对USRP射频无线电的研究 本文简介：
对USRP的认知无线电的研究摘要：??无线频谱的紧缺是限制无线通信与服务应用持续发展的瓶颈。认知无线电(CognitiveRadio，CR)技术被认为是解决无线频谱紧缺问题的一种新方法。认知无线电技术是无线移动通信领域的一种革命性技术，无线用户利用该技术可以智能地感知周围环境，搜索可用频谱资源，并进
对USRP射频无线电的研究 本文内容：
对USRP的认知无线电的研究
摘要：
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无线频谱的紧缺是限制无线通信与服务应用持续发展的瓶颈。认知无线电(Cognitive
Radio，CR)技术被认为是解决无线频谱紧缺问题的一种新方法。认知无线电技术是无线移动通信领域的一种革命性技术，无线用户利用该技术可以智能地感知周围环境，搜索可用频谱资源，并进行动态的频谱接入，从而提高通信系统的容量和频谱利用率。目前，利用认知无线电技术进行动态频谱接入有两种情况。一种是在免执照的开放频段动态共享该段频谱，如
2.4GHz
的无线局域网和
IEEE
802.16h/g
的无线城域网；另一种是择机地使用已授权给其他系统的频段，如
IEEE
802.22
无线区域网，其用户择机使用已授权于数字广播频谱。现在国内外的研究大多局限于仿真和理论研究，在实验平台上的研究较少，还没有成熟的平台可供实际测试和验证。
?
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本文主要研究基于GNU
Radio和USRP实现的认知无线电实验平台。GNU
Radio和USRP是基于PC的一套开源的软件无线电开发平台，这个平台能快速灵活的设计出终端原型。平台采用择机动态频谱接入方法，在
400M-430M范围内择机使用空闲的授权频段。本文介绍了GNU
Radio的实现方式和编程原理；介绍了与作为配套硬件的USRP的结构组成和功能；并着重对认知无线电在这个平台上的实现进行了研究,主要实现的研究内容为：研究大范围的频谱的能量检测，检测出空闲的频段并作统计决策；研究动态接入和传输的物理层方法；研究设计
MAC
层、网络层及应用层的实现方法；研究演示系统，并最终测试验证性能。
关键词：
认知无线电；实验平台；频谱检测；动态接入；GMSK；CSMA；tuntap；网络编程；wxPython
第一章
绪论
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1.1
论文选题意义
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随着无线多媒体应用的增加，无线频谱成为越来越紧缺的资源。有研究结果[1-4]指出，现有的频谱管理与分配策略是造成频谱资源紧缺的重要原因之一。现有频谱管理机构主要采用固定分配频谱的方法，将无线频谱分配给不同的无线通信系统，即将某一无线频谱块固定指派给某一特定的无线接入网络，这些频谱块大小固定，相互之间间隔一定大小的保护频段，分配给具有执照资格的不同运营商使用到一定的期限，期满后再重新指派。固定分配方式下频谱管理非常简单，但是整体的频谱利用率却相对低下，不适应无线多媒体应用的高速发展。
从文献[5-7]及上图可以看到，在采用固定方式划分的频谱当中，某些频带在大部分时间未被占用，还有些频带只有部分频率被占用，而剩下的频带却被过负载使用，前两类低效利用的频谱被称之为频谱洞(spectrum
hole)。文献[5]对频谱洞的定义为：在管理机构指派给主用户(primary
user)的频谱中，某时某地未被主用户使用的频率。在不对主用户系统产生不可忍受干扰的前提下，允许未授权(unlicensed)系统中的次用户(secondary
user)利用频谱洞进行接入和通信。认知无线电技术使得上述对频谱洞的二次利用(secondary
use)成为可能，由此被认为是解决无线频谱紧缺问题的方法之一。认知无线电系统的用户具有感知周围环境的能力，通过感知周围的频谱使用情况，检测主用户是否占用或释放频谱洞，可以智能地调整接入的频谱范围，在不对主用户系统产生不可忍受干扰的前提下，使用原来低效利用的频谱资源，从而使得整体的频谱利用率得到提高。
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1.2
国内外研究现状
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认知无线电(Cognitive
Radio)这个术语首先是
Joseph
Mitola
在软件无线电概念的基础上提出的。1999
年
Mitola
在他的博士论文中描述了一个认知无线电系统，通过无线知识描述语言(RKRL)来加强个人无线服务的灵活性，对认知无线电进行扩展，并给出了令人感兴趣的跨学科的认知无线电的概念总结。美国联邦通信委员会(FCC)2002
年发布的频谱政策特别工作组(SPTF)报告，对频谱资源的使用政策具有深远的影响。报告设定了认知无线电工作组，并于
2003
年
5
月在华盛顿成立，随后在
2004
年
3
月在美国拉斯维加斯召开了一个认知无线电的学术会议，标志着认知无线电技术正式起步。学术界也行动起来，著名通信理论专家Simon
Hakin
在2005年2月JSAC
in
Communications
上发表了关于认知无线电的综述性文章“Cognitive
radio:brain-empowered
wireless
communications”，开始了国际性的认知无线电技术研究。随后
Berkeley、Virginia、Stevens等大学研究所和软件无线电(SDR)
论坛等研究组织纷纷展开研究，Rutgers
大学
Winlab实验室进行了认知无线电平台的开发。Berkeley
大学提出了一种认知无线电网络层次结构，考虑了结构底下两层与普通的开放系统互连(OSI)模型的不同之处。美国国防部(DARPA)的
XG
计划将研制以认知无线电为核心的系统方法和关键技术，以实现动态频谱接入和共享。XG
称其论证的频谱效率可使目前的频谱利用率提高
10～20
倍。Intel、Qualcomm、Philips、Nokia
等公司也已经开始着手进行民用认知无线电系统技术的研究。近两年国际上召开了两个重要的有关认知无线电技术和动态信道分配的会议，分别是：2004
年
10
月份在
Washington
召开的“Cognitive
Radios
Conference”，会议的主要议题包括：紧急的商业和军事需求和机会，对于认知无线电的频谱政策——军事和商业要求，从软件定义的无线电发展到认知无线电，用于自适应频谱管理的工具和技术，子系统的研发：智能天线、传感器和接收机，自适应调制和波形技术；2005
年
11
月份召开的动态频谱接入(DySPAN)会议，会议的主要议题是基于认知无线电的动态频谱分配和接入技术，会议发表了
80
多篇文章。
