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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 

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