GNU Radio 中OFDM Tunnel 详解以及相关OFDM模块介绍

测试USRP发送接收的时候完整的程序在benchmark_tx.py 和 benchmark_rx.py里面。其中调用了很多外面的分支如transmit_path.py.exe和 ofdm.py等。

在USRP发送端，执行的是benchmark_tx.py程序，在该程序里定义了发送数据包的相关参数，包括USRP发送频率、增益、天线、时钟源等，通过调用send_pkt函数来发送数据包。在程序中调用transmit_path和uhd_transmitter函数，它们分别定义在transmit_path.py和uhd_interface.py模块。调用ofdm_mod函数进行OFDM调制，然后将生成的基带调制信号传送给uhd_transmitter函数，即USRP射频模块，每成功发送一个数据包，屏幕上会输出一个‘.’。

在USRP接收端，执行的是benchmark_rx.py程序，在该程序中定义了接收数据包的相关参数，包括USRP接收频率、增益、天线、时钟源等，定义了rx_callback函数，当接收到数据包就会触发该函数，每调用一次rx_callback函数，变量n_rcvd加1；再通过CRC检验收到的数据包，如果无误则变量n_right加1。在程序中调用receive_path和uhd_receiver函数，它们分别定义在receive_path.py和uhd_interface.py模块。调用ofdm_demod函数进行相应的OFDM解调，数据包接收成功后，会显示接收端接收情况，在屏幕上输出当前数据包的编号（pktno）、已接收到的数据包的数量（n_rcvd）和其中正确的数据包的数量（n_right）。

 

 

 

 

（在gnuradio3.4中确实有文中的例子，而且也在相应的目录下，在gnuradio3.7.1中，基于GMSK的是在/usr/local/share/gnuradio/examples/digital/narrowband目录下，基于OFDM的是在/usr/local/share/gnuradio/examples/digital/ofdm目录下，本文讲的应该是在3.4下的，但看了3.7的感觉大同小异）

OFDM Tunnel是GNU Radio中很经典的例子。Tunnel有两个，一个是基于GMSK 调 制 的 (gnuradio-examples\python\digital) ， 另 一 个 基 于 OFDM 调 制 的 (gnuradio-examples\python\ofdm)。它们都由物理层和MAC层构成，提供一个虚 拟的Ethernet接口，使得基于IP的各种应用程序都可以加载在这个tunnel 上面， 它的主要作用是负责数据的传输。我们主要研究后者。因为MIMO/OFDM 在当前最 新一代的通信系统中，几乎是必选的两个关键技术，因此很多做物理层研发的GNU Radio用户都会从这两个例子开始着手。

 系统框图和MAC帧的构成

 下图是Tunnel的系统框图。Tunnel的物理层由发射机，接收机和一个载波侦 听（sensing probe）三部分构成，完成由信息比特到基带波形之间的转换，以 及通过能量检测判断当前信道是否空闲。MAC 层是一个基于CSMA的简单的MAC。 MAC 层与PHY 层之间传递的是一个在IP包的基础上加了一些包头和包尾的数据 包。

了解了Tunnel的系统框图，我们来看一下MAC帧的结构和数据打包过程。图2 说明了一个IP数据包是如何打包成MAC数据包的。

 首先，IP包被加上了4字节的校验比特，算法是CRC32。然后数据部分，加上 CRC比特和尾比特（X55），都被白化处理，使得数据具有随机均匀分布的特性。 最后，加上一个4字节的包头。包头包含两个信息：白化参数4 比特和数据包长 度12比特。包头采用了重复发送的方法，以增加可靠性。到此，一个完整的MAC 数据包就包装完成了。

OFDM Tunnel 发射部分解读

下面以ofdm tunnel为例来解读一下物理层。Ofdm tunnel的代码除了在 gnuradio-examples\python\ofdm 目 录 下 以 外 ， 还 有 一 些 在 gnuradiocore\src\python\gnuradio\blks2impl目录下。

先来看发射机，如图3所示。在transmit_path.py中，语句 self.connect(self.ofdm_tx,self.amp,self)

 说明其中包含两个模块，ofdm_tx是一个ofdm_mod类，amp是一个乘法器。 进入ofdm_mod类看一下，其代码在文件ofdm.py中。Ofdm_mod中，数据包首

 先经过一个send_pkt函数，完成MAC包的打包过程。 send_pkt(self,payload='',eof=False)

