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前言

使用 GNU Radio Companion 驱动 USRP N320 实现 OFDM 自收自发测试。（Ubuntu20.04LTS + GNURadio 3.8 + UHD 3.15）

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一、发送端

该模块由随机数信号源、CRC、符号映射器、FFT、循环前缀加法器、放大器组成。主要目标是传输随机信号，根据调制方式的选择对有效载荷进行重新包装。选择的调制是 QPSK，所以 2 位被重新打包在一起。然后将有效载荷和报头分别映射到 QPSK 和 BPSK 的复星座矢量中。OFDM 载波分配器分配占用载波、导频载波、导频符号和同步字。FFT(Reverse)或 IFFT采用复数值向量并计算 IFFT 它表示输出。循环前缀以 OFDM 符号作为其输入，从而产生具有循环前缀的输出符号。

1、参数配置

1）Random Source

Random Source:

• 生成一些 [min, max] 随机数的样本，这意味着最大值将不包括在内。如果指定重复样品。用于创建用于测试调制器的信息字节。
• • 输出类型是 “字节”，取值范围 0~255，输出中生成的样本总数为 1000，指定生成重复样品

2）stream to Tagged stream

①、变量：packet_len

②、stream to Tagged stream

• 将普通流转换为标记流。这个块所做的就是按一定的间隔添加长度标签。它可用于将常规流连接到gr::tagged_stream_block。这个块意味着直接连接到一个带标签的流块。
• 输出类型为 “字节”，每个带标签的流数据包的长度为 1 包。

3）Stream CRC32

①、变量：length_tag_key

②、Stream CRC32

• 字节流 CRC（循环冗余校验） 块
• Stream CRC 32是一个带标签的流块，需要一个 Length tag key，因此前面加了一个 stream to Tagged stream

下面举例介绍：

CRC32 之后的数据图如下所示，CRC 已经被添加到每个分组的末尾，并且分组长度标签已经从 100 字节被更新到104 字节，其中额外的 4 个字节用干 CRC

4）Protocol Formatter

①、变量：length_tag_key

②、变量：occupied_carriers

• -26~26 范围内不包括子载波索引为 -21，-7，0，7，21

③、变量：hdr_format

• digital.header_format_ofdm(occupied_carriers, 1, length_tag_key,)
  • 用于生成 OFDM 的头部格式
    • occupied_carriers: 用于指定 OFDM 系统中被占用的载波序列。
    • 1: 用于指定 OFDM 头部的长度
    • length_tag_key: 用于指定标记头部长度的 key

header_format_ofdm C++ 实现源码如下：

header_format_ofdm::header_format_ofdm(
    const std::vector<std::vector<int>>& occupied_carriers,
    int n_syms,
    const std::string& len_key_name,
    const std::string& frame_key_name,
    const std::string& num_key_name,
    int bits_per_header_sym,
    int bits_per_payload_sym,
    bool scramble_header)
    : header_format_crc(len_key_name, num_key_name),
      d_frame_key_name(pmt::intern(frame_key_name)),
      d_occupied_carriers(occupied_carriers),
      d_bits_per_payload_sym(bits_per_payload_sym)
{
    d_header_len = 0;
    for (int i = 0; i < n_syms; i++) {
        d_header_len += occupied_carriers[i].size();
    }

    d_syms_per_set = 0;
    for (unsigned i = 0; i < d_occupied_carriers.size(); i++) {
        d_syms_per_set += d_occupied_carriers[i].size();
    }

    // Init scrambler mask
    d_scramble_mask = std::vector<uint8_t>(header_nbits(), 0);
    if (scramble_header) {
        // These are just random values which already have OK PAPR:
        gr::digital::lfsr shift_reg(0x8a, 0x6f, 7);
        for (size_t i = 0; i < header_nbytes(); i++) {
            for (int k = 0; k < bits_per_header_sym; k++) {
                d_scramble_mask[i] ^= shift_reg.next_bit() << k;
            }
        }
    }
}

