GNU Radio：开放的软件无线电平台

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２００７年第４期　频上提供最高可达１６Ｍｈｚ带宽的信号收／发能力。　除了具有第三类软件无线电系统的优点外，　ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ和ＵＳＲＰ还具有如下优势：　ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ软件相同，ＵＳＲＰ也是完全开放的，其所　有的电路图、设计文档和ＦＰＧＡ代码均可从Ｅｔｔｕｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ的网站（ｗｗｗ．ｅｔｔｕｓ．ｃｏｍ）下载。基于　ａ）成本较低。软件免费，ＵＳＲＰ的价格大约与一　台普通ＰＣ相当，带宽可满足目前多数音视频广播　和无线通信制式的要求，支持双工和多天线应用。　ｂ）技术门槛较低，具有一定编程经验和Ｌｉｎｕｘ　使用经验的用户可在较短时间内掌握其配置、使用　和开发。　Ｇ１、ｒ【瓜ａｄｉｏ和ＵＳＲＰ的组合，用户可以构建各种具　有想象力的软件无线电应用。　套ＵＳＲＰ由一快主板（Ｍｏｔｈｅｒｂｏａｒｄ）和最多　四块子板（Ｄａｕｇｈｔｅｒ　Ｂｏａｒｄ）搭配构成。主板的主要　功能为中频采样以及中频信号到基带信号之间的互　相转换。子卡的功能在于射频信号的接收／发送以　ｃ）获得来自全世界众多ＧＮＵＲａｄｉｏ拥护者以　及到中频的转换。子卡有多种类型，分别覆盖不同的　及Ｅｒｉｃ　Ｂｌｏｓｓｏｍ和Ｍａｔｔ　Ｅｔｔｕｓ本人的技术支持。　射频频谱范围，且具有不同的收／发能力和增益。　４．１　ＵＳｌ　主板　主板主要由以下几个部分构成：　ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ的编程基于Ｐｙｔｈｏｎ脚本语言和　１）ＡＤ／ＤＡ芯片　ＣＨ的混合方式。Ｃ＋＋由于具有较高的执行效率，　ＵＳＲＰ采用两块Ａｎａｌｏｇ　Ｄｅｖｉｃｅ的ＡＤ９８６２芯　被用于编写各种信号处理模块，如：滤波器、ＦＦＴ变　片，每块可分别提供两路１２ｂｉｔ、６４ＭＳａｍｐｌｅ／ｓ的ＡＤ　换、调制／解调器、信道编译码模块等，ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ　变换和两路１４ｂｉｔ、１２８ＭＳａｍｐｌｅ／ｓ的ＤＡ变换。那么　中称这种模块为ｂｌｃｏｋ。Ｐｙｔｈｏｎ是一种新型的脚本　块主板可提供４路模拟转换器（ＡＤＣ）和４路的　语言，具有无须编译、语法简单以及完全面向对象的　数字模拟信号转换器（ＤＡＣ），也即收／发各两路的　特点，因此被用来编写连接各个ｂｌｏｃｋ成为完整的　复采样。此外ＤＡＣ单元还集成了数字上变频　信号处理流程的脚本，ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ中称其为ｇｒａｐｈ。　（ＤＵＣ）功能。　ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ的软件结构顶层是面向用户的的　２）ＦＰＧＡ　ｂｌｏｃｋ及其“粘合剂”——　ａｐｈ。用户除了能够开发　ＦＰＧＡ有两个主要功能：将ＤＡＣ采来的中频信　自己的ｂｌｃｏｋ之外，还可使用ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ所包含的　号进行数字下变频（ＤＤＣ），变换到基带，并通过层叠　丰富的ｂｌｏｃｋ，包括各种滤波器、ＦＦＴ变换、调制／解　梳状滤波器（ｏｆ）对样值进行可变速率的抽取以符　调模块、时频同步模块等等，其中一些利用了ＣＰＵ　合用户对信号带宽的要求。ＦＰＧＡ中同时也实现了　的增强指令集（如：ＭＭＸ、ＳＳＥ、３Ｄ　Ｎｏｗ！）进行了优　针对ＤＡＣ的插值率波的功能；另一个功能是作为　化，以提高性能。　路由器协调适配各路ＡＤＣ、ＤＡＣ和ＵＳＢ　２．０接口　在用户用ｂｌｃｏｋ和ｇｒａｐｈ构造的应用程序下面　之间的数据交换。　是ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ的运行支持环境，主要包括缓存管　３）ＵＳＢ　２．０接口　理、线程调度以及硬件驱动。ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ中巧妙地　ＵＳＲＰ采用ＵＳＢ　２．