩展新的处理模块也是非常容易的。在Python代码中应用Python流向图机制可以把单个的处理模块连接在一起形成一个系统。简言之，编程者通过建立一个流向图就能构建一个无线电系统。无论应用程序多复杂，Python 代码几乎总是比拟短而且很简洁，繁重的任务那么交给C+。信号处理模块是使用C+来实现的

46、，理论上说，信号数据流不停的从输入端口流入从输出端口流出。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complex类型。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(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。流图和模块 GNU Radio 的编程基于Python 脚本语言和C+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，

47、如：滤波器、FFT 变换、调制解调器、信道编译码模块等，GNU Radio 中称这种模块为block。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 成为完整的信号处理流程的脚本，GNU Radio 中称其为graph。 GNU Radio 的软件结构顶层是面向用户的block 及其“粘合剂graph。用户除了能够开发自己的block 之外，还可使用GNU Radio 所包含的丰富的block，包括各种滤波器、FFT 变换、调制解调模块、时频同步模块等等，其中一些利用了CPU 的增强指令集(如：MMX、SSE、3D Now!)

48、进行了优化，以提高性能。在用户用block 和graph 构造的应用程序下面是GNU Radio 的运行支持环境，主要包括缓存管理、线程调度以及硬件驱动。GNU Radio 中巧妙地设计了一套零拷贝循环缓存机制，保证数据在block 之间高效的流动。多线程调度主要用于对信号处理流程进行控制以及各种图形显示，GNU Radio 对此也提供了支持。GNU Radio 的硬件驱动包括USRP、AD 卡、声卡等等，用户也可根据需求进行扩充。从Python 的角度看，它要做的就是选择适宜的信源，信宿和处理模块，设置正确的参数，然后将它们连接起来形成一个完整的应用程序。我们把完成应用程序所需的假设干个信号

49、处理模块用流向图的connect 方法连接到一起。connect 方法有两个参数，源端点和目的端点，用来建立一个从源到目的处理模块的链路。每个端点(endpoint)有两个成员：一个信号处理模块和一个端口号。端口号表示哪个输入或者输出端口应该被连接的。通常端点使用 python 语言的tuple 来表示，像：block,port_number。当端口号是0 时，port_number 可以被省略。一旦流向图被建立了，我们调用start 生成一个或者多个线程去运行它，按下任意键，这个程序就会退出。USRP硬件平台USRP，通用软件无线电外设，英文全称为Universal Software Rad

50、io Peripheral，是由GNU Radio工程发起的。其设计宗旨为使普通计算机拥有高带宽的软件无线电设备的功能。从其本质上讲，它充当一个无线电通信系统的数字基带和中频局部。图 STYLEREF 1 s 3 SEQ 图 * ARABIC s 1 1 USRP母板软件无线电处理流程图如下：图 STYLEREF 1 s 3 SEQ 图 * ARABIC s 1 2 软件无线电处理流程软件无线电是由以下三步分组成的，如图：图 STYLEREF 1 s 3 SEQ 图 * ARABIC s 1 3 软件无线电的三大组成局部GNU Radio与USRP共同组成软件无线电平台，其根本设计理念是，在主

51、机CPU上进行所有波形相关的处理，例如调制和解调。那么其余局部诸如数字上下变频、抽样和内插等高速通用操作都在USRP的 FPGA 上完成。Python脚本语言简介Python是一种面向对象、直译式计算机程序设计语言，也是一种功能强大而完善的通用型语言，已经具有十多年的开展历史，成熟且稳定。这种语言具有非常简捷而清晰的语法特点，适合完成各种高层任务，几乎可以在所有的操作系统中运行。Python具有脚本语言中最丰富和强大的类库，足以支持绝大多数日常应用。python常被昵称为胶水语言，它能很轻松的把用其他语言制作的各种模块尤其是C/C+轻松联结在一起。本章小结本章主要介绍了软件无线电的组成，重点在

52、GNU Radio的双重结构和流图机制，并顺便介绍了Python脚本语言。OFDM基带信号的设计本章主要对OFDM通信体制基带信号的设计过程进行详细描述，重点在OFDM系统参数的设计和程序实现过程OFDM根本参数选择OFDM系统各项参数确实定需要在多项要求冲突中进行折中考虑。一般情况下，首先要确定3个参数：带宽、比特率及保护间隔。按照工程惯例，保护间隔的时间长度应该为应用移动环境信道的时延扩展均方根值的24倍。确定保护间隔之后，OFDM符号周期长度也就随之确定了。在工程应用中，一般选择符号周期长度是保护间隔长度的倍，并且由于插入保护比特所造成的信噪比的损耗只有约1dB。在确定了符号周期和保护间

53、隔之后，子载波的数量可以直接利用-3dB带宽除以子载波间隔即去掉符号保护间隔之后的符号周期的倒数得到。或者可以利用所要求的比特速率除以每个子信道的比特速率来确定子载波的数量。每个信道中所传输的比特率可以由调制类型、编码速率和符号速率来确定。OFDM系统的调制模式可以基于功率或频谱利用率来选择。调制的类型可以用复数形式来表示：，其中和在16QAM中为1，,3，在QPSK中为1。总之，应用到每一个子载波的调制模式的选择只能是数据速率需求和传输稳定性之间的折中。另外，OFDM的另外一个优点是不同的调制模式可以由分层效劳应用到不同的子载波。下面通过一个实例来说明如何确定OFDM系统的参数，要求设计系统

