USRP N310，Gnuradio初探

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近期實驗需要搭建一個軟體無線電環境平臺，在琢磨一段時間後，以下是對之前的實驗總結一下。

實驗平臺

硬體：筆記本2臺，USRP N310兩臺，及輔助天線等
軟體：在Ubuntu系統下安裝Gnuradio3.7
實驗前提，USRP能與電腦建立收發通訊

USRP-OFDM傳送端框架

在這裡插入圖片描述
利用Socket PDU模組與外部程式建立TCP連線，通過外部程式向9090埠傳送資料從而寫入傳送端，經PDU to Tagged Stream將協議資料轉換為byte格式資料，再經過CRC32給資料加上迴圈冗餘校驗碼，再分兩路生成資料頭部和資料載荷部分，分別進行BPSK與QPSK對映，通過Tagged Stream Mux模組組裝在一起，然後經過OFDM調製部分，分別進行載頻子波分配、加入導頻系列、加入同步字與迴圈字首，再通過Multiply Const進行約束，防止波形發生非線性失真，Tag Gate模組抑制標記符號向下傳遞，最後通過UHD：USRP Sink 模組連線硬體裝置，對資料進行DAC轉換，數字變頻傳送到環境空間。

傳送端模組簡介

Socket PDU：與外部程式建立socket連線，對整個流圖進行資料輸入。

PDU to Tagged Stream：將協議資料轉化為固定長度byte型別資料，並給資料加上長度標記。

Stream CRC32：給資料尾部加上32位（4位元組）迴圈冗餘校驗-----通道編碼。

Protocol Formatter：利用資料頭生成物件建立一個6位元組的資料頭，包含資料幀長度，當前資料幀號等。

Repack Bits：對資料進行重新打包，8bits一組轉換為2bits一組或者1bit一組的資料，為後續進行BPSK、 QPSK對映，此過程不存在資料bit丟失。

Chunks to Symbols：根據Symbol Table將byte資料進行浮點數或者複數對映，byte型資料轉換為複數型數據。

Tagged Stream Mux：將頭部BPSK符號與載荷QPSK符號組裝在一起進行OFDM調製。

OFDM Carrier Allocator：OFDM子載波分配，分配資料子載波，導頻子載波，同步子載波，直流子載波。

FFT：對分配後的子載波進行傅立葉變換，完成OFDM調製。

OFDM Cyclic Prefixer：給OFDM加入迴圈字首，防止ofdm符號間干擾（ISI）。

Multiply Const：乘常數模組，乘以小於1的值，限制幅度，防止傳送非線性失真。

Tag Gate：阻止標記符號向後延續。

其他引數：

protocol parser: 協議分析器

FEC：前向糾錯編碼，送入傳輸通道之前

MSB：最高位有效

Becimation：抽取，轉變頻率

OFDM符號結構

ofdm輸出標籤：載波偏移，通道均衡係數，資料幀，接收時間
ofdm子載波：左6個子載波[-32,-27]，右5個子載波[26,31]為虛擬子載波

不使用載波為0，———減少帶外功率，抑制ACI（相鄰通道干擾）

一個OFDM符號：包含 虛擬子載波 ，直流子載波 ，射頻子載波 ，有效資料子載波

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片儲存下來直接上傳(img-CfNVPpsv-1601025338052)(D:\實驗作圖記錄\OFDM符號結構.jpg)]

以進行64FFT變換為例，總載波個數為64，除去虛擬子載波，直流子載波，射頻子載波，剩餘有效資料子載波48個，資料頭部Head採用BPSK調製，（6 * 8）/1一個符號用一位位元表示，資料載荷加上校驗碼Payload部分採用QBSK調製，（（96+4 ）* 8）/2，一個符號用兩個位元位表示。資料生成頭部載入荷總共需要OFDM符號個數：
$（ 6 * 8 ） / 1 ＋（ 96 ＋ 4 ） * 8 / 2 = 448$