④、Protocol Formatter

• 使用报头格式对象从标记的流数据包创建报头。这个块接受标记流并创建一个标头，通常用于 mac 级处理。

5）Repack Bits

①、Repack Bits

• 将输入流中的位重新打包到输出流的位上。这里没有丢失任何信息；k（每个输入的字节位数）和 l（每个输出的字节位数）的任何值（[1, 8] 内）都是允许的。在每个新输入字节上，它开始读取 LSB，并开始复制到 LSB。
• 每个输入字节的位数 (k)
  • 输入流上的相关位数
• 每个输出字节的位数 (l)
  • 输出流上的相关位数
• 长度标签键
  • 如果不为空，则这是长度标签的键。
• 字节顺序
  • 输出数据流的字节顺序（LSB 或 MSB）。
• 包对齐
  • 当提供长度标签键时，它控制输入或输出是否对齐。Repack Bits 对标记的流进行操作。在这种情况下，当 k * 输入长度 ≠ l * 输出长度时，可能会发生输入数据或输出数据变得不对齐的情况。在这种情况下，Pack Alignment 参数用于决定对齐哪个数据包。通常，Pack Alignment 设置为用于解包的输入（k=8，l < 8）和用于反转的输出。例如，假设你正在发送 8-PSK，因此在调制器之前的发送侧设置 k=8、l=3。现在假设您正在传输单个字节（8位）的数据。您的传入标记流的长度为 1（现在共 8+1=9 位，多出 1 位为标记流的长度），传出的长度为 3。但是，第三项实际上仅携带 2 位相关数据（多出来的 1 位标记流），这些位与边界不对齐。因此，您将 Pack Alignment 设置为 Input，因为输出可能不对齐。`现在假设您正在执行相反的操作：将这三项打包为完整字节。你如何解释这三个字节？如果没有这个标志，您必须假设其中有 9 个相关位，因此最终会得到 2 个字节的输出数据。但在打包的情况下，您希望输出对齐；所有输出位都必须有用。通过断言此标志，打包算法尝试执行此操作，并且在本例中假设由于我们在 8 位之后进行了对齐，因此可以丢弃第 9 位。
• 每个输入的字节位数为 8，每个输出的字节位数为 1

8PSK 星座图如下：

②、变量：occupied_carriers

③、Repack Bits

• digital.constellation_qpsk().bits_per_symbol()
  • bits_per_symbol() 函数会根据 QPSK 调制的特性来计算每个符号所携带的平均比特数，这里为 2

6）Virtual Sink

Virtual Sink:

• 用于接收和处理流图中的数据，并且在流图运行时不产生实际的输出

7）Chunks to Symbols

①、变量：header_mod

②、Chunks to Symbols

• 将数据分块转换成符号序列。被分成较小的块，然后通过调制技术转换成符号序列，以便在信道上传输。
• OFDM 头部采用 BPSK，OFDM 有效载荷采用 QPSK

8）Tagged Stream Mux

Tagged Stream Mux：

• 将多个带有标签的数据流（Tagged Stream）合并成一个数据流，输出信号具有新的长度标签，它是所有单独长度标签的总和，旧的长度标签将被丢弃。

9）OFDM Carrier Allocator

①、变量：occupied_carriers

②、变量：pilot_carriers

• 导频子载波索引设置为 -21，-7，7，21，载波索引始终使得索引 0 是 DC 载波（注意：您不应分配此载波）

③、变量：pilot_symbols

• 导频符号：1，1，1，-1

④、变量：sync_word1、sync_word2

• 同步字1：长度为 64，[0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 1.41421356, 0., -1.41421356, 0., 1.41421356, 0., -1.41421356, 0., -1.41421356, 0., -1.41421356, 0., 1.41421356, 0., -1.41421356, 0., 1.41421356, 0., -1.41421356, 0., -1.41421356, 0., -1.41421356, 0., -1.41421356, 0., 1.41421356, 0., -1.41421356, 0., 1.41421356, 0., 1.41421356, 0., 1.41421356, 0., -1.41421356, 0., 1.41421356, 0., 1.41421356, 0., 1.41421356, 0., -1.41421356, 0., 1.41421356, 0., 1.41421356, 0., 1.41421356, 0., 0., 0., 0., 0., 0.]
• 同步字2：长度为 64，[0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, -1, -1, -1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, -1, -1, 1, -1, 0, 1, -1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, -1, 0, 0, 0, 0, 0]

