大連理工大學通信系統(tǒng)仿真實驗EX7

1、大連理工大學實驗預習報告學院（系）： 信通學院 專業(yè)： 電子信息工程 班級： 電子1201班 姓 名： 陳 宇 學號： 201244201 組： _ 實驗時間： 實驗室： 創(chuàng)新園大廈C221 實驗臺： 指導教師簽字： 成績： 實驗七 GNU Radio實驗一、 實驗目的和要求（1）了解python語言程序。（2）了解傅里葉變換，掌握usrp觀測無線信號頻譜圖和時域圖的方法（3）了解如何生成和發(fā)送一個信號數(shù)據(jù)包，了解benchmark之間的通信機制，了解benchmark如何傳輸文件（4）了解GRC的信號處理模塊、流程圖及其使用方法，了解DPSK調制解調原理（5）了解GRC的信號處理模塊、流程圖

2、及其使用方法、了解GMSK調制解調原理二、 實驗原理和內容（1）實驗一是一個GNU Radio “Hello World”的例子。它產生兩個sine波形并且把他們輸出到聲卡，一個輸出到聲卡的左聲道，一個輸出到右聲道。 dial_tone.py 1 #!/usr/bin/env python 2 from gnuradio import gr 3 from gnuradio import audio 4 class my_top_block(gr.top_block): 5 def _init_(self): 6 gr.top_block._init_(self) 7 sample_rate =

3、 32000 8 ampl = 0.1 9 src0 = gr.sig_source_f (sample_rate, gr.GR_SIN_WAVE, 350, ampl) 10 src1 = gr.sig_source_f (sample_rate, gr.GR_SIN_WAVE, 440, ampl) 11 dst = audio.sink (sample_rate, "") 12 self.connect (src0, (dst, 0) 13 self.connect (src1, (dst, 1) 14 if _name_ = '_main_': 15

4、 try: 16 my_top_block().run() 17 except KeyboardInterrupt: 18 pass 第一行告訴我們這是一個Python文件，他利用Python編譯器執(zhí)行。在第2行和第3行，import命令導入GNU Radio模塊的gr和audio模塊。gr模塊用來運行一個GNU Radio應用。Audio模塊加載一個音頻設備塊，來從聲卡里輸入和輸出音頻和控制音頻設備。第4行開始定義my_top_block類，從gr.top_block (a subclass of gr)中派生。這是一個流程圖的容器。第4行到第13行是類my_top_block定義。第5行定

5、義了類my_top_block的構造函數(shù)_init_。該構造函數(shù)在第6行通過調用父類構造函數(shù)實例化。在第七行設置變量sample_rate，該變量控制信號采樣率。第8行設置幅度ampl變量。dial_tone包括三個模塊（如下圖）和兩個接口。 第9行定義了一個信號源src0，產生一個350Hz、32K采樣率、幅度為0.1的正弦波。第10行定義了一個信號源src1，產生一個440Hz、32K采樣率、幅度為0.1的正弦波。gr.sig_source_f的后綴f表示信號源輸出信號時浮點值。第11行定義了目的dst為audio sink可以用來發(fā)送/接收音頻信號到聲卡并且控制聲卡。第12行和第13行連

6、接模塊。第15行和第17行的try和except的意思是如果用戶按下Ctrl+C則停止運行程序。第14行表明如果該代碼是python編譯器執(zhí)行的唯一模塊則執(zhí)行my_top_block。 下面的兩個表示方法是一樣的: fg.connect(src1, 0), (dst, 1) fg.connect (src1, (dst, 1) 一旦流向圖被建立了，我們調用start生成一個或者多個線程去運行它，按下任意鍵程序控制權就會返回給調用者。（2）本實驗應用到GNURadio_SRCgnuradio-3.2.2gr-utilssrcpython目錄底下的usrp_fft.py。本程序的功能是實時給出空間

7、無線信號的頻譜占用情況。相當于一個頻譜儀。（3）本實驗用到/GNURadio_SRC/gnuradio-3.2.2/gnuradio-examples/python/digital底下的benchmark_tx.py和benchmark_rx.py，前者用來發(fā)送，后者用來接收。benchmark_tx.py生成數(shù)據(jù)包和幀結構如下圖所示，幀的大小可以由用戶設定。PC中運行的GNU Radio軟件生成數(shù)據(jù)包和幀，通過USB傳輸給USRP。發(fā)送端每發(fā)送5個包就等待1秒再發(fā)送下5個包。下圖是發(fā)送端可選項。（4）在本實驗和下一個實驗中，將通過軟件無線電平臺實現(xiàn)這兩種技術的數(shù)據(jù)傳輸。DPSK調制原理：（5