 然后MAC包被放进一个队列 self._pkt_input.msgq().insert_tail(msg)

 后面的ofdm_mapper_bcv模块从队列中取出数据包，根据OFDM调制的参数映 射成一个个OFDM symbol，再送到后续模块，添加preamble，IFFT变换，添加cyclic prefix，最后调整一下幅度，发送出去。这里想特别提一下的是，在ofdm_mapper 之后是流图的形式，在这之前是通过一个message queue与MAC层联系在一起。这 种连接方式使得“异步的”MAC层数据（而且数据包长不定），跟与系统时钟“同 步的”物理层连接在一起。这种连接方式是一个很好的例子，值得参考。

 OFDM Tunnel 接收部分解读

 接收机部分如图4所示。receive_path.py包含了ofdm_demod和probe两个模 块。Ofdm_demod显然就是ofdm接收机部分。而probe是一个信号检测模块，当usrp 收到的信号幅度大于门限时，就认为无线信道已经被其他用户占用。Ofdm_demod类的代码在文件ofdm.py中，主要分成同步模块(ofdm_receiver)，解调模块 (ofdm_frame_sink)，和MAC帧拆包部分。与发射部分类似，物理层与MAC层也是 通过一个队列self._rcvd_pktq连接在一起的。Ofdm_receiver部分比较复杂，是 用python写的，完成了帧同步，频偏估计，频偏纠正，FFT的功能。ofdm_frame_sink是一个C写成的模块，完成了从调制符号到比特的解映射过程。

下面就详细介绍一下接收解调框图中各个模块的具体作用。

 1）OFDM Receiver 部分。Filter（gr_fft_filter_ccc.cc）模块完成对 USRP 接收信号的匹配滤波功能；sync（gr_ofdm_sync_pn.py）模块的主要功能是完成 接收符号的窗口匹配，匹配成功时发送匹配成功标志给 sampler 模块；Nco （gr_frequency_modulator_fc.cc）模块完成细频偏纠正功能，相当于锁相环 PLL；Sig_mix（gr_multiply_cc.cc）模块对接收到的 OFDM 符号进行处理（将输 入符号相乘后输出），然后送给 sampler 模块；sampler（gr_ofdm_sampler.cc）

模块根据 sync 模块的匹配标志信号寻找 preamble，将 preamble 和 data 分离， 并给出二者的边界标志，然后把每个帧前面的循环前缀（Cycle Prefix）去除， 最后将 OFDM 符号送给 fft 模块，同时发送帧时序信号（Frame timing signal） 给 Frame acquisition 模块；fft（gr_fft_vcc.cc）模块对接收到的数据进行 fft 变换后输出给 Frame acquisition 模块（当查看 gr_fft_vcc.cc 时，你会发 现 该 模 块 并 没 有 做 实 际 的 fft 变 换 ， 而 真 正 的 fft 和 ifft 变 换 在 gr_fft_vcc_fftw.cc 中进行）；Frame acquisition（gr_ofdm_frame_acquisition）模块接收来自 FFT 的星座映射点向量，使用已知的 pn 码和接收到的 pn 码序列进 行比较得到信道增益，然后使用的到的增益修正其后的数据帧，进行相关和均衡。

 2）ofdm_frame_sink（解调）模块。该模块接收 OFDM 符号，把他们接映射 成 0、1 比特流数据，再将这些比特流打包发送到接收消息序列，完成从调制的 OFDM 信号到实际发送比特数据的解映射过程。

 3）MAC 帧拆包部分。主要功能是对解映射后的数据(还是帧结构的)进行帧 拆包，最终获得实际的有用数据信息。

 开发和调试方法

 整个ofdm tunnel 的物理层还是比较简单的。它模仿了802.11 的物理层， 在不定长的burst 前面添加一个定长的preamble，依靠这个preamble 完成时间 同步和频率同步。但它没有信道编码，因此抗噪声性能较差。

 gnuradio-examples\python\ofdm 目录下，除了tunnel 调用的函数外，还

 有许多其他的函数。这些函数都是程序的开发过程中需要用到的，它们教会了我 们如何一步步的进行程序开发。特别是对于利用GNU Radio 做物理层研发的人来 说，是很好的参考。下面简单说明一下。

 ofdm_mod_demod_test.py——用于物理层收发模块的仿真测试。

 benchmark_ofdm.py——加上MAC 层以后，做收发的仿真测试。

 benchmark_ofdm_tx.py，benchmark_ofdm_rx.py——加上USRP 之后，做单 向收发的测试。分别测试了连续的数据包传输，和不连续的突发数据包传输。