⑤、OFDM Carrier Allocator：

• 该模块将复杂的标量调制符号流转换为矢量，作为 OFDM 发射机中 IFFT 的输入。它还支持将导频符号放置到载波上的可能性。载波可以自由分配，如果未分配载波，则将其设置为零。这允许进行 OFDMA 类型的载波分配。

10）FFT

①、fft_len

②、FFT：

• Reverse 代表做的是 IFFT
• 进行“fft 移位”，将 DC (0 Hz) 置于中心

11）OFDM Cyclic Prefixer

①、变量：rolloff

②、OFDM Cyclic Prefixer

• 添加循环前缀并对 OFDM 符号执行脉冲整形（这里没有进行脉冲整形）
• 滚降 (%) = (滚降 (样本)/ FFT_len) * 100，这里设置为0

12）Multiply Const

Multiply Const：
将输入流乘以标量或向量常量（如果向量，则按元素）

13）Tag Gate

Tag Gate：

• 控制标签传播。使用此块可以阻止标签传播，这里阻止了标签传播。

14）USRP Sink

①、参数：address0

• 设置 USRP 发端的 IP 地址为 192.168.10.2，主时钟频率为 200MHz

②、变量：samp_rate

③、参数：carrier_freq

④、参数：tx_gain

⑤、USRP Sink

2、发送端 grc 图

1）生成 OFDM 头部和有效载荷

• “1” 处的包长度为 100 字节
• “2” 处的包长度为 6 字节
• “3” 处的包长度为 48 字节
• “4” 处的包长度为 400 字节

2）调制后组成一帧 OFDM 信息

OFDM 头部和有效载荷调制后组成一帧 OFDM 信息。

在 OFDM（正交频分复用）系统中，帧通常由头部（Header）和有效载荷（Payload）两部分组成。

• 头部（Header）： 头部是帧的开头部分，通常包含了一些元数据和控制信息，用于管理和识别帧的类型、长度、版本等信息。在头部中可能包括以下内容：
  • 帧起始标志（Frame Start）
  • 帧类型标识（Frame Type）
  • 帧长度（Frame Length）
  • 版本号（Version）
  • CRC（循环冗余校验）等校验信息
  • 其他控制信息，如信道状态、编码方式、调制方式等
• 有效载荷（Payload）： 有效载荷是帧的主要部分，包含了需要传输的实际数据。在数字通信系统中，有效载荷通常是用户数据，如音频、视频、文本等。在 OFDM 系统中，有效载荷会被分成多个符号进行调制，然后通过信道传输。

3）添加循环前缀

将上面的一帧 OFDM 信号通过载波分配器，配置好数据子载波、导频子载波、导频符号、同步字，并将 OFDM 信号通过 IFFT 调制到子载波上，并添加循环前缀。

4）经过 USRP 发送

3、发送结果

1）仿真结果

2）USRP 发射实际频谱图

• 2M*52/64 = 1,625,000Hz

二、接收端

接收机主要由 OFDM同步器、频率调制器、信号混频器、FFT 和帧采集组成。来自天线的输入信号，采取的带宽对应于包含实际数据的载波数，直接发送到同步器（Schmidl & Cox OFDM synch）。该同步器负责定时同步和频率误差校正。**频率误差校正被馈送到频率调制器，以产生与同步块的频率误差成比例的信号。然后将其与接收到的数据混合以校正错误并输入到解复用器。**解复用器一旦得到数据包的开头，就开始接收数据，并输出报头和有效载荷进行解调。

1、参数设置

1）Schmidl & Cox OFDM synch

Schmidl & Cox OFDM synch：

• Schmidl & Cox OFDM Sync 是 GNU Radio 中用于实现 OFDM（正交频分复用）系统的同步的模块之一。它的作用是对接收到的信号进行同步，以便正确解调和处理数据。
• Schmidl & Cox OFDM Sync 模块采用了一种基于循环前缀（Cyclic Prefix）的同步方法，称为 Schmidl & Cox 算法。这种方法通常包括以下步骤：
  • 信号检测： 首先，接收端需要检测到信号并确定接收到的信号是否包含 OFDM 数据。这可能涉及到自动增益控制（AGC）和能量检测等技术。
  • 同步序列检测： 然后，接收端需要在接收到的信号中找到用于同步的特定序列，通常是 OFDM 帧的循环前缀（Cyclic Prefix）。
  • 频率偏移估计： 接着，模块会估计接收信号的频率偏移，以便进行频率校正。频率偏移可能是由于发送端和接收端的本地振荡器不精确而引起的。
  • 时间同步： 最后，模块会根据找到的同步序列进行时间同步，以确定接收到的信号的起始位置，从而进行正确的数据解调。
• detect 引脚通常用于指示同步算法是否成功检测到 OFDM 信号的起始点，当 detect 引脚为真时，表示同步算法已经成功地检测到了 OFDM 信号的起始点，即找到了帧同步。这意味着接收到的信号可以进一步处理，例如进行解调、解码等操作。
  