8、）在CPFSK中，如果頻偏指數(shù)h如果取1/2，那么此種CPFSK則成為MSK（最小頻移鍵控），它是一種優(yōu)良的調制方式，MSK在各種頻移鍵控中占用帶寬最小。但是由于無線通信對信號功率譜特性要求很高，特別是限制帶外輻射低到-60到-80DB，在碼元轉換時刻以±相位突跳的MSK信號仍需進一步優(yōu)化，GMSK（高斯最小頻移鍵控）是其優(yōu)化技術的一種?；炯夹g是在基帶碼流入VCO之前，先以與調制高斯濾波器進行處理使基帶方波的棱角加以圓滑。三、實驗步驟（1）撥號音的產生1打開一個Terminal，輸入cd /GNURadio_SRC/gnuradio-3.2.2/gnuradio-examples/

9、python/audio。進入到dial_tone.py所在路徑。2輸入ls，顯示當前路徑所含文件。3輸入gedit dial_tone.py。打開dial_tone.py文件。4鍵入sudo ./dial_tone.py運行dial_tone.py。通過耳機（或音響）聽PC聲卡所發(fā)出的聲音。5、Ctrl+C停止運行dial_tone.py。更改dial_tone.py中ampl的大小以及頻率大小，保存后重新進行第4步操作，感受聲音變化。（2）快速傅里葉變換FFT1連接好USRP2打開一個Terminal，輸入sudo usrp_fft.py h,將會得到幫助菜單。-h表示顯示幫助菜單-w表示

10、選擇USRP，一般默認值-R選擇USRP子板，一般默認值-A選擇天線，一般默認值-d表示decimation rate，默認值16。相當于設置一個抽取濾波器寬度。USRP的ADC以64MSPS的復采樣率采進64MHz帶寬的信號，經(jīng)過抽取濾波器后，帶寬變?yōu)樵瓉淼?/decim，數(shù)據(jù)速率變?yōu)樵瓉淼?/decim。-f設置采樣信號的中心頻率，在顯示屏上的中間位置。默認2.5GHz，如果使用RFX2400子板，則只能設置2.3G到2.9G之間。-waterfall表示以瀑布圖形式顯示-S表示查看時域圖，也可以用sudo usrp_oscope.py方式得到。-fft-size表示fft點數(shù)，默認102

11、4點。3輸入sudo usrp_fft.py，得到頻譜顯示窗口（3）Simplex數(shù)據(jù)傳輸1、打開一個Terminal，輸入cd/GNURadio_SRC/gnuradio-3.2.2/gnuradio-examples/python/digital。進入到benchmark_tx.py和benchmark_rx.py所在路徑。2、在接收機端，鍵入sudo ./benchmark_rx.py f 2.4G r 200k即建立一個載頻為2.4GHz、傳輸速率為200kbit/s的接收通道3、在發(fā)射機端，鍵入sudo ./benchmark_tx.py f 2.4G r 200k，發(fā)射機開始發(fā)送A

12、SCII碼接收端偵聽發(fā)送來得數(shù)據(jù)包并顯示每個包的接收信息。檢測每個包的錯誤。在顯示的信息中，True或者False表示數(shù)據(jù)的CRC校驗是否正確。pktno表示數(shù)據(jù)包編號，n_rcvd表示接收到數(shù)據(jù)包個數(shù)，n_right表示接收到的正確的數(shù)據(jù)包個數(shù)。4、接下來應用benchmark傳送文件，將benchmark_tx.py和benchmark_rx.py修改成如APPIDEX 1和APPIDEX 2中所示代碼。5、先啟動接收端。再先啟動發(fā)送端，如圖s3-7所示。在載頻2.4G，傳輸速率為200k的通道上傳輸READ ME文件。數(shù)據(jù)包大小為10。如果接收端誤包率較大，可以通過以下方式改善：1）減小