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近几年，国内研究机构也开始关注和跟踪该技术，包括电子科技大学，清华大学，香港科技大学及西安交通大学等。国家
863
计划基金在
2005
年首次支持了认知无线电关键技术的研究。目前的研究课题主要集中于认知无线电系统种的合作及跨层设计技术，空间信号检测和分析及
QoS
保证机制等，涉及实验平台上的研究较少，还没有成熟的平台可供实际测试和验证。
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1.3
本文主要工作
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本文主要研究基于
GNU
Radio
和
USRP
实现的认知无线电实验平台，实现认知无线电中关键的两部分功能：频谱检测和动态接入。Gnuradio
和
USRP
是基于
PC
的一套开源的软件无线电开发平台，这个平台能快速灵活的设计出终端原型。本文介绍了
GNURadio
的实现方式和编程原理；介绍了与作为配套硬件的
USRP
的结构组成和功能；并着重对认知无线电功能在这个平台上的实现进行了研究,主要实现的研究目标有：
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（1）实现大范围的频谱的能量检测，检测出空闲的频段并作统计决策。
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（2）实现对干扰信号能量的快速检测和反应。
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（3）具有灵活快速的动态接入功能，实现动态接入和传输的物理层方法。
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（4）设计
MAC
层、网络层及应用层的实现方法。
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（5）研究演示系统，并最终测试验证性能。
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1.4
论文结构
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论文在对认知无线电的相关理论和技术进行深入了解和研究的基础上，基于
GNU
Radio
和
USRP
设计了一个认知无线电平台。论文的组织思路是：首先介绍国内外认知无线电术的发展状况，分析认知无线电的基本理论，介绍
GNU
Radio
和
USRP
的结构和原理，然后提出一种频谱检测和动态接入的设计和实现认知无线电网络，并在网络内传输实时视频验证演示，最后分析了系统的性能和待改进之处。
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论文的章节安排如下：
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第一章，结合国内外认知无线电研究动态和发展趋势，简要地介绍了论文的选题意义和主要从事的研究工作。
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第二章，结合无线电发展背景介绍软件无线电和认知无线电等方面背景理论知识。
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第三章，介绍
GNU
Radio
和
USRP，对其软件和硬件技术进行了详细的描述。并提出了基于该平台设计的认知无线电平台的基本框架。
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第四章，介绍了频谱检测的方法和原理，设计了频谱能量检测的方法。
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第五章，详细描述了动态接入和传输的基本原理和实现过程。设计了物理层、MAC层、网络层及应用层的实现方法。
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?
第六章，给出了平台演示系统实现的方法，并测试了平台的性能，最后总结全文，提出了待改进之处及其改进思路。
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1.5
本章小结
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本章主要先介绍了论文的选题意义、国内外认知无线电技术研究现状，并给出了主要从事的研究工作，最后介绍了论文的组织结构。
第二章
认知无线电背景
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2.1
无线电平台发展背景
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在第一章中，我们已经列举了认知无线电在各个研究领域的几种专业定义与内涵，那么，认知无线电与传统无线电以及软件无线电之间又有着什么样的关系与区别呢？
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传统的模拟无线电系统，其射频部分、上
/下变频、滤波及基带处理全部采用模拟方式。一个频段、一种调制方式的无线系统都对应一种硬件结构，很难随着不断发展的技术更新而做出跟进的改变。而软件无线电思想是
20
世纪
90
年代以后逐渐兴起的一种全新的设计思想，其核心是在通用的硬件平台上加载不同的通信软件，以实现不同的通信方式间的转换。这种全新的设计思想将极大的缩短通信系统开发的时间和成本。它的基本思想是将宽带的
A/D转换器尽可能地靠近射频天线，即尽可能早地将接收到的模拟信号转化为数字信号，在最大程度上通过
DSP
软件来实现通信系统的各种功能[8,
9]。
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软件无线电将无线设备中原来由硬件实现的功能改由软件实现，通过改变软件就能改变无线设备的功能。但是功能变化必须由外部进行控制，无线设备自身并不能根据需求主动地改变功能[8]。
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根据电子与电气工程师协会(IEEE)的定义，一个无线电设备可以称为
SDR
的基本前提是：部分或者全部基带或
RF
信号处理通过使用数字信号处理软件完成。这些软件可以在出厂后修改。因此，SDR
关注的是无线电系统信号处理的实现方式[8]。
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?
