USRP-OFDM通信系统实验报告

实验一利用GNU-Radio和USRP搭建OFDM通信系统

图1，基于GNU-Radio和USRP的OFDM通信系统示意图

1 实验设备

●设备清单

●开发环境

操作系统：Ubuntu 14.04 64bit

软件平台：GNU-Radio v3.7.8 UHD release_003_009_001

2 实验目的

●理解OFDM信号的调制和解调原理；

●熟悉使用GNU-Radio软件并对信号进行处理；

●学会使用软件GNU-Radio和硬件USRP来完成点对点设备的通信。

3 实验内容

本实验是在Linux桌面应用系统Ubuntu上进行的，使用到的包括一款免费的无线电和信号处理开发软件—GNU-Radio，和通用软件无线电外设硬件—USRP N210。实验的任务是在GUN-Radio和USRP组成的软硬件平台，搭建了基于OFDM调制的无线通信环境，以便更好的了解OFDM通信原理和信号在无线信道中传播的特点。实验主要包括三部分：发送端、信道和接收端。其中发送端主要包括信源、符号映射、子载波分配、IFFT并加CP、USRP TX；无线信道所处的是室内环境，也被称为准静态信道环境（这也为接收端的均衡提供了思想）；接收端主要包括USRP RX、同步、去CP FFT、信道估计和均衡、解符号映射、信宿。

4 实验步骤

4.1 发送端

在OFDM通信系统中，发送端需要完成以下几个功能：信源编码、数据打包、符号映射、子载波分配、IFFT变换、加CP、USRP发送射频信号等。除USRP模块外其它几个模块中的信号处理都是在GNR-Radio中完成的，也即在主机中完成。USRP模块拥有单独的DSP 和FPGA模块，因此可以独立对输入数据进行处理。在USRP模块里面需要完成很多的功能，比如抽取、数字上变频、A/D转换、混频等功能都是在其中完成的。发送端的主要目的是完成信号的调制、上变频、功放，最后通过专用天线将其发送到无线信道中去。考虑到若上变频后的信号幅度过大，在经过功放后可能导致信号失真，因此需要在USRP模块前增加一个限幅器模块。

图2，OFDM通信系统的发送端实验流程图

4.1.1 数据帧结构

实验开始时一帧数据的长度规定为96个字节，其中每个字节包含8个比特。信源不断地产生0和1的比特序列，经过数据打包模块（B模块）后变成上述固定长度的帧数据。数据流经过CRC校验后，会在一帧数据的末尾增加4个字节，这时一帧数据便变成了100字节。这些有用的信息称为payload，其采用的是QPSK调制方式，注意经过QPSK映射后一帧数据的长度变成了100*8/2=400个QPSK符号。接着，针对每一帧数据需要生成一个帧头，用来记录当前帧的一些信息，比如帧长、这是第几帧等信息。实验中帧头信息长度为6个字节共48个比特，帧头中的信息称为Header，采用BPSK方式调制，故其长度不变。Payload 和Header需要复合在一起才能进行传输，一般将Header置于Payload之前形成新的帧结构，这时一帧数据的长度又发生了变化，变成了400+48=448个符号。在实验中一个OFDM符号的长度设定为64（即总载波个数为64），除去虚拟载波、直流子载波和射频子载波还有48个有效数据子载波。因此，一个OFDM符号可以负载48个Payload的符号，也就是这是一帧数据需要10（448/48=9.333）个OFDM符号。另外，根据文献【1】为了接收端能正常解调信号，需要在一帧数据前加上两个OFDM符号的同步字。所以，一帧数据中包含12个OFDM 符号。

图3 数据帧结构示意图

4.1.2发送端各模块功能的介绍

A. Vector Source: 实现的功能是循环产生同一组向量，并将该向量转化成无符号整形变量（即uchar型变量），所以其输出是一连串的0和1的数据流。

输入变量：

1，Vector，range(packet_len)。其中packet_len是个变量指一帧数据的长度，单位字节，试验中该变量的值设为96。所以，根据python语法规则range(Packet_len)就是产生一组0到95的向量。

2，Vec length, 1。产生一个向量。

可选变量：

是否循环：Yes。

输出：一串0和1的数据流，数据类型byte。

图3，向量信源模块

B. Stream to Tagged Stream: 该模块实现的功能是将输入数据流进行打包，形成一定长度的帧数据流，并给数据贴上标签。因此，试验中设定一帧数据长度为96个字节，则该模块按该长度输出打包好的帧数据流，共96个字节96*8个比特。

输入变量：

1，Vector length ：1，输入向量的个数，默认为1个；

2，2，packet length：packet_len, 定义一帧数据的长度，在流程图的变量模块中packet_len 设定为96；

3，3, Length Tag Key: length_tag_key, 给输出数据打上标签，其标签名为length_tag_key，值

为96.

输出：带标签的帧数据流，数据类型byte.

图4，数据打包模块

C. Stream CRC32: 该模块实现的功能是对输入的每帧数据进行校验，并将形成的4个字节的校验字附在每帧数据的末尾。注意：经过该模块后输出的一帧数据长度较输入之前增加了4个字节，所以一帧数据长度变成100个字节共100*8个比特。

输入变量：

1，Length tag name ：length_tag_key，输入的标签名，该模块需要知道一帧数据的长度是多少；

可选变量：

Mode: Generate CRC。这里是发送端，所以选产生CRC校验码，而不是校验接收到的数据。Packed: Yes。告诉模块输入的数据是否是打包好的数据。

输出：带标签的帧数据流，数据类型byte.

图5，CRC校验模块

D. Packer Header Generator: 该模块用来记录一帧数据中的信息，即形成帧头，共6个字节6*8个比特，其中字节1代表一帧数据的长度，字节2和3一起表示当前帧的帧号，字节2每16个加一帧，到255字节3便加1；其它三个字节还不知道具体表示什么。

输入变量：

1，Formatter Object ：header_formatter.formatter(). 指定形成的帧头格式；

2，Length Tag Name: "packet_len". 标签名。该模块在对数据进行处理时需要知道一帧数据的长度。