13、包大小2）注釋掉發(fā)送端的send_pkt(eof=True)3）修改一下每個包發(fā)送的間隔（在while中加上time.sleep(*)），4）把發(fā)一個包后的sleeptime改小點6、通過-tx-amplitude=NUM命令可以設置發(fā)送功率，默認NUM為12000，大概5-6mw，usrp最大發(fā)射功率為50mw，即NUM=32700；（4）基于USRP的DPSK系統(tǒng)1DPSK（差分相移鍵控）是為了解決普通PSK相位模糊問題提出來的?；贕RC的DPSK信號產生的流程圖如圖s6-1所示。其中Pecket Encoder模塊的作用是對抽樣數(shù)據(jù)進行包編碼。通過GNU Radio平臺可以實現(xiàn)DBPS

14、K、DQPSK、D8PSK。其流程圖都是一樣的，只需改變調制模塊中的調制方式參數(shù)即可（如圖s6-2）。圖s6-1 DPSK信號調制流程圖2在接收機端調用usrp_fft.py和usrp_oscope.py，觀測DPSK調制產生的射頻信號的時域圖、頻譜圖、以及星座圖等。3DPSK解調及驗證DPSK的GRC解調流程圖如下：該流程圖中以USRP作為信號源，以接收空間中的無線調制信號。設計解調流程圖應該注意的是其參數(shù)如samp_rate、Samples/Symbol、Type等都要與調制流程圖中的參數(shù)設置對應，并且要符合個參數(shù)具體要求。此外最值得注意的是USRP Source的Decimation要設

15、置為調制流程圖中USRP Sink 的Interpolation的一半。否則不能正確解調出信號源數(shù)據(jù)。DPSK調制流程圖如圖s6-1，解調流程圖如圖s6-3，接下來分別以500Hz的正弦信號、0 0 1的向量以及文件作為信源，通過比較解調數(shù)據(jù)與信源是否一致來驗證整個調制解調過程的正確性。（5）GMSK1基于GRC的GMSK信號產生的流程圖如圖s7-1所示。由另外一臺USRP設備接收到的GMSK信號時域圖和頻譜圖如圖s7-2和圖s7-3所示?？梢钥闯鑫覀兊玫搅似谕械腉MSK調制信號。2GMSK解調及驗證GMSK的GRC解調流程圖如下：該流程圖中同樣以USRP作為信號源，以接收空間中的無線調制信

16、號。設計解調流程圖應該注意的參數(shù)設置與DPSK相同。否則不能正確解調出信號源數(shù)據(jù)。4接下來分別以1KHz的正弦信號以及文件作為信源，通過比較解調數(shù)據(jù)與信源是否一致來驗證整個調制解調過程的正確性。四、實驗數(shù)據(jù)記錄表格大連理工大學實驗報告學院（系）： 信通學院 專業(yè)： 電子信息工程 班級： 電子1201班 姓 名： 陳宇 學號： 201244201 組： _ 實驗時間： 實驗室： 創(chuàng)新園大廈C221 實驗臺： 指導教師簽字： 成績： 實驗七 GNU Radio實驗一、 實驗目的和要求（1）了解python語言程序。（2）了解傅里葉變換，掌握usrp觀測無線信號頻譜圖和時域圖的方法（3） 了解如何生

17、成和發(fā)送一個信號數(shù)據(jù)包，了解benchmark之間的通信機制，了解benchmark如何傳輸文件（4）了解GRC的信號處理模塊、流程圖及其使用方法，了解DPSK調制解調原理（5）了解GRC的信號處理模塊、流程圖及其使用方法、了解GMSK調制解調原理二、 實驗原理和內容（1）實驗一是一個GNU Radio “Hello World”的例子。它產生兩個sine波形并且把他們輸出到聲卡，一個輸出到聲卡的左聲道，一個輸出到右聲道。 dial_tone.py 1 #!/usr/bin/env python 2 from gnuradio import gr 3 from gnuradio import

18、audio 4 class my_top_block(gr.top_block): 5 def _init_(self): 6 gr.top_block._init_(self) 7 sample_rate = 32000 8 ampl = 0.1 9 src0 = gr.sig_source_f (sample_rate, gr.GR_SIN_WAVE, 350, ampl) 10 src1 = gr.sig_source_f (sample_rate, gr.GR_SIN_WAVE, 440, ampl) 11 dst = audio.sink (sample_rate, "&q

19、uot;) 12 self.connect (src0, (dst, 0) 13 self.connect (src1, (dst, 1) 14 if _name_ = '_main_': 15 try: 16 my_top_block().run() 17 except KeyboardInterrupt: 18 pass 第一行告訴我們這是一個Python文件，他利用Python編譯器執(zhí)行。在第2行和第3行，import命令導入GNU Radio模塊的gr和audio模塊。gr模塊用來運行一個GNU Radio應用。Audio模塊加載一個音頻設備塊，來從聲卡里輸入和輸出音頻