认知无线电技术是一种由软件无线电技术发展而来的无线通信技术。认知无线电在软件无线电的基础上，采用了随时变化的通讯协议的技术，同时增加了一个新的元素——依靠人工智能的支持，能够感知其所在的环境以及所处位置，并在此基础上改变其功率、频率、调制以及一些其它的参数以求更高的频带利用率，即确定绕过障碍的最佳传输路径。从这个意义上讲，认知无线电是更高层的概念，不仅包括信号处理，还包括根据相应的任务、政策、
规则和目标进行推理和规划的高层功能。正是这种对外界环境的自适应能力，使得认知无线电成为实现动态频谱分配的一种主流方案[10]。
?
?
总结上述三者之间的异同所在，可以看到，认知无线电具有下面两个主要特征：
?
?
（1）认知
?
?
认知能力使
CR
能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息，从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源(也称为频谱空洞)，并选择最适当的频谱和工作参数。这一任务通常包括
3
个主要的步骤：频谱感知、频谱分析和频谱判决。频谱感知的主要功能是监测可用频段，检测频谱空洞；频谱分析估计频谱感知获取的频谱空洞的特性；频谱判决根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据。
?
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（2）重构
?
?
重构能力使得
CR
设备可以根据无线环境动态编程，从而允许
CR
设备采用不同的无线传输技术收发数据。可以重构的参数包括：工作频率、调制方式、发射功率和通信协议等。重构的核心思想是在不对频谱授权用户(LU)产生有害干扰的前提下，利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。一旦该频段被
LU
使用，CR
有两种应对方式：一是切换到其它空闲频段通信；二是继续使用该频段，但改变发射统率或者调制方案避免对
LU
的有害干扰。
2.2
软件无线电基本理论
?
?
软件无线电是
Joe
Mitola
于
1991
年提出的一种无线通信新概念
,他指的是一种可重新编程或者可重构的无线电系统。也就是说，这种软件无线电在其系统硬件无需变更的情况下，可以在不同的时候根据需要通过软件加载来完成不同的功能。软件无线电概念虽然是从通信领域提出的，但这一概念一经提出就得到了包括通信、
雷达、电子战、导航、
测控、卫星载荷及民用广播电视等整个无线电工程领域的广泛关注，已成为无线电工程领域具有广泛适用性的现代方法[12]。
?
?
传统的无线电系统只能完成一项专属的任务，比如接收电视信号、AM/FM
广播信号，或者进行无线通信比如
wifi
或者
GSM
通信。每一种无线电系统有其专属的无线制式，包括载频、调制解调方式和功率等。不同的无线电系统间有不同的无线波形，不同的调解方式，不同的纠错方式，它们之间不能够相互通信。一种可以通过软件就可以改变无线制式，而适应不同的通信制式的新型无线电系统出现了，这就是软件无线电。传统的无线电系统的物理层和数据链路层是由硬件实现的，当其设计完成后就不能改变了，而软件无线电系统的物理层和数据链路层能够由软件控制改变，在物理层调制解调的信号能由软件控制，只有少部分由不可编程硬件实现。数据链路层更是完全可有软件控制，差错控制和媒体介入协议可以根据要求任意改变。如图
2-1
所示：
经过近
20
年的推广和全世界范围的深入研究
,软件无线电概念不仅得到了普遍认可
,而且已获得广泛应用;尤其是近几年
,软件无线电的发展势头更猛
,已触动到无线电工程的每一个角落:从
3G
到
4G,从美军的
MBMMR(多频段多模式电台
)到
JTRS
(联合战术无线电系统
)都是以软件无线电概念进行设计、开发的，除了军用外，民用或者科研领域，出现了
sandbridge
SDRcommunication
platform,
the
virtual
radio
和
GNU
Radio。
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理想的软件无线电结构如图
2-2
所示
,其主要特点是尽可能地减少模拟处理环节。在接收端，信号由
RF
前端接收，然后由
ADC
将模拟信号转化为数字信号，然后通过可编程器件的计算和处理亦即软件无线电代码的作用转为信息。在发射端数字信号由软件无线电代码计算处理生成，然后由
DAC
将数字信号转化为模拟信号经由
RF
前端发射出去。
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如图
2-2
所示的软件无线电结构适用于无线电工程的任何领域
,如:通信、雷达、电子战、
测控等。因为
,该硬件结构与所要完成的功能无关
,它所完成的功能主要取决于软件无线电代码。这也是之所以称其为“软件
”
无线电的原因所在。
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一个理想的软件无线电硬件能接收和发送所有频率和任意制式的无线电。但是以现在的技术能力实现是有相当难度的。首先，根据奈奎斯特采样定理，该软件无线电的工作带宽有多宽，其
AD
采样至少是带宽的两倍，比如:对于工作在
2～2
000MHz
的
JTRS电台
,其采样频率至少是
4
GHz，考虑到滤波器矩形系数，采样频率需要超过
5GHz，如此高的采样速率在高分辨率情况下至少在目前是难以实现的；其次，高的采样速率对ADC
后续的信号处理
(
FPG
A
/DSP)也提出了非常高的要求，大大提高了信号处理部分的实现难度；最后，随着电磁环境的复杂化，过宽的瞬时处理带宽将导致对动态范围的过高要求，无论是高增益的
LNA
还是高速
ADC，其动态范围都将无法满足实际需求。
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针对理想软件无线电结构实际实现时存在的问题
,作者对软件无线电结构进行了分类,提出了软件无线电的三种基本结构[
13]:基于低通采样的软件无线电结构、
基于带通采样的宽带中频软件无线电结构和基于射频直接带通采样的软件无线电结构。
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经过十几年全世界范围的广泛研究
,软件无线电得到了快速的发展
,特别是软件无线电以硬件为核心到以软件为核心的设计理念的转变已渗透到无线电工程的各个领域
,并将继续深刻影响和引领无线电工程的未来发展。尤其是认知无线电的提出
,将为软件无线电带来新的发展机遇和发展空间[14]。
2.3
认知软件无线电基本理论
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?
