USRP N310，Gnuradio初探

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

​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：
$$（6\ast 8）/1＋（96＋4）\ast 8/2=448$$

$$448/48\approx 10個OFDM符號$$

​ 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

​ 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：
$$\alpha =(T-14-4)/T$$

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.