54、满足如下条件： = 1 * GB2 比特率为 25Mbit/s； = 2 * GB2 可容忍的时延扩展为 200ns； = 3 * GB2 带宽小于 18MHz。的时延扩展就意味着保护间隔的有效值应该为800ns。选择OFDM总符号周期长度为保护间隔的6倍，即，其中由保护间隔所造成的信噪比损耗小于1dB。子载波间隔取的倒数，即。为了判断所需要的子载波个数，需要观察所需要的比特速率与OFDM符号速率的比值，即每个OFDM符号需要传送。为了完成这一点，可以做如下两种选择：一是利用16QAM和码率为1/2的编码方法，这样每个子载波可以携带的有用信息，因此需要60个子载波来满足每个符号的传输速率。另一

55、种选择是利用QPSK和码率为3/4的编码方法，这样每个子载波可以携带的有用信息，因此需要80个子载波来传输。然而，80个子载波来传输。然而，80个子载波就意味着带宽为，大于所给定的带宽要求。因此，为了满足带宽的要求，子载波数量不能大于72，因此第一种采用16QAM和60个子载波的方法可以满足上述要求。而且还可以利用64点的FFT/IFFT来实现，剩余4个子载波补零，用于FFT/IFFT的过抽样。另一个影响参数选择的问题就是要求在FFT/IFFT运算时间内和符号间隔内的抽样数量必须是整数。OFDM假设干环节详解OFDM调制基带信号的产生过程如图4-1所示：图 STYLEREF 1 s 4 SEQ

56、 图 * ARABIC s 1 1 OFDM发射系统流程图编码编码是指的用预先规定的方法将文字、数字或其他对象编成数码，将信息、数据转换成规定的电脉冲信号。本质上来讲，编码是信息从一种形式转换为另一种形式的过程，其目的是为了在现代通信技术中传输的便利。其对应的逆过程为解码。编码种类大体有字符编码，文字编码，语义编码，电子编码，神经编码，记忆编码以及加密等。交织在OFDM基带信号的产生过程中，交织主要是为了防止在传输过程中，发生用户信息比特丧失的情况，不至于丧失某一个用户所有的信息，而只是会丧失假设干用户的局部信息，根据剩下的信息比特仍然可以恢复原始数据信息，也就是将丧失的比特分散，从而到达降低

57、比特率的目的。OFDM系统中采用的矩阵交织器，根据OFDM符号的大小，对卷积编码后的信息进行交织处理，分成两个步骤进行交换：第一步是将相邻信息比特分别映射到不相邻的子载波上；第二步是保证相邻编码后的信息比特尅选择的映射到或多或少的一组比特中，从而使回复的可能性降低。如果用来代表第一步交织之前的比特，代表第一部交织之后、第二步交织之前的信息比特，而用达标第二步交织之后、调制之前的信息比特。步骤一可用下式表示： (4-1)表示向下取整。步骤二可以用下式表示： (4-2)其中由下式决定： (4-3)解交织那么是进行相反的过程，假设用表示解调之后、第一步解交织之前接收到的信息比特，表示第一步解交织之后

58、、第二步解交织之前接收到的信息比特，表示第二步解交织之后的细心比特，那么有：步骤一可由以下式子表示： (4-3)其中与前面定义一致，这与发端的步骤一刚好相反。步骤二由以下式子表示： (4-4)这一步骤与发端的步骤二是相反的。注意，在交织之前，需要对接收到的符号个数进行处理，交织需要的符号个数至少满足48的整数倍，如果不满足，那么需要通过插入适当的比特来到达这个要求。子载波调制与解调调制OFDM采用的数字调制方式，分别有BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、32QAM等。调制方式的选择跟据signal中的速率来决定：和采用BPSK，和采用QPSK，和采用，和采用。调制方法如下：首先，把输入的

59、二进制序列分成长度为的组，分别对应、和等。接下来这些二进制序列组分别映射为星座图中对应的点的复数表示，其实这是一个查表的方法。为了所有的映射点有相同的平均功率，输出要进行归一化，所以对应例如、和分别乘以各自的归一化系数1，输出的复数序列即为映射后的调制结束。解调由于在通系统中存在噪声等干扰的影响，故信息在传输过程中会产生失真，解调接收就是要求最大可能地减少误差。在这里解调的方法是，首先求出接收端信号值复数形式表示以星座图中各点的距离，接下来求出所有距离中的最小值，那么将星座图该点所对应的二进制值作为解调的结果输出。与调制相对应，要除以归一化系数。导频的插入在OFDM系统中，导频插入到4个子载波

60、上，在载波位置-21、-7、7和21载波是经过调制的伪随机序列，这样做是为了能够防止频谱偏移以及加强自相关检测的性能。导频插入值钱，现将复数符号的序列以48为单位分成假设干组，由于交织前插入比特的处理使得此时接收到的复数数目为48的整数倍，这样分组后，每组48个符号的顺序徐璈变动，这我们以，其中代表符号所属的载波编号，那么有： (4-5)这样一个OFDM符号可表示成以下式子： (4-6)其中，是映射到子载波的因子。数学表达式如下： 4-7第个OFDM符号的导频子载波由序列经过傅里叶变换产生，其中为： (4-8)而子载波的极性那么是由来决定： (4-9)序列可以由扰码器产生，序列中的每个值对应着