认知无线电最早是由
Joseph
Mitola
博士在
1999
年提出的[15]。他描述了认知无线电怎样通过一种“无线电知识描述语言”（RKRL）的新语言来提高个人无线业务的灵活性。但是随着无线电技术的高速发展，到现在，认知无线电的研究和应用已经不局限在最早的范畴当中。在各个方向、领域的研究人员从各自的角度提出了认知无线电的定义和内涵。
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（1）Mitola
的初始定义
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Mitola在
2000
年瑞典皇家科学院的博士论文答辩中，提出了这样的观点。他认为：“认知无线电这个术语确定了这样一个观点，在无线资源和相关的计算机与计算机之间通信方面，无线个人数字助理(Personal
DigitalAssistant，PDA)和相关的网络具有足够的计算智能，包括检测用户的通信需求作为使用环境的函数以及提供最符合这些需求的无线资源和服务。”
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为了实现认知无线电与外界环境良好的交互功能，Joseph
Mitola
博士在论文中提出了认知环的思想，如图
2-3
所示。
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外界激励作为一种干扰进入认知无线电系统，并被分配到认知环中等待响应。认知无线电系统不断地经历观察（observe），定位(orient)，计划(plan)，决定(decide)与执行(act)五种状态。其中每种状态都要涉及到人工智能学习(learn)。
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在观察阶段，认知无线电也通过读取测位、温度等传感器来推断用户的前后通信环境。认知无线电可通过决定外界刺激的优先级来对自己进行定位，比如，动力故障能够直接引起执行阶段的反应，在图中是以“立即”表示。通常情况下，认知无线电会对输入信息产生计划，在图中是以“正常”表示。在判决阶段，认知无线电在将从候选计划中做出最合适的选择，在执行阶段触动选中的程序。学习以观察和决定阶段的功能函数，比如，将目前和先前的内部状态与期望值进行比较，认知无线电就能够知道现在通信模型的有效性。
（2）Simon
Haykin
从信号处理角度提出的定义
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SimonHaykin
教授结合
Mitola
博士对认知无线电的解释，在一篇名为“ConitiveRadio：Brain-Empowered
WirelessCommunications”的文章里，给出了认知无线电一种新的定义：“认知无线电是一个智能无线通信系统。它能够感知外界环境，并使用人工智能技术从环境中学习，通过实时改变某些操作参数(比如传输功率、载波频率和调制技术等)，使其内部状态适应接收到的无线信号的统计性变化，从而实现在任何时间任何地点的高度可靠通信以及对频谱资源的有效利用”。图
2-4
是基于
Simon
Haykin理论上的认知环结构：
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主要包括了三部分的内容：
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a.无线频谱探测；
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b.信道状态估计与预测；
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c.发射功率控制与频谱管理。
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（3）美国联邦通信委员会
FCC
从频谱管理角度提出的定义
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现在由于通信系统对频谱资源需求的不断地增加，频谱资源利用日益明显。美国联邦通信委员会充分注意到这一点情况，开始重新思考新的频谱资源管理政策，并在
2003年
5
月的认知无线电研讨会上，讨论了利用认知无线电技术实现灵活频谱利用的相关技术问题。
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FCC对认知无线电做出了相对狭隘的一个定义：“认知无线电是指能够通过与工作环境的交互，改变发射机参数的无线电设备。认知无线电的主体可能是软件定义无线电(Software
Defined
Radio，SDR)，但既没有软件也没有现场可编程的要求。”
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FCC认为，实现认知无线电需要高度的灵活性来适应快变的信道质量和干扰环境。在报告中，FCC
进一步描述了认知无线电五种可能应用领域：
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a.在低人口密度和低频谱使用率（如郊区）的区域可以增加发射功率
8dB；
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b.主用户可以中断的方式向认知无线电用户出租频谱；
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c.利用用户的空间和时间特性动态协调频谱共享；
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?
d.促进不同系统间的互操作；
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?
e.利用发射功率控制和环境判决实现多跳射频网络(multi-hop
RF
network)。
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?综合比较三种定义可以得知：Mitola的认知概念与现在的技术水平要求相距比较大；FCC
仅仅是从充分利用频谱的角度引入认知无线电；而
Simon
Haykin
教授的定义较好地整合了数字信号处理、网络、人工智能和计算机硬件实现等多方面的内容，提出的认知模型也能较好地反映认知无线电的概念和内涵。
?