 当单向传输没有问题之后，就可以实验双向的传输了：tunnel.py。

 另外，还有一些matlab程序，帮助调试程序。当我们把log标志设为True时， 就会产生很多.dat文件。这些文件把各个block的输出都记录下来：同步之前， 频率同步之后，FFT之后，解映射之后等等。然后用Matlab程序一一检查，就可 以发现究竟哪一步出了问题。

 总结这个例子的开发方法，要创建一个自定义的无线连接程序，

 第一步：用Matlab写一个物理层收发程序，设计各个功能模块，确定参数等。

 第二步:用GNU Radio写一个不包括USRP 的收发程序，与Matlab程序一致， 方便把GNU Radio中的数据导入Matlab 中调试。

 第三步:当物理层没有问题之后，再添加MAC层。

 第四步：加入USRP。先调试单向通信，再调试双向的。

 

GNURadio默认提供的OFDM调制解调模块见下面的列表。

1. OFDM Carrier Allocator / OFDM载波分配器
   • 由复数值创建频域的OFDM符号，添加导频。
   • 该块将复杂的标量调制符号流转换为向量，该向量是OFDM发射机中的IFFT的输入。 它还支持将导频符号放置在载波上的可能性。
   • 可以自由分配载波，如果未分配载波，则将其设置为零。 这允许进行OFDMA样式的载波分配。
2. OFDM Channel Estimation /  OFDM信道估计
   • Estimate channel and coarse frequency offset for OFDM from preambles
   • 输入：OFDM符号（在频域中）。 期望前一个（或两个）符号是同步符号，其用于估计粗略频率偏移和初始均衡器抽头（这些符号从流中移除）。 以下n_data_symbols通过未修改传递（实际均衡必须在其他地方完成）。 输出：数据符号，没有同步符号。 通过的第一个数据符号有两个标签：'ofdm_sync_carr_offset'（整数），粗略频率偏移量作为载波数量，'ofdm_sync_eq_taps'（复矢量）。 附加到同步符号的任何标记都附加到第一个数据符号。 所有其他标记按预期传播。
3. OFDM Cyclic Prefixer / OFDM循环前缀
   • Adds a cyclic prefix and performs pulse shaping on OFDM symbols.
   • 输入：OFDM符号（在时域中，即在IFFT之后）。 可选地，可以处理整个帧。 在这种情况下，必须指定len_tag_key，其保存标记的密钥，该密钥表示帧中有多少OFDM符号。 输出：（标量）复数符号流，包括循环前缀和脉冲整形。 注意：如果处理完整帧，并且rolloff_len大于零，则最后的OFDM符号后面跟着脉冲整形的延迟线。
   • 脉冲形状是时域中的升余弦.
4. OFDM Demod / OFDM解调
5. OFDM Frame Acquisition / OFDM帧采集
   • take a vector of complex constellation points in from an FFT and performs a correlation and equalization.
6. OFDM Frame Equalizer / OFDM帧均衡器
   • OFDM frame equalizer.
   • 在标记的OFDM帧上执行一维或二维的均衡。
   • 这样做有两件事：首先，它消除了粗略的载波偏移。 如果在具有键'ofdm_sync_carr_offset'的第一项上找到标签，则将其解释为载波数量的粗略频率偏移。 接下来，它在标记的OFDM帧上执行一维或二维的均衡。 实际的均衡是由块外的ofdm_frame_equalizer对象完成的。
7. OFDM Insert Preamble / OFDM插入前同步码
   • insert "pre-modulated" preamble symbols before each payload.
8. OFDM Mod / OFDM调制
9. OFDM Receiver / OFDM接收机
10. OFDM Sampler / OFDM 采样器
11. OFDM Serializer / OFDM 序列化
    • Serializes complex modulations symbols from OFDM sub-carriers.
12. OFDM Sync PN /
13. Schmidl & Cox OFDM synch.
14. OFDM Transmitter / OFDM 发射机

 

下图是ofdm_loopback.grc，实现了一个简单的OFDM回环。

更详细的示例可以参见/usr/local/share/gnuradio/examples/digital/ofdm/里的其它框图。

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作者：天一涯  
来源：CSDN  
原文：https://blog.csdn.net/yuan1164345228/article/details/17584045  
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