《USRP-OFDM通信系统实验报告(总42页)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《USRP-OFDM通信系统实验报告(总42页)（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实验一 利用GNU-Radio和USRP搭建OFDM通信系统图1，基于GNU-Radio和USRP的OFDM通信系统示意图1 实验设备l 设备清单设备型号数量1Ettus USRP N21022SBX-40子板23VERT245024计算机2l 开发环境操作系统：Ubuntu 14.04 64bit软件平台：GNU-Radio v3.7.8 UHD release_003_009_0012 实验目的l 理解OFDM信号的调制和解调原理；l 熟悉使用GNU-Radio软件并对信号进行处理；l 学会使用软件GNU-Radio和硬件USRP来完成点对点设备的通信。3 实验内容本实验是在Linux桌面
2、应用系统Ubuntu上进行的，使用到的包括一款免费的无线电和信号处理开发软件GNU-Radio，和通用软件无线电外设硬件USRP N210。实验的任务是在GUN-Radio和USRP组成的软硬件平台，搭建了基于OFDM调制的无线通信环境，以便更好的了解OFDM通信原理和信号在无线信道中传播的特点。实验主要包括三部分：发送端、信道和接收端。其中发送端主要包括信源、符号映射、子载波分配、IFFT并加CP、USRP TX；无线信道所处的是室内环境，也被称为准静态信道环境（这也为接收端的均衡提供了思想）；接收端主要包括USRP RX、同步、去CP FFT、信道估计和均衡、解符号映射、信宿。4 实验步骤
3、4.1 发送端在OFDM通信系统中，发送端需要完成以下几个功能：信源编码、数据打包、符号映射、子载波分配、IFFT变换、加CP、USRP发送射频信号等。除USRP模块外其它几个模块中的信号处理都是在GNR-Radio中完成的，也即在主机中完成。USRP模块拥有单独的DSP和FPGA模块，因此可以独立对输入数据进行处理。在USRP模块里面需要完成很多的功能，比如抽取、数字上变频、A/D转换、混频等功能都是在其中完成的。发送端的主要目的是完成信号的调制、上变频、功放，最后通过专用天线将其发送到无线信道中去。考虑到若上变频后的信号幅度过大，在经过功放后可能导致信号失真，因此需要在USRP模块前增加一
4、个限幅器模块。图2， OFDM通信系统的发送端实验流程图4.1.1 数据帧结构实验开始时一帧数据的长度规定为96个字节，其中每个字节包含8个比特。信源不断地产生0和1的比特序列，经过数据打包模块（B模块）后变成上述固定长度的帧数据。数据流经过CRC校验后，会在一帧数据的末尾增加4个字节，这时一帧数据便变成了100字节。这些有用的信息称为payload，其采用的是QPSK调制方式，注意经过QPSK映射后一帧数据的长度变成了100*8/2=400个QPSK符号。接着，针对每一帧数据需要生成一个帧头，用来记录当前帧的一些信息，比如帧长、这是第几帧等信息。实验中帧头信息长度为6个字节共48个比特，帧头
5、中的信息称为Header，采用BPSK方式调制，故其长度不变。Payload 和 Header需要复合在一起才能进行传输，一般将Header置于Payload之前形成新的帧结构，这时一帧数据的长度又发生了变化，变成了400+48=448个符号。在实验中一个OFDM符号的长度设定为64（即总载波个数为64），除去虚拟载波、直流子载波和射频子载波还有48个有效数据子载波。因此，一个OFDM符号可以负载48个Payload的符号，也就是这是一帧数据需要10（448/48=9.333）个OFDM符号。另外，根据文献【1】为了接收端能正常解调信号，需要在一帧数据前加上两个OFDM符号的同步字。所以，一帧
6、数据中包含12个OFDM符号。图3 数据帧结构示意图4.1.2发送端各模块功能的介绍A. Vector Source: 实现的功能是循环产生同一组向量，并将该向量转化成无符号整形变量（即uchar型变量），所以其输出是一连串的0和1的数据流。输入变量：1， Vector，range(packet_len)。其中packet_len是个变量指一帧数据的长度，单位字节，试验中该变量的值设为96。所以，根据python语法规则range(Packet_len)就是产生一组0到95的向量。2， Vec length, 1。产生一个向量。可选变量：是否循环：Yes。输出：一串0和1的数据流，数据类型by
7、te。图3，向量信源模块B. Stream to Tagged Stream: 该模块实现的功能是将输入数据流进行打包，形成一定长度的帧数据流，并给数据贴上标签。因此，试验中设定一帧数据长度为96个字节，则该模块按该长度输出打包好的帧数据流，共96个字节96*8个比特。输入变量：1， Vector length ：1，输入向量的个数，默认为1个；2， 2，packet length：packet_len, 定义一帧数据的长度，在流程图的变量模块中packet_len设定为96；3， 3, Length Tag Key: length_tag_key, 给输出数据打上标签，其标签名为length
8、_tag_key，值为96.输出：带标签的帧数据流，数据类型byte.图4，数据打包模块C. Stream CRC32: 该模块实现的功能是对输入的每帧数据进行校验，并将形成的4个字节的校验字附在每帧数据的末尾。注意：经过该模块后输出的一帧数据长度较输入之前增加了4个字节，所以一帧数据长度变成100个字节共100*8个比特。输入变量：1， Length tag name ：length_tag_key，输入的标签名，该模块需要知道一帧数据的长度是多少；可选变量：Mode: Generate CRC。这里是发送端，所以选产生CRC校验码，而不是校验接收到的数据。Packed: Yes。 告诉模块
