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首页GNU Radio入门指南:配置安装详解
"《GNU Radio入门学校材料》是一份详细介绍了软件无线电软件平台GNU Radio及其硬件平台USRP的教程。GNU Radio是一个开源工具包,特别适合初学者和专业人士使用,因为它能与经济实惠的USRP配合,形成一个高度灵活的开发环境,让用户能够像开发小型软件一样设计无线通信设备。它以低成本和高度的灵活性在全球范围内吸引了众多用户,包括中国,如GNU Radio中国社区。 该文档的作者黄琳是中国早期GNU Radio用户的代表之一,他和他的团队在该项目上积累了丰富的实践经验。鉴于新成员在理解和使用GNU Radio时常面临的挑战,黄琳萌生了编写一本中文版教程的想法,以便让初次接触者能更快地掌握其基本操作,并激发更多人的创新思维。 这份教程涵盖了GNU Radio的基础配置、安装过程以及常见应用场景。虽然书中提到的OpenBTS部分尚未完成,但作者承诺会尽快更新。书中旨在提供一种直观的学习路径,无论是新手还是已有经验的用户都能从中获益。尽管出于业余团队的创作条件,可能存在一些错误,但作者鼓励读者通过论坛和邮件交流提供反馈,共同提升教程质量。 这是一份实用且富有价值的资源,不仅帮助用户快速上手GNU Radio,还推动了软件无线电技术在中国和全球的发展。"
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——Cypress FX2 。通过 USB2 总线,所有( FPGA 电路及 USB 微控制器)都
是可编程的。
图
图图
图 2-2USRP 的模块结构图
的模块结构图的模块结构图
的模块结构图
标准的 FPGA 配置包括由 4 级级联积分梳状滤波器( CIC )实现的数字下变频
器( DDC)。CIC 滤波器是只使用加法器和延时器的非常高性能的滤波器。对
于频谱成形和带外信号抑制,也有一个 31 抽头半带滤波器与 CIC 滤波器级联,
形成完整的 DDC 状态。标准 FPGA 配置包含 2 个完整的数字下变频器( DDC
的)。另有一种配置带 4 个 DDCs 但没有半带滤波器,从而拥有 1、2 或 4 个不
同的接收信道。
在 4 DDC 的实现中,我们在接收路径上有 4 个 ADCs 和 4 个 DDCs。每个 DDC
有两个输入 I 和 Q。每个 ADCs 都可以连接到 4 个 DDCs 的任何一个的 I 或者 Q
支路的输入。这样可以在同一个 ADC 采样流中有多种信道选择。
下图为 USRP 数字下变频器的框图。
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图
图图
图 2-3USRP 数字下变频器
数字下变频器数字下变频器
数字下变频器
现在,让我们看看数字下变频器( DDC)。首先,它把信号从中频波段转换到
基带。第二,它采样信号,使数据传输速率可以适应 USB 2.0 以及计算机的计
算能力。复输入信号( IF )乘以固定频率(通常也是中频)指数信号。由此产
生的信号也是复的,而且集中在 0 频。然后,我们以因子 N 对信号进行抽样。
抽样可视为一个低通滤波器接一个下采样器。假设抽样因子是 N。如果我们看
一下数字频谱,低通滤波器挑出带宽[-Fs/N, Fs/N],,然后下采样器去掉了从[-Fs,
Fs]到[-Fs/N, Fs/N]的频谱。所以实际上我们已经以因子 N 缩小了有用数字信号
的带宽。
关于带宽,我们可以在 USB 上保持 32MB/sec 。USB 接口上发送的所有符号都
是以 16 位有符号整数组成的正交格式,比如 16 位 I 和 16 位 Q 数据(复信号)
意味着每个复采样 4 字节。这导致 USB 上的符号速率为 8M 符号/秒( 32MByte
每秒/4 字节 )。由于使用复处理,根据奈奎斯特准则,这将提供最大有效总频
谱带宽约为 8MHz。当然,我们可以通过改变采样率选择更窄的范围。例如,
假设我们要设计一个调频接收器,调频电台的带宽一般为 200 kHz。因此,我
们可以选择抽取因子为 250 ,则 USB 上的数据传输速率是 64MHz / 250 = 256
kHz,这非常适合 200 kHz 的带宽而不会丢失任何频谱信息。抽样率必须在
[ 8 , 256 ]之间 。最后,复正交信号通过 USB 进入电脑。那就是软件的世界
了!