?
2.4
本章小结
?
?
结合无线电平台的发展背景介绍软件无线电和认知无线电等方面背景理论知识。介绍了基于软件无线电的认知无线电平台的基本结构和原理。
第三章
基于
GNU
Radio
和
USRP
的认知无线电平台
?
?
?
?
3.1
选择
GNU
Radio
和
USRP
作为实验平台的原因
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?
广义上的软件无线电分为三类：
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?
（1）将多种不同制式的设备集成在一起，例如
GSM-CDMA
双模手机。这方式只能在预置的几种制式下切换，要增加对新的制式的支持则意味着集成更多的电路，重配置能力十分有限。
?
?
（2）基于现场可编程门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP），这类可编程硬件，重配置的能力得到了很大提高。但是用于
FPGA
的
VERILOG、VHDL
等语言以及DSP
的汇编语言都是针对特定厂商的产品，使得这种方式下的软件过分依赖于具体的硬件，可移植性较差。此外，对广大技术人员来说，
FPGA
和
DSP
开发的门槛依然较高，开发过程也相对比较繁琐。
?
?
（3）第三类软件无线电设备采用通用硬件（例如：商用服务器、普通
PC
以及嵌入式系统）作为信号处理软件的平台，具有以下几方面的优势：
纯软件的信号处理具有很大的灵活性；
可采用通用的高级语言（如
C/C++）进行软件开发，扩展性和可移植性强，开发周期短；基于通用硬件的平台，成本较低，并可享受计算机技术进步带来的各种优势[13]。
?
?
?
?GNURadio
是一个开源的可以构建软件无线电平台的软件包。它是由
Eric
Blossom发起的、完全开放的软件无线电项目，旨在鼓励全球技术人员在这一领域协作与创新，目前已经具有一定的影响力。GNU
Radio
主要基于
Linux
操作系统，
也可以移植到其他操作系统上，
采用
C++结合
Python
脚本语言进行编程，其代码完全开放[18]。
?
?
?USRP，即
Universal
Software
RadioPeripheral
通用软件无线电平台，是
Matt
Ettus的杰作，它是一个开源的低价格的专门为
GNU
Radio
设计的硬件平台。USRP
是一个非常灵活的
USB
设备，它把
PC
连接到
RF
世界，可以在
0-5.9G
载频上实现最高
16M
的带宽信号收发。[19]
?
?
基于
GNU
Radio
和
USRP
的软件无线电平台正是属于第三类的软件无线电系统，它除了具有第三类软件无线电系统的优点外，还具有如下优势：
?
?
（1）成本较低。软件免费，USRP
的价格为
700
美元，相当于一台
PC
的价格；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。
?
?
（2）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。
?
?
（3）开源软件，获得来自全世界众多
GNU
RADIO
拥护者以及
Eric
Blossom
和Matt
Ettu（分别是
GNU
RADIO
和
USRP
的发明者）本人的技术支持[12]。
?
?
?GNU
Radios
和USRP
的功能是将信息和无线射频信号互相转化，其过程以及各部分功能如图
3-1，信息流图。
3.2
GNU
Radio
软件无线电介绍
?
?
?
?
3.2.1
GNU
Radio
概述
?
?
在当今无线电领域中，由
Eric
Blossom
发起的、完全开放的软件无线电项目
GNURadio
倍受关注。GNU
Radio
是一个开源、免费的可以构建软件无线电平台的软件包。这是一种能运行于普通
PC
上的开放的软件无线电平台，其软件代码完全公开。它具备智能处理信号、拥有可重配置无线电硬件设备的特点。基于该平台，用户能够以软件编程的方式灵活地构建各种无线应用，进而很好地实现认知无线电的认知任务[13]。
?
?
?
?NURadio
旨在鼓励全球技术人员在这一领域协作与创新，目前已经具有一定的影响力。GNU
Radio
可以被理解为开源软件的自由精神在无线领域的延伸，开放性和低成本是其最大的特点。低成本使得技术人员以及资金不那么充裕的机构可以像购买
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、无线工程师、业余无线电爱好者，正是这些人推动了新技术的发展进步。
?
?
?
?
GNURadio
的开放特性也是其具有广泛吸引力的重要因素，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、成果可以得到充分的交流共享，更有益于创新。
?
?
?
?
3.2.2
GNU
Radio
的软件结构
?
?
?
?GNURadio
提供一个信号处理模块的库，这个库包含多种调制模式（GMSK、
PSK、QAM、OFDM
等），多种纠错编码（Reed-Solomon、Viterbi、Turbo
Codes
等），多种信号处理结构（任意滤波器、FFT、量化器等），并且有个机制可以把单个的处理模块连接在一起形成一个系统。编程者通过建立一个流向图（flow
graph）就能搭建成一个无线电系统。
?
?
?
?
GNURadio
的编程基于
Python
脚本语言和
C++的混合方式。C++由于具有较高的执行效率，被用于编写各种信号处理模块，如：滤波器、FFT
变换、调制/解调器、信道编译码模块等，GNU
Radio
中称这种模块为
block。GNU
Radio
提供了超过
100
个的信号处理块，并且扩展新的处理模块也是非常容易的。
?