$448 / 48 \approx 10 個 O F D M 符號$

加上2個OFDM符號同步字，傳送一次資料共需要 12 個OFDM符號週期。

傳送端外部TCP客戶端程式

import socket
import time

"""
    tcp 客戶端，輸入傳送內容,從檔案讀出資料，按照每次96位元組方式傳送

"""

def main1():
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    s.connect(('192.168.10.3', 9090))
    while True:
        tmp = input('請輸入您要傳送的內容：')
        if tmp != 'exit':
            s.send('{}\n'.format(tmp).encode('utf-8'))
            print('{}\n'.format(tmp).encode())
        else:
            break


def main():
    s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    s.connect(('192.168.10.3', 9090))

    with open('./SendData', 'r', encoding='utf-8') as R_file:
        while True:
            content = R_file.read(96)
            if content != '':
                s.send('{}'.format(content).encode('utf-8'))
                print(content, end='')
                time.sleep(0.01)

            else:
                print('資料傳送結束!!!')
                s.close()
                break


if __name__ == '__main__':
    main()
    # main1()

USRP-OFDM接收端框架

在這裡插入圖片描述
通過UHD：USRP Source模組接收空間中的電磁資料，通過去頻偏，同步去資料頭分離出載荷，OFDM解調，IFFT變換，解符號對映，CRC32校驗，再通過Socket PDU與外部TCP伺服器連線，解碼恢復出傳送的資料。

接收端模組簡介

UHD USRP Source：與硬體USRP N310 連線，接收空間中電磁資料，實現數字下變頻，ADC變換，轉換為基帶訊號輸入給Gunradio軟體款圖。

Schmidl & Cox OFDM Synch：實現符號定時同步，除去小數部分載波頻偏。

Delay：延時模組，延遲一個ofdm符號週期，fft_len + 迴圈字首（64+16）。

Frequency Mod：頻率調製模組，產生一個和載波頻偏對應的序列，與接收資料流相乘，達到去載波頻偏。

Multiply：兩資料相乘，去除小數載波頻偏，消除ACI干擾。

Head/Payload Demux：根據定時資訊與幀頭資訊，將資料頭與載荷部分分開，輸入訊號分別為去除載波頻偏的資料流，觸發資訊，解碼後的幀頭資訊。輸出為幀頭部資料，載荷資料。

FFT：進行逆傅立葉變換。

OFDM Channel Estimation：通道評估模組，得到整數倍頻偏和系統頻域響應。

OFDM Frame Equalizer：OFDM幀均衡模組，糾正整數倍頻偏，對接收訊號進行均衡。

OFDM Serializer：逆OFDM子載波分配，與傳送端OFDM Carrier Allocator 相逆的過程，找到攜帶資料的48 個子載波，並提取出其資訊。

Constellation Decoder：解符號對映，分別進行逆BPSK，QPSK對映，轉化為byte型別資料。

Repack Bits：與傳送端相逆的過程，位元組重新組合，不丟失位元資訊。

Stream CRC32：迴圈冗餘校驗，校驗資料是否出錯並輸出。

Tagged Stream to PDU：byte型別資料轉換為協議資料。

Socket PDU：與外部程式建立socket連線。

接收端外部TCP服務端程式

import socket

"""
    tcp 服務端，接收客戶端傳送的資料

"""

def main():
    host = '192.168.10.1'
    port = 9090
    server_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
    server_socket.bind((host, port))
    server_socket.listen(1)
    client_socket, client_add = server_socket.accept()
    while True:
        data = client_socket.recv(1024)
        data = data.decode('utf-8')
        print(data)
        # client_socket.close()


if __name__ == '__main__':
    main()

TCP客戶端伺服器注意事項

TCP伺服器端需要先繫結IP與埠，等待客戶端連線，客戶端則不需要
TCP客戶端需先與伺服器端建立連線才能通訊
TCP 三次握手

輸入資料編碼選擇

ASCII：128個字元，單位元組編碼，目前只使用低7位二進位制表示，保留最高位，A-65，a-97，0-48
UTF-8：可變長位元組編碼，1-4位元組：
- US-ASCII：1位元組
- 拉丁文，希臘字母，阿拉伯文：2位元組
- 中日韓，東南亞文字：3位元組
- 少數語言字元：4位元組
GBK：漢字編碼字符集

IP資料幀傳輸效率

IP資料幀：MTU，包含頭部資訊14個位元組，尾部校驗和FCS 4個位元組，乙太網資料幀的傳輸效率：
$α = (T - 14 - 4) / T$

參考資料

1.USRP—OFDM通訊實驗報告.
2.GNU Radio教程.
3.Linux系統下搭建USRP + GNU Radio開發環境.
4.OFDM調製理解.
5.PDU（協議資料單元）.
6.Python學習筆記——網路-TCP.