9、输入的数据是否是打包好的数据。输出：带标签的帧数据流，数据类型byte.图5，CRC校验模块D. Packer Header Generator: 该模块用来记录一帧数据中的信息，即形成帧头，共6个字节6*8个比特，其中字节1代表一帧数据的长度，字节2和3一起表示当前帧的帧号，字节2每16个加一帧，到255字节3便加1；其它三个字节还不知道具体表示什么。输入变量：1， Formatter Object ：header_formatter.formatter(). 指定形成的帧头格式；2， Length Tag Name: packet_len. 标签名。该模块在对数据进行处理时需要知道一帧数据
10、的长度。输出：帧头数据流，数据类型byte，暂存到Header Bits 模块中.图6，帧头生成模块E. Repack Bits: 该模块实现的功能是将8比特一组的数据变成2比特一组，由最低位到最高位依次转换。因此，在解码的时候需要特别注意每个比特在一个字节中的位置。输入变量：1， Bits per input byte ：8, 输入端口每个字节中包含的比特数，指定为8；2， Bits per output byte: payload_mod.bits_per_symbol()， 输出端口每个字节中所包含的比特数，payload_mod.bits_per_symbol 中的payload_mo
11、d 在流图的变量模块中设定为QPSK，因此每个符号应包含2个比特数。3， Length Tag Key: length_tag_key. 标签名。该模块在对数据进行处理时需要知道帧长。可选变量：Packet Alignment: input. 选择需要进行该操作的端口，这里只有一个input端口可选。Endianness: LSB. 从一个字节的最低位开始操作。输出：带标签的帧数据流，数据类型byte，但每个byte包含2个字节.图7，字节重生成模块F. Chunks to Symbols: 符号映射模块，完成数据块到符号流的转换。这里可选的符号参数为-1+0j 和 1+0j，因此该模块的功能
12、是实现BPSK映射。输入变量：1， Symbol Table ：header_mod.points(), 该值在变量模块中已定义，其映射规则是输入0时输出-1+0j，输入1时输出1+0j；2， Dimension : 1， 整个流图始终处理的都是一维数据，所以这里同样是1维。3， Num Ports: 1. 端口数，同样这里选1。可选变量：Input Type: Byte: 输入数据类型与前一模块的数据类型相同。Output Type: Complex. 输出数据类型为复数。输出：带标签的帧数据流，数据类型complex。图8，BPSK映射模块G. Chunks to Symbols: 符号映
13、射模块，完成数据块到符号流的转换。这里可选符号参数包括-0.707+0.707j, -0.707-0.707j, 0.707-0.707j 和 0.707+0.707j，因此该模块实现的功能是QPSK映射。输入变量：1， Symbol Table ：payloas_mod.points(), 该值在变量模块中已定义，其映射规则是输入10时输出-0.707+0.707j，输入00时输出-0.707-0.707j, 输入01时输出0.707-0.707j，输入11时输出0.707+0.707j。2， Dimension : 1， 整个流图始终处理的都是一维数据，所以这里同样是1维。3， Num P
14、orts: 1. 端口数，同样这里选1。可选变量：Input Type: Byte: 输入数据类型与前一模块的数据类型相同。Output Type: Complex. 输出数据类型为复数。输出：带标签的帧数据流，数据类型complex。图9，QPSK映射模块H. Tagged Stream Mux: 该模块的功能是增大或减小数据流标签中值的大小，从而达到增加或缩减一帧数据长度的目的。这里需要将两路信号合并，因此需要增加数据帧的长度。之前我们分析过数据帧长为100个字节共100*8个比特，经QPSK映射后为100*4个符号；同样针头有6个字节共48个比特，经BPSK映射后变成48个符号。因此，将
15、这两路信号进行合并后得到的一帧数据长度为100*4+48=448个符号。输入变量：1，Number of Input ： 2, 输入端口数，有两路信号输入，因此这里应填。2, Length tag names : length_tag_key， 输入数据帧的长度， 96。3，Vector Length : 1. 和信源保持一致；可选变量：IO Type: complex, 端口输入数据类型。输出：带标签的帧数据流，数据类型complex。图10，信号合成模块I. OFDM Carrier Allocator: OFDM子载波分配模块，也即串并转换模块。该模块的作用是给每个子载波分配相应的值，数据相应地实现串并转换。这里设总载波个数为64，载波类型包括以下几种：数据子载波(Occupied carriers )、导频子载波(Pilot carriers)、虚拟子载波(Virtual carriers, VC)和直流子载波(DC carrier)。其中占用载波可以用来携带数据和同步字，导频载波用于发射特定符号数据，空载波的值默认为0.在试验中发送端OFDM子载波的编号规则是：为了保持左右对称，将64个子载波编号为-32,31。其中，最