20、和控制音頻設備。第4行開始定義my_top_block類，從gr.top_block (a subclass of gr)中派生。這是一個流程圖的容器。第4行到第13行是類my_top_block定義。第5行定義了類my_top_block的構造函數(shù)_init_。該構造函數(shù)在第6行通過調用父類構造函數(shù)實例化。在第七行設置變量sample_rate，該變量控制信號采樣率。第8行設置幅度ampl變量。dial_tone包括三個模塊（如下圖）和兩個接口。 第9行定義了一個信號源src0，產生一個350Hz、32K采樣率、幅度為0.1的正弦波。第10行定義了一個信號源src1，產生一個440Hz、32

21、K采樣率、幅度為0.1的正弦波。gr.sig_source_f的后綴f表示信號源輸出信號時浮點值。第11行定義了目的dst為audio sink可以用來發(fā)送/接收音頻信號到聲卡并且控制聲卡。第12行和第13行連接模塊。第15行和第17行的try和except的意思是如果用戶按下Ctrl+C則停止運行程序。第14行表明如果該代碼是python編譯器執(zhí)行的唯一模塊則執(zhí)行my_top_block。 下面的兩個表示方法是一樣的: fg.connect(src1, 0), (dst, 1) fg.connect (src1, (dst, 1) 一旦流向圖被建立了，我們調用start生成一個或者多個線程去

22、運行它，按下任意鍵程序控制權就會返回給調用者。（2）本實驗應用到GNURadio_SRCgnuradio-3.2.2gr-utilssrcpython目錄底下的usrp_fft.py。本程序的功能是實時給出空間無線信號的頻譜占用情況。相當于一個頻譜儀。（3）本實驗用到/GNURadio_SRC/gnuradio-3.2.2/gnuradio-examples/python/digital底下的benchmark_tx.py和benchmark_rx.py，前者用來發(fā)送，后者用來接收。benchmark_tx.py生成數(shù)據(jù)包和幀結構如下圖所示，幀的大小可以由用戶設定。PC中運行的GNU Radi

23、o軟件生成數(shù)據(jù)包和幀，通過USB傳輸給USRP。發(fā)送端每發(fā)送5個包就等待1秒再發(fā)送下5個包。下圖是發(fā)送端可選項。（4）在本實驗和下一個實驗中，將通過軟件無線電平臺實現(xiàn)這兩種技術的數(shù)據(jù)傳輸。DPSK調制原理：（5）在CPFSK中，如果頻偏指數(shù)h如果取1/2，那么此種CPFSK則成為MSK（最小頻移鍵控），它是一種優(yōu)良的調制方式，MSK在各種頻移鍵控中占用帶寬最小。但是由于無線通信對信號功率譜特性要求很高，特別是限制帶外輻射低到-60到-80DB，在碼元轉換時刻以±相位突跳的MSK信號仍需進一步優(yōu)化，GMSK（高斯最小頻移鍵控）是其優(yōu)化技術的一種?；炯夹g是在基帶碼流入VCO之前，先以與

24、調制高斯濾波器進行處理使基帶方波的棱角加以圓滑。三、主要儀器設備計算機、USRP四、實驗步驟與操作方法（1）撥號音的產生1打開一個Terminal，輸入cd /GNURadio_SRC/gnuradio-3.2.2/gnuradio-examples/python/audio。進入到dial_tone.py所在路徑。2輸入ls，顯示當前路徑所含文件。3輸入gedit dial_tone.py。打開dial_tone.py文件。4鍵入sudo ./dial_tone.py運行dial_tone.py。通過耳機（或音響）聽PC聲卡所發(fā)出的聲音。5、Ctrl+C停止運行dial_tone.py。更改

25、dial_tone.py中ampl的大小以及頻率大小，保存后重新進行第4步操作，感受聲音變化。（2）快速傅里葉變換FFT1連接好USRP2打開一個Terminal，輸入sudo usrp_fft.py h,將會得到幫助菜單。-h表示顯示幫助菜單-w表示選擇USRP，一般默認值-R選擇USRP子板，一般默認值-A選擇天線，一般默認值-d表示decimation rate，默認值16。相當于設置一個抽取濾波器寬度。USRP的ADC以64MSPS的復采樣率采進64MHz帶寬的信號，經(jīng)過抽取濾波器后，帶寬變?yōu)樵瓉淼?/decim，數(shù)據(jù)速率變?yōu)樵瓉淼?/decim。-f設置采樣信號的中心頻率，在顯示屏上

