GNURadio+USRP+OFDM实现文件传输（一）-阿里云开发者社区

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）

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：