０接口与ＰＣ机连接。最高　设计了一套零拷贝循环缓存机制，保证数据在ｂｌｏｃｋ　可达到３２ＭＢｙｔｅ／ｓ的数据传输速率。如果ＡＤ和ＤＡ　之间高效的流动。多线程调度主要用于对信号处理　分别采用１２ｂｉｔ和１４ｂｉｔ的采样精度，那么每个实采　流程进行控制以及各种图形显示，ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ对此　样点占用２Ｂｙｔｅｓ，每个复采样点占用４Ｂｙｔｅｓ。如果以　也提供了支持。ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ的硬件驱动包括ＵＳＲＰ、　路复数采样进行单收或单发，则最高可达到　ＡＤ卡、声卡等等，用户也可根据需求进行扩充。　３２Ｍ／４＝８Ｍ复采样每秒，即最高发送或接收８ＭＨｚ　ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ除了支持Ｌｉｎｕｘ的多种发行版本之　带宽的信号。如果用８ｂｉｔ采样，则最高可收／发　外，还被移植到Ｍａｃ　ＯＳ　Ｘ、ＮｅｔＢＳＤ以及Ｗ　ｄｏｗｓ　１６ＭＨｚ带宽的信号。ＡＤＣ和ＤＡＣ始终分别以６４Ｍ　等操作系统上，这也意味着它也支持多种类型的计　和１２８Ｍ的速率进行采样，用户实际获得的采样速　算机系统。　率是通过设置抽值率或插值率得到的。　４．２　ＵＳｌ　子卡　ＵＳＲＰ的子卡有如下几种：　ＵＳＲＰ是ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ最重要的硬件“伙伴”。与　１）Ｂａｓｉｃ　ＴＸ、Ｂａｓｉｃ　ＲＸ：这两种子卡没有中频　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年第４期　与射频间的频谱变换，仅仅提供主板上中频信号与　ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ了。ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ提供了丰富的例程可　天线间的接口。尽管如此，由于ＡＤＣ和ＤＡＣ可进　供尝试，其中包括ＦＭ、ＡＭ广播接收、信号发生器、　行带通采样，仍然可支持２ＭＨｚ￣２００ＭＨｚ的载频。　信号频谱和波形显示，ＧＭＳＫ／ＱＰＳＫ／ＢＰＳＫ信号　２）ＴＶＲＸ：可覆盖５０ＭＨｚ一８００ＭＨｚ广播电视频　收发、ＵＳＢ　２．０接口测速等等。其中ｕｓｒｐ＿ｆＲ．ＰＹ是一　段的接收子卡。　个可显示出指定频率附近信号频谱的脚本。　３）ＤＢＳＲＸ：可覆盖８００ＭＨｚ￣２．４ＧＨｚ的接受子卡。　４）ＲＦＸ４００、ＲＦＸ９００、ＲＦＸ１２００、ＲＦＸ１８００、　ＲＦＸ２４００：这些子卡均为支持双工，可分别覆盖　这一部分将对基于ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ已经成功实现　４００Ⅻｚ　５００　、８００　忸ｚ一１０００　ｍｚ、１１５０　ｍｚ一　或者正在开发中的应用进行介绍，以期使读者对　１４５０ＭＨｚ、１．５ＭＨｚ一２．１ＭＨｚ、２．３ＭＨｚ一２．９ＭＨｚ频段。　ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ的功能有一个更直观的认识。　４．３　ＵＳＲＰ的原理　１）ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ—Ｉｎ　Ｍｕｔｉ—Ｏｕｔ）　主板上共有４个子板接口，可支持两路并行的　ＵＳＲＰ已经为多天线应用做好了准备。一套　发送或接收。整套ＵＳＲＰ的原理如图１所示。　ＵＳＩ　即可实现双天线的发送或接收，如果要进一　厂　Ｊ步增加天线数量，可通过将多套ＵＳＲＰ同步起来加　Ｉ　Ｉ　ＣｏｎｔＵＳＢ２ｒｏｌｌｅ　Ｉｒ　Ｉ　　以实现。此时需要对电路做一些改动（改变几个电阻　－一ｊ　和电容的位置）使多块主板和子板之间达到时钟同　步和相位相关。　接收子板　＼　ｆ　接收子板　２）数字音频广播ＤＡＢ　Ｌ———／　在ｈｔｔｐ：／／ｌｉｓｔｓ．ｇｎｕ．ｏｒｇ｝ａｒｃｈｉｖｅ｝ｈｔｍｌ｝ｄｉｓｃｕｓｓ—　ＦｐＧＡ　ｎｇｕｒａｄｉｏ／２００６—０８／ｍｓｇ００２０５．ｈｔｒｎｌ可获得ＤＡＢ信号　传输子板　　１／　传输子板　发送和接收的代码。　３）ＧＰＳ接收机　苞ｈｔｔｐ：／／ｌｉｓｔｓ．ｎｇｕ．