?
?
?
Python是一种新型的脚本语言，具有无须编译、语法简单以及完全面向对象的特点，因此被用来编写连接各个
block
成为完整的信号处理流程的脚本，GNU
Radio
中称其为flow
graph
流向图。这是一个相当强大的语言，新的
libraries
和功能经常被加进来。在某种程度上看，GNU
Radio
用一个实时有效的信号处理库来扩展
Python。结合这些库，我们将拥有大量的功能。比如说，结合
GNU
Radio
和
SCIPY(Python
科学计算库)，可以实时记录
RF
信号，并且可以离线做大量的数学操作，保存统计数字到一个数据库当中，等等。结合这些库，不用使用
MATLAT
这样的软件都可以实现了。
?
?
编程者通过建立一个流向图（flow
graph），如下图
3.1
所示，就能搭建一个无线电系统。形象地说，flow
graph
就像一块电路板，在
flow
graph
基础上的
blocks
就如电路板上的电路模块，而我们需要做的就是如何将这些模块很好地连接起来。
?
?
如上图所示，信号数据流不停的从信号处理模块的输入端口流入，再从相应信号处理模块的输出端口流出。信号处理块
(blocks)的属性包括输入和输出的端口数以及流过端口的数据的类型，经常使用的数据流的类型是短整型(short)，浮点型(float)，和复数（complex）类型。一些处理模块仅仅有输入端口或者输出端口，它们分别成为信号源(data
source)和信号接收器(data
sink)。有的信号源从文件或者
ADC
读入数据，信号接收器把数据写入文件或者
DAC、PC
的多媒体接口。
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信号处理模块不仅能处理输入和输出的采样速率是整数倍关系的同步模块，也能处理异步模块。同步模块通常继承自
gr_sync_block(输入输出
1:1
的采样比)或者gr_sync_interpolator
(1:N)或者
gr_sync_decimator
(N:1)。异步模块通常直接继承自
gr模块。当模块已经实现，Python
通过把各个模块的输入输出连接在一起形成信号流图，在
main
class
上把它们连接起来，这样即可运行了。
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在用户用
block
和
graph
构造的应用程序下面是
GNU
Radio
的运行支持环境，主要包括缓存管理、线程调度以及硬件驱动。GNU
Radio
中巧妙地设计了一套零拷贝循环缓存机制，保证数据在
block
之间高效的流动。在运行着的
GNU
Radio
实例中，GNU
Radio
通过其特有的线程调度控制模块和模块之间的数据流采样速率。除此之外还需要
forecast()的辅助，它由编程者告诉线程调度一个模块需要多少种输入采样速率来产生需要数量的输出采样速率。
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实际信号处理是在函数
general_work()或者
resp.work()中实现。这些函数被线程调度调用并被赋予若干个输入采样速率，然后进行信号处理并返回输入采样处理量和输出采样的产生量。
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GNURadio
也处理数据的缓存。信号处理模块通常以它们被输入的速率来处理，但有时候因为
CPU
的处理速率或者其它因素，数据处理的速度不够快，就需要缓存（buffer）来缓冲。这就要求编程者要注意：当数据传送的速率大于处理速度时，有些缓存有可能会溢出并导致数据丢失；而当数据传送速率小于处理速度时，缓存经常是空的，有可能会产生脉冲。
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?GNURadio
除了支持
Linux
的多种发行版本外，还可移植到
Mac
OS
X
、NetBSD以及
Windows
等操作系统。
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3.3
USRP
介绍
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3.3.1
认知无线电对硬件平台的要求
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从第二章
Simon
Haykin
教授对认知无线电的理解中，可以看到，认知无线电系统对硬件方面有如下的要求：
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（1）对多个频带信道进行监测
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认知无线系统的收发器为了能够工作于不同的频段和提供宽带频谱感知能力，收发器的前端要能够调谐到大频谱范围内的任意频带，由此必须选用宽带天线。同时，根据电波传播条件设计天线，使之具有一定的极化或方向图分集控制能力。由于认知无线电能工作在不同的频段，对
A/D
转换器的要求也比较高，这就要求射频前端
A/D
转换器具有宽带、高频、高精度、高采样率、高分辨率、大动态范围的特性。
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（2）具有一定的人工智能
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认知无线电先对环境进行感知，再进行学习，最后达到决策，这过程是通过大量的算法实现的。因此，硬件平台应该具有运行和实现这些算法的载体，比如说
DSP，FPGA等，并且要对这些算法进行调度和控制。
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（3）容易升级和扩展
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认知无线电要求需要对多种频段进行支持，而各个频段的调制方式、数据传输数率、传输协议等都不同，这就要求该硬件平台能根据不同的实际情况，进行重新配置；另外，由于目前认知无线电的各种算法并不是很成熟，处于研究阶段，为了便于以后的系统升级，要求硬件平台可以重新配置，具备良好的扩展能力，如可以提供更多各类的接口等。
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3.3.2
USRP
硬件结构分析
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由Matt
Ettus发明的硬件系统USRP
射频前端是GNU
Radio最重要的硬件“伙伴”
，这个非常灵活的
USB
设备可以把我们的
PC
连接到
RF
世界。与
GNU
Radio
软件相同，USRP