26、的中間位置。默認2.5GHz，如果使用RFX2400子板，則只能設置2.3G到2.9G之間。-waterfall表示以瀑布圖形式顯示-S表示查看時域圖，也可以用sudo usrp_oscope.py方式得到。-fft-size表示fft點數(shù)，默認1024點。3輸入sudo usrp_fft.py，得到頻譜顯示窗口（3）Simplex數(shù)據(jù)傳輸1、打開一個Terminal，輸入cd/GNURadio_SRC/gnuradio-3.2.2/gnuradio-examples/python/digital。進入到benchmark_tx.py和benchmark_rx.py所在路徑。2、在接收機端，鍵

27、入sudo ./benchmark_rx.py f 2.4G r 200k即建立一個載頻為2.4GHz、傳輸速率為200kbit/s的接收通道3、在發(fā)射機端，鍵入sudo ./benchmark_tx.py f 2.4G r 200k，發(fā)射機開始發(fā)送ASCII碼接收端偵聽發(fā)送來得數(shù)據(jù)包并顯示每個包的接收信息。檢測每個包的錯誤。在顯示的信息中，True或者False表示數(shù)據(jù)的CRC校驗是否正確。pktno表示數(shù)據(jù)包編號，n_rcvd表示接收到數(shù)據(jù)包個數(shù)，n_right表示接收到的正確的數(shù)據(jù)包個數(shù)。4、接下來應用benchmark傳送文件，將benchmark_tx.py和benchmark_rx

28、.py修改成如APPIDEX 1和APPIDEX 2中所示代碼。5、先啟動接收端。再先啟動發(fā)送端，如圖s3-7所示。在載頻2.4G，傳輸速率為200k的通道上傳輸READ ME文件。數(shù)據(jù)包大小為10。如果接收端誤包率較大，可以通過以下方式改善：1）減小包大小2）注釋掉發(fā)送端的send_pkt(eof=True)3）修改一下每個包發(fā)送的間隔（在while中加上time.sleep(*)），4）把發(fā)一個包后的sleeptime改小點6、通過-tx-amplitude=NUM命令可以設置發(fā)送功率，默認NUM為12000，大概5-6mw，usrp最大發(fā)射功率為50mw，即NUM=32700；（4）基于

29、USRP的DPSK系統(tǒng)1 DPSK（差分相移鍵控）是為了解決普通PSK相位模糊問題提出來的。基于GRC的DPSK信號產生的流程圖如圖s6-1所示。其中Pecket Encoder模塊的作用是對抽樣數(shù)據(jù)進行包編碼。通過GNU Radio平臺可以實現(xiàn)DBPSK、DQPSK、D8PSK。其流程圖都是一樣的，只需改變調制模塊中的調制方式參數(shù)即可（如圖s6-2）。2在接收機端調用usrp_fft.py和usrp_oscope.py，觀測DPSK調制產生的射頻信號的時域圖、頻譜圖、以及星座圖等。3DPSK解調及驗證DPSK的GRC解調流程圖如下：該流程圖中以USRP作為信號源，以接收空間中的無線調制信號。

30、設計解調流程圖應該注意的是其參數(shù)如samp_rate、Samples/Symbol、Type等都要與調制流程圖中的參數(shù)設置對應，并且要符合個參數(shù)具體要求。此外最值得注意的是USRP Source的Decimation要設置為調制流程圖中USRP Sink 的Interpolation的一半。否則不能正確解調出信號源數(shù)據(jù)。DPSK調制流程圖如圖s6-1，解調流程圖如圖s6-3，接下來分別以500Hz的正弦信號、0 0 1的向量以及文件作為信源，通過比較解調數(shù)據(jù)與信源是否一致來驗證整個調制解調過程的正確性。（5）GMSK1基于GRC的GMSK信號產生的流程圖如圖s7-1所示。由另外一臺USRP設備接收到的GMSK信號時域圖和頻譜圖如圖s7-2和圖s7-3所示。可以看出我們得到了期望中的GMSK調制信號。2GMSK解調及驗證GMSK的GRC解調流程圖如下：該流程圖中同樣以USRP作為信號源，以接收空間中的無線調制