2）Frequency Mod

Frequency Mod：

• 这个模块是一个输入振幅控制复正弦。它输出一个信号，该信号具有与灵敏度和输入幅度成比例的瞬时相位增加。
• 以产生与同步块的频率误差成比例的信号

3）Delay

Delay：

• 将输入延迟一定数量的样本，正延迟在流的开头插入零个项目

4）Header/Payload Demux

Header/Payload Demux：

• 将数据流中的头部和负载分开。这在通信系统中非常常见，因为数据帧通常包含头部（Header）和负载（Payload），头部用于携带一些控制信息、帧类型、地址等，而负载则携带实际的用户数据。
• Header/Payload Demux 模块的 trigger 输入端用于指示何时开始解析下一个数据帧的头部信息。这个触发输入可以是一个布尔型信号，当它为真时，模块将开始解析下一个数据帧的头部。
  • 在一个无线通信系统中，当接收到数据帧的结束符或者校验通过时，可以发送一个触发信号给 Header/Payload Demux 模块，以指示当前帧的头部信息已经完整接收，并且可以开始解析下一个帧的头部信息了。
    

5）OFDM Channel Estimation

OFDM Channel Estimation：

• 对接收到的 OFDM 信号进行信道估计，以获取信道的频率响应信息。

6）OFDM Frame Equalizer

OFDM Frame Equalizer：

• 首先，它消除了粗略的载波偏移，接下来，它对标记的 OFDM 帧执行一维或二维均衡。

7）OFDM Serializer

OFDM Serializer：

• 将 OFDM 子载波中的复数调制符号串行化
• 这是OFDM 载波分配器的逆块。它将复数数据符号作为标记流输出，并丢弃导频符号

8）Constellation Decoder

Constellation Decoder：

• 星座解码器，根据对象的映射将星座点从复数空间解码为（解包）位

9）Packet Header Parser

Packet Header Parser：

• 这是数据包头生成器的逆块。不同的是，解析后的 header 不是作为流输出，而是作为 PMT 字典输出，并发布到 ID 为“header_data”的消息端口。

2、接收端 grc 图

1）提取数据流中头部和负载

2）提取 OFDM 头原始数据

3）提取 OFDM 有效负载

4）解调 OFDM 有效负载

符号倍解映射，重新打包和检查字节对应的头数据和发送到文件接收器。

三、结果验证

1、仿真验证

首先不使用 USRP 进行收发，先进行仿真验证直接将发送端送给接收端，在信号源端将发送的数据保存到本地为 send_data.bin，在最后的接收端将接收的数据保存到本地为 recv_data.bin，使用 beyond compare 进行二进制对比，可以看到如下结果，两个文件一致，误码率为0。

2、USRP 验证

1）误码率测试

①、在实际测试过程中发现将发送增益和接收增益都设置为 0 时，收不到数据，因此增加发送及接收增益，发送端增益设置为 20，接收端增益设置为 25，采样率为 1MHz时，对比发送和接收文件，发现存在误码情况，手动计算了一下大约 2.4e-4 的误码率量级

②、采样率为 781.25KHz 时，对比发送和接收文件，发现存在误码情况，手动计算了一下的误码率量级为 7.8e-5

③、采样率为 390.625KHz 时，对比发送和接收文件，未发现存在误码情况，误码率为 0

2）结果图

传输的文本本间对比，左面为发送的数据，右面为接收到的数据

发送端OFDM 时域信号

接收端及发射端OFDM 频谱图

OFDM Header 采用 BPSK 调制方式，Payload 采用 QPSK 调制方式

整体流程图：

四、资源自取

GNURadio+USRP+OFDM实现文件传输

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