请注意,当有多个信道时(最多 4 个) ,信道被交织。例如,4 信道时,USB
上的发送序列将是 I0 Q0 I1 Q1 I2 Q2 I3 Q3 I0 Q0 I1 Q1……等等。在多个接收信
道( 1,2 或 4 )情况下 ,所有输入信道必须是相同的数据速率(即同样的抽样
率) 。
发射路径上的情况几乎完全一样,除了它是依次反过来出现。我们要发送基带
正交信号给 USRP 板子。数字上变频器(DUC)将对信号进行内插,上变频到
中频频段,并最终通过
DAC 发送。
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图
图图
图 2-4USRP 数字上变频器
数字上变频器数字上变频器
数字上变频器
传输端的数字上变频器(DUC)实际上是包含在 AD9862 CODEC 芯片里,而
不是在 FPGA 里(如上图所示) 。FPGA 上的唯一传输信号处理模块是 CIC 插
值器 。插值输出可发送到 4 个 CODEC 输入的任何一个。
在多发送信道( 1 或 2 )情况下,所有输出信道必须是相同的数据速率(即同
一插值比例)。请注意,发送速率可能不同于接收速率。USRP 可在全双工模
式下工作。在这种模式下,发送和接收端是完全独立的。唯一要考虑的是,总
线上合并后的数据速率必须为 32MB/s 或更低。
2.2 USRP2
母板
母板母板
母板
USRP2 基于 USRP 的成功经验,以非常低的价格提供更高的性能和更大的灵活
性。更高速度和更高的精度 ADC 和 DAC 允许使用更宽波段的信号,增加了信
号的动态范围。针对 DSP 应用优化了的大型现场可编程门阵列( FPGA )可以
在高采样率下处理复杂波形。千兆以太网接口,使应用程序可以使用 USRP2 同
时发送或接受 50 MHz 的射频带宽。在 USRP2 中,FPGA 出现了诸如数字上变
频器和下变频器等高采样率处理器。较低采样率的操作可在主机电脑上,甚至
可以在具有 32 位 RISC 微处理器和有很大用户设计自由空间的 FPGA 上做。更
大的 FPGA 使得 USRP2 可以在没有电脑主机的情况下作为一个独立的系统运
行。 USRP2 的配置和固件被存储在一个 SD 闪存卡里,无需特别的硬件就可以
轻松编程。
多个 USRP2 系统可以连接在一起形成最多可达 8 天线 MIMO 的全相关多天线
系 统 。 主 振 荡 器 可 以 被 锁 定 到 一 个 外 部 参 考 , 并 有 一 个 每 秒 1 个 脉 冲
( 1PPS )的输入用于对精确定时有需求的应用。
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图
图图
图 2-5 USRP2
USRP2 的主要特性:
两个 100 MS/s 的 14 位模数转换器
两个 400 MS/s 的 16 位数模转换器
可编程控制抽样率的数字下变频器
可编程控制插值率的数字上变频器
千兆以太网接口
2 Gbps 的高速串行接口用于扩展
能处理的信号带宽高达 100 MHz
模块化的架构,可以支持更多的射频子板
附属的模拟和数字 I/O 支持复杂的无线电控制,例如 RSSI 和 AGC
多达 8 天线的全相关多信道系统(支持 MIMO)
1 兆字节的板载高速 SRAM
2.3
子板
子板子板
子板
母板有四个插槽,可以插入 2 个基本接收子板和 2 个基本发送子板,或者 2 个
RFX 板子。子板是用来装载 RF 接收接口或者调谐器和射频发射机的。有 2 个
标注为 TXA 和 TXB 的插槽用于连接 2 个发送子板,相应的,有 2 个标注为
RXA 和 RXB 的接收子板插槽 。每个子板插槽 可以访问 4 个高速 AD/DA 转换
器其中的 2 个( DAC 输出用于发送, ADC 输入用于接收) 。
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这使得每个使用实(不是正交)采样的子板有 2 个独立的射频部分,和 2 个天
线( 整个系统一共有 4 个) 。如果使用复正交采样,每个板子可支持一个单一
的射频部分,整个系统一共 2 个。通常,我们可以看到每个子板有两个 SMA 连
接器。我们通常会使用它们连接输入或输出信号。USRP 母板上没有提供抗混
叠或重建滤波器。这样可以在子板频率规划时获得最大的灵活性。
每个子板有一个板载 I2C 的 EEPROM ( 24LC024 或 24LC025 )使系统能够识
别子 板 。 这 使得 主机 软 件 能 够根 据 所 安 装的 子板 自 动 设 置合 适 的 系 统。
EEPROM 也可以保存一些校准值比如直流偏置或者 IQ 不平衡(IQ unbalance)。
如果这个 EEPROM 没有被编程,每次 USRP 软件运行时会打印出一个警告消
息。
每个发送子板有一对差分模拟输出,其更新速率为 128MS/s。信号( IOUTP_A
/ IOUTN_A 和 IOUTP_B / IOUTN_B )为电流输出。同样每个接收子板也有 2
个差分模拟输入( VINP_A / VINN_A 和 VINP_B / VINN_B ),其抽样率为
64MS/s。
2
22
2.
..
.3
33
3.
..
.1
11
1 Basic TX/RX
Basic TX/RXBasic TX/RX
Basic TX/RX 子板
子板子板
子板
1 MHz - 250 MHz 发射机和接收机。
BasicTX 和 BasicRX 用做外部射频前端的中频(IF)接口。ADC 输入和 DAC 输
出直接变压器耦合到 SMA 连接器(50 欧姆阻抗)而不通过混频器、滤波器或
者放大器。
图
图图
图 2-6 BasicTX 和
和和
和 BasicRX
BasicTX 和 BasicRX 可以直接访问子板接口上的所有信号(包括 16 位数字
I/O,SPI 和 I2C 总线以及低速 ADC 和 DAC)。每个 Basic TX/RX 板子带有逻
辑分析仪连接器用于 16 个通用 IO。这些引脚可以通过访问内部信号来帮助您
调试 FPGA 设计。
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