也是完全开放的，其所有的电路、设计文档和
FPGA
代码均可从
Ettus
Research的站下载。它具有低成本、高效率等特点，是
GNU
Radio
使用者的最佳选择。基于GNU
Radio
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。
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简易来说，USRP
就是一个集成电路板，它由一块主板和最多四块子板构成。USRP包含母板和前端子板。母板包含
4
个
12bit
/64M
抽样率的
ADC，4
个
14bit/128M
DAC,一个百万门的
FPGA
芯片
Altera
Cyclone
EP1C12
FPGA10
和一个可编程的
USB2.0
控制器，母板完成信号从模拟到数字的转换、基带信号的生成、与
PC
的通信的功能，它处理的是数字基带和中频信号。每个
USRP
母板支持
4
个子板，2
个接收，2
个发射。RF前端是实现在子板上的，不同的子板处理不同的频率带宽。现在可以覆盖从
DC
到5.9GHz
频段的信号。子板主要在中频上完成初步的滤波和信号混叠。
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主板上面包含了
AD/DA
转换器以及
FPGA，主要完成中频采样以及中频信号到基带信号之间的互相转换。而子板主要是负责处理不同频带的射频信号，并进行射频、中频信号之间的转换。所有硬件部分的相关特性都是极为重要的，它们会很大作用地影响无线电设计、软件编程，使用时必须严格按照这些硬件的约束条件和要求来进行操作。
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下面将分别介绍
USRP
各部件的相关功能：
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（1）AD/DA
转换器
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USRP采用两块
Analog
Device
的
AD9862
芯片，这是美国模拟器件公司设计的、适合无线宽带通信应用的高性能混合信号前端。每块可提供两路
12bit、64M
Sample/s
的AD
变换和两路
14bit、128M
Sample/s
的
DA
变换。那么一块主板可提供
4
路模拟数字信号转换器（ADC）和
4
路的数字模拟信号转换器（DAC），也即收/发各两路的复采样。因此，从理论上讲，如果我们用实时采样的话，有四个输入、输出通道。然而，如果我们用复数（IQ）采样会更有灵活性。我们需要进行配对，因此可得到两组复数输入和两组复数输出。
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?AD9862的接收路径包括用在基带或低中频（IF）上接收多种数据或正交（I&Q）数据的两个高性能
ADC、输入缓冲器、接收端可编程增益放大器（RxPGA）和抽取滤波器。AD9862
还包含一个可编程的延迟锁定环路（DLL）时钟倍频器与集成定时电路（允许使用单个基准时钟）、辅助
ADC
和
DAC（用于对接收信号强度指示进行监视和控制）、温度传感器及增益与失调调整电路。
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?AD9862的发送路径允许接受多种数据格式并且包括两个高性能
DAC、发送端可编程增益放大器（TxPGA）、2
倍或
4
倍内插滤波器、一个希尔伯特（Hilbert）数字滤波器和用于复合或真实信号上变频的数字混频器。这些特点使系统结构从本质上减少了重构和抗混叠滤波要求。
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注意到在
RX
板和
TX
板上的
PGA
都是可编程的，也就是说可以通过
GNU
Radio调用
USRP
的相关函数来定义的。
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（2）FPGA
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明白
FPGA
的作用对
GNU
Radio
的使用者来说是最重要的。USRP
采用一块型号为EP1C12
PQ240
的
FPGA，等效门数为
65
万门。它就像一个小的，高性能的并行计算机一样，可以完成所需的设计任务。设计
FPGA
需要一些技能，并且如果不慎还会烧坏硬件电路板。这里
USRP
的设计者提供了一个标准的适应性很广的
FPGA
配置。使用者在应用过程中不需做过多改动。
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所有
ADC
和
DAC
都是连接到
FPGA
上，这块
FPGA
扮演的是主角，它要进行高带宽数学处理并降低数据速率以便数据能通过
USB
传到
PC
上处理。在接收通道上，FPGA
对
ADC
采进来的数字信号进行数字下变频
DDC，并通过层叠梳状滤波器
CIC
对数据进行可变速率的抽取。在发送通道上，原理是相同的，只不过要反过来进行。因为数字上变频
DUC
是在
AD9862
里进行的，FPGA
对数据进行的是梳状内插。
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因为
FPGA
可以并行处理数据，所以
USRP
能实现全双工数据处理，在这种模式下，接收和发送两路是完全互相独立的。唯一需要注意的是收发复合的速率不能超32MByte/s。
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FPGA的两个主要功能：将
ADC
采来的中频信号进行数字下变频
（DDC）
变换到基带，并通过层叠梳状滤波器
CIC
对采样值进行可变速率的抽取以符合用户对信号带宽的要求。FPGA
包含有四个
DDC，每个
DDC
有
I
和
Q
两个输入口。ADC
的每一个输出都会被连接到四个
DDC
当中的一个
I
或者
Q
端口当中。这是由
MUX
来决定的。如下图所示，MUX
就像一个路由或者电路交换器，它决定哪个
ADC
输出连到哪个
DDC的输入端，这可以用
USRP
中的内部函数进行控制。
DDC能实现两个作用：首先，它把中频信号下变频到基带信号。其次，对信号抽取使信号速率能被?USB2.0?采用，并与?PC?的运算能力匹配。其结构图见图?3.5：
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抽取器可认为是一个低通滤波器，后面紧接一个下采样器。假设抽取倍数是?N。如果我们看数字频谱，低通滤波器选出[-π/N，π/N]的频带，然后下采样器把频谱扩展到[-π，π]。扩展后的频谱成分与原来的频谱成分在[-π/N，π/N]是一一对应的，或者说前者可以准确地表示后者在[-π/N，π/N]的频率分量。所以，这时对扩展后的频谱进行处理等同于对原来信号频谱的处理，但前者的数据流率只有后者的?N?分之一，大大降低了对之后信号处理（解调分析等）速度的要求。