ｏｒｇ｜ａｒｃｈｉｖｅ　１　ｈｔｒｎｌ｜ｄｉｓｃｕｓｓ－　图１　ＵＳＲＰ原理框图　ｎｇｕｒａｄｉｏ／２００５—０３／ｍｓｇ００１５１．ｈｔｍｌ可看到软件ＧＰＳ　实现的相关情况。　４）无线电天文学　同多数基于Ｌｉｎｕｘ的软件一样，ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ需　ｈｔｔｐ：／／ｌｉｓｔｓ．ｎｇｕ．ｏｒｇ／ｒａｃｈｉｖｅ／ｈｔｍＹｄｉｓｃｕｓｓ—ｇｎｕｒａｄｉｏ／　要在将其源代码编译、安装之后方可运行。源代码　２００６—０９／ｍｓｇ００１８０．ｈｔｍｌ可以看到一位无线电天文　可从网站ｈｔｔｐ：／／ｇｎｕｒａｄｉｏ．ｏｒｇ／ｔｒａｃ／ｗｉｋｉ　获得，ＧＮＵ　学爱好者利用ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ进行星体探测所取得的　Ｒａｄｉｏ采用ＳｕｂＶｅｒｓｉｏｎ工具管理全球各地志愿者　进展。　对代码更新和扩充，用户利用客户端工具ＳＶｌｌ可随　５）数字高清电视接收　时从网站上下载ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ代码的最新版本。在　用一块ＭＣＡ０２０　ＡＤ卡采集数字高清电视的信　编译安装ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ之前，必须首先安装一些所　号，在ＰＣ上进行解调、解码和播放。受ＰＣ机的运算　依赖的软件库，主要有ＳＷＩＧ、ＦＦＴＷ、ｃｐｐｕｎｉｔ、　能力所限，目前还不能实时的收看，因此先将原始信　ｎｕｍａｒｒａｙ、Ｎｕｍｒｉｃ和ｗｘＰｙｔｈｏｌｌ。分别为ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ　号采集并保存在硬盘上，待采集完毕后再进行解调　提供Ｃ＋＋与Ｐｙｔｈｏｎ互操作性、快速算法和图形界　和解码，生成可播放的视频文件。在ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｇｕ．　面等方面的支持。这些软件同样也是开源的，可分别　ｏｒｇ／ｓｏｔｔｗａｒｅ／ｎｇｕｒａｄｉｏ／ｈｄｔｖ—ｓａｍｐｌｅｓ．ｈｔｍｌ可观看到视　从互联网上下载安装。ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ的网站上有详细　频截图。　的软件编译安装方法，此处不再赘述。　６）￣ＭＡ和ＴＤＤ　ＵＳＲＰ的安装须要在软件安装完毕后进行。首　目前的ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ和ＵＳＲＰ尚不支持Ⅱ）　先在主板上插上所需子板，然后按顺序接驳稳压电　多址方式和ＴＤＤ的双工方式。Ｅｒｉｃ　Ｂｌｏｓｓｏｍ和Ｍａｔｔ　源、直流输入和ＵＳＢ　２．０连接线，接着就可利用　Ｅｔｔｕｓ以及ＢＢＮ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司正在对ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ　ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ软件包中自带的实例程序初步体验　软件体系以及ＵＳＲＰ中的ＦＰＧＡ代码进行改进和增　维普资讯 http://www.cqvip.com

…　－Ｔ＿　强，通过为采样数据加上时间戳，可以对采样流进行　终端是目前无线通信领域几大热点，不难看出，基于　ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ和ＵＳＲＰ可以快速地设计出终端原型，　因而在这些领域的研究中具有相当的潜力。尽管目　更精确的时间控制，从而实现ＴＤＭＡ和ＴＤＤ。　前ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ在最大频带宽度、ＰＣ处理能力以及　ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ可以被理解为开源软件的自由精　软件的易用性方面受到一定，但相信随着技术　的进步，Ｇ　７　Ｒａｄｉｏ必将在无线领域的技术创新中　扮演更加重要的角色。　参考文献　１　Ｊ．　Ｍｉｔｏｌａ．Ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｒａｄｉｏ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．　ⅢＥＥ　Ｃｏｍｌｎｕｎ．Ｍａｇ．ｖｏ１．３３：２６－３８。１９９５．　神在无线领域的延伸，开放性和低成本是其最大的　优势。低成本使得技术人员以及资金不那么充裕的　研究机构可以像购买ＰＣ机一样拥有一套能自由进　入频谱空间的软硬件系统，从而为更广泛的技术创　新打下基础。在ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ的邮件讨论组中每天　都有来自世界各地的用户对各种相关技术问题的讨　论，这些用户包括学生、大学教师、软硬件工程师、无　２　Ａｌｏｋ　Ｓｈａｈ。Ｖａｎｕ。Ｉｎｃ．Ａｎ　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｒａｄｉｏ．　ｗｗｖ４．ｖａｎｕ．ｃｏｍ．２００２．　线工程师、业余无线电爱好者，而这些人正是推动技　术进步的主力。　ＧＮＵ　Ｒａｄｉｏ的开放特性也是其具有广泛吸引　３　Ｐｅｔｅｒ　Ｇ．Ｃｏｏｋ，Ｗａｙｎｅ　ＢＯＩｌｓｅｒ．Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＰＥＡＫｅａｓｙ　Ｓｙｓｔｅｍ．Ｖｏｌｕｍｅ　１７，Ｉｓｓｕｅ　４，Ａｐｒｉｌ　１９９９：　６５０．６６１　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｏｂｊｅｃｔ　Ｉｄｅｍｉｉｆｅｒ１０．１　１０９／４９．７６１０４２．　４熊庆国．软件无线电技术的研究现状及关键技术．信息技　术，２００３（５）．　力的重要因素，同时也是其生命力的源泉。由于代码　和技术资料完全开放，人们可以了解到其运作的所　有细节，并可自由地对其进行修改和开发。在这种开　放的氛围之下，人们取得的知识、成果可以得到充分　曹瀚文（１９８３一），男，硕士研究生，主要研究方　的交流共享，更有益于创新。　自组织网络、频谱自由动态分配、可重配置智能　向为软件无线电技术、无线通信信号处理等。　收稿日期：２００６．１１．２３　（上接第２２页）　４．７５ｋｂｉｔ／ｓ模式５．１５ｋｂｉｔ／ｓ模式要更接近原始语音波　模式，增强抗信道误差的能力，提高语音质量，并可　通过降低平均编码速率提高系统容量。本文对　形；在低信噪比条件下，信道干扰很强，对传输比特　造成严重的破坏。由于４．７５ｋｂｉｔ／ｓ模式、５．１５ｋｂｉｔ／ｓ模　ＷＣＤＭＡ系统的语音传输过程和技术进行了详细　且完整地分析，为ＡＭＲ技术在ＷＣＤＭＡ系统中的　式的信源输出速率较低，可以提供更多的冗余比特　给信道编码，强有力的信道编码纠错能力明显减弱　了信道干扰对传输比特的破坏程度，确保了合成语　音的可懂度，使得在低信噪比条件下４．７５ｋｂｉｔ／ｓ模式　５．１５ｋｂｉｔ／ｓ的合成语音质量要优于６．７０ｋｂｉｔ／ｓ模式和７．４０ｋｂｉｔ／ｓ模式。ＡＭＲ和各编码模式的合成语音波　形，在高信噪比段ＡＭＲ合成语音波形更类似于模　应用和实现提供了实用参考。　巢喜　啦　。　。　１　３ＧＰＰ，ＴＳ．２６．０９０：　ＡＭＲ　Ｓｐｅｅｃｈ　Ｃｏｄｅｃ；　Ｓｐｅｅｃｈ　Ｔｒａｎｓｃｏｄｉｎｇ·　２　３ＧＰＰ，ＴＳ．３４·１０８：ＣＯｌｌｌｍ。“Ｔｅｓ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ　Ｆｏ　ｕ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ（ＵＥ　‘　式集中　要　篓　登　３４　＿　‘　Ｍｕ…ｉｆｐｌｅｘｉｎ音ｇ　．　ＡＭＲ合成波形向低速率编码模式靠近。从整个语　大　社科技　０　音合成效果来看，ＡＭＲ合成语音质量在高信噪比　段要优于低速率编码模式，在低信噪比段要优于高　速编码模式，这样通过模式间切换融合了各编码模　式的特点，达到了提高整段语音合成质量的目的。　５戴沁云胡捍英．第三代移动通信系统中的语音编码．　无线通信技术２００１（３）．　６孙胜江，高振斌，韩月秋．第三代移动通信系统自适应　多速率语音编码技术研究．河北工业大学学报，２００５（３）．　张四五（１９８２一），男，硕士研究生，主要研究方　ＡＭＲ技术在ＷＣＤＭＡ系统中的应用，能使编　向为移动通信与无线技术。　收稿日期：２００６－１０－２３　码速率根据无线环境和本地容量需求动态选择不同