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抽取之后的数据都是以?16?位有符号整数的?I/Q?信号形式通过?USB2.0?接口的，结果形成通过?USB2.0?的?8M
Sample/s?的复数采样速率（参见下文有关?USB2.0?的说明）。
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数字下变频之后，产生的?IQ?信号通过?USB?接口进入?PC，接下来就是软件编程的世界。
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在发送路径，情况则是相反的。我们需要发送一个基带?IQ?信号到?USRP?板上。数字上变频器（DUC）会对信号进行修正，通过内插上变频到中频，最后发送到?DAC?进行模数转换。下来的工作交由子板完成，形成?RF?信号进行发送。
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(3)前端子板
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在母版上有四个插槽，总共能够被两个接收子板和两个发送子板使用，或者供两个收发子板使用。子板提供RF?接收接口或者调谐器和发送器。这就允许在使用实采样时，每个子板能使用两个独立的?RF?和天线。如果使用复采样，每个子板能使用一个?RF?和天线。通常，每个子板都有两个?SMA?连接口供输入或者输出使用。子板上有一个?I2C的?EEPROM?以便储存子板的标识信息和一些校准信息比如：直流偏置值和?IQ?误差，当子板插到母板上时能够被系统正确识别。
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子板有多种类型，分别覆盖不同的射频范围，且具有不同的收、发功能。目前有下面几种子板：
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BasicTX、Basic
RX：这两种子卡没有中频?IF?与射频?RF?间的频谱变换，仅仅提供主板上中频信号与天线间的接口。尽管如此，?由于?ADC?和?DAC?可进行带通采样，仍然可支持?2MHz～200MHz?的载频；
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TVRX：可覆盖?500MHz～800MHz?广播电视频段的接收子卡；
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DBSRX：可覆盖?800MHz～2.4G?的接受子卡；
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RFX400、RFX900、RFX1200、RFX1800、RFX2400：这些子卡均为支持双工，可分别覆盖400～500MHz、800～1000
MHz、1150～1450
MHz、1.5～2.1
GHz、2.3～2.9GHz频段。由于其通用性，使用较多。本实验平台一般使用?RFX400、RFX2400。
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图?3-8?为?RFX400?子板，可以看到在子板上有两个接口，可用来连接输入、输出信号。
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(4)USB2.0
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USRP采用?USB2.0?接口与?PC?连接。最高达到?32M
Byte/s?的数据传输速率。如果AD?和?DA?分别采用?12Bit和?14Bit?的采样精度，那么每个实采样点占用?2Bytes，每个复采样点占用?4Bytes。如果以一路复数采用进行单收或单发，则最高可达到?32M/4=8M复采样每秒，即最高发送或接收?8MHz?带宽的信号。如果用?8bit?采样，则最高可收、发16MHz?带宽的信号。ADC?和?DAC?始终分别以?64M?和?128M?的速率进行采样，用户实际获得的采样速率是通过设置抽值率或插值率得到的。
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USB支持三种传输方式：命令、bulk?读写、同步传输。在这里我们使用命令包配置USRP、装入固件和?FPGA的?bitstream；使用?bulk?读写或者同步传输传送?FPGA?与?PC之间的数据。
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从图?3-9?可知，以数据接收过程为例，从射频?RF?端到模拟基带信号到数字系带信号再到?PC?传输，整个流程转换过程。可见?GNU
Radio?和?USRP?可以处理无线信号并具有极强的可重构能力。
3.4
GNU
Radio
和
USRP
应用举例
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经过几年的发展，各地的研究者和爱好者已经发展了多种应用，下面对一些典型应用做一个简单介绍。
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（1）由意大利
PISA
大学研究的
DVB-T
实时接收播放播放系统，使用一个单核奔腾
3.0G
CPU
处
理
。
这
个
模
块
将
很
快
集
成
到
GNU
Radio
中
。
详
细
信
息
见
http:///discuss-gnuradio@gnu.org/msg11639.html
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（2）弗吉尼亚理工大学的
CWT
研究所使用
GNU
Radio
和
USRP
实现
SmartRadio认知无线电项目，这个项目是为了在灾后能迅速发现周围的无线电通信信号，并与之通信
，
其
获
得
SDR
Forum
Smart
Radio
Challenge
2007的
金
奖
。
详
细
信
息
见
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对USRP射频无线电的研究 本文关键词：射频，无线电，研究，USRP
对USRP射频无线电的研究 来源：网络整理
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对USRP射频无线电的研究》由：
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