【SDR】Gnuradio Benchmark介绍

0 说明

       最近为了检验编译码模块的空口性能，故基于Gnuradio软件中的benchmark程序进行了空口程序的测试，在该过程中，不仅对python语言进行了初步的了解，并且需要gnuradio中的模块编写框架熟悉，前前后后花费一个多月的时间，故在此进行一下整理总结，也方便有需要的人，难免有错，请见谅！
       关于Gnuradio的介绍及安装，可以自行Google以及查看相关教程，这里不再做介绍。我所使用的Gnuradio版本为 gnuradio-3.7.11，环境 Ubuntu 14.04，其中benchmark收发程序的目录为 gnuradio-3.7.11/gr-digital/examples/narrowband，发送端程序的入口为benchmark_tx.py，接收端程序的入口为benchmark_rx.py，两者均为python的可运行脚本。下面先来讲如何运行，然后对代码框架进行一个详解，希望对大家有用！

1  Benchmark运行

1.1 发送端

       在linux命令行中输入：./benchmark_tx.py–h 可以查看benchmark_tx.py运行时的命令参数，以下对几个重点进行介绍，其余的参数，感兴趣的可以自己研究一下。

-h / --help	show this help message and exit
-m / --modulation	Select modulation from: psk, cpm, qpsk, dqpsk, gfsk, qam, dbpsk, bpsk, gmsk [default=psk] 选择调制方式
-s / --size	Set packet size [default=1500] 设置发送每个数据包的大小（单位：字节）
-M / --megabytes	set megabytes to transmit [default=1.0] 设置一共发送的字节大小，默认为1百万bytes，根据-s 及 –M的参数，可以计算出发送数据包的个数
--discontinuous	enable discontinous transmission (bursts of 5 packets)，可以设置在发送端每发送5个包之后，停顿1s再继续发送
--from-file=FROM_FILE	use intput file for packet contents 从文件中读取数据，然后发送
--to-file=TO_FILE	Output file for modulated samples 注意：这里的意思是将要发送的数据保存到文件中，不再通过USRP发送出去
-r / --bitrate	specify bitrate [default=100000.0]
--tx-amplitude	set transmitter digital amplitude: 0 <= AMPL < 1 [default=0.25]
-f / --freq	set Tx and/or Rx frequency to FREQ [default=none] 设置USRP的发送频率
-a / --args	UHD device address args [default=] 可以不加，UHD会进行自动检测
--spec	Subdevice of UHD device where appropriate
-A / --antenna	select Rx Antenna where appropriate 选择USRP的天线
--tx-freq=FREQ	set transmit frequency to FREQ [default=none] （同-f）
--lo-offset=LO_OFFSET	set local oscillator offset in Hz (default is 0)
--tx-gain=TX_GAIN	set transmit gain in dB (default is midpoint) 设置USRP发送增益
-C / --clock-source	select clock source (e.g. 'external') [default=none] 不用设置
-v --verbose	打印一些程序中的信息
-S / --samples-per-symbol	set samples/symbol [default=2]
--log	Log all parts of flow graph to file (CAUTION: lots of data) 将程序中的发送数据及处理中间的数据保存到log文件中

1.2 接收端

       在linux命令行中输入：./benchmark_rx.py–h 可以查看benchmark_rx.py运行时的命令参数，可以看到其和发送端的参数基本一致，这里不再进行详细解释。

2  Benchmark TX &Benchmark RX

2.1 综述

       相信看到这里的朋友们都明白，gnuradio benchmark实现了通过USRP进行简单的数据收发工作，即发送端可以将要发送的数据经过处理之后，通过USRP发送出去，而接收端通过USRP接收后，通过相应的操作将数据“解”出来，简单点说，其是一个简单的通信系统，有信源、信道、信宿，期间还涉及到调制解调，CRC校验等等，当然，也可以自己添加功能模块进行测试，下面看一下gnuradio中benchmark中的系统框图：

Figure 1 benchmark系统框图

Figure 2 benchmark帧结构

       Figure 1为benchmark的系统框图，其中发送端首先需要指定发送数据的size（default 1500），然后程序中根据命令参数size，产生（size-2）的随机数（或者从文件中读取数据），之后在数据前边加上2bytes的帧号，之后添加32bits CRC，再之后添加Header，即帧号+信息比特+CRC的长度，并且是两次，即每次都是两个字节；最后添加Preamble以及Access Code，其中Access code是用来在接收端做相关接收使用的，即接收端根据Access code的相关性，找到数据的“起始位置”，配合Header的数据长度，得到payload；Preamble的使用没有做研究，有兴趣的朋友们可以研究一下。

      下面对benchmark_tx.py 以及benchamark_rx.py 进行一下讲解，如果只是用这两个程序来传输指定的数据，可能你还真需要研究一下程序。

2.2 Benchmark TX

模块连接图

Figure 3 Benchmark TX模块连接

代码整理

        我们都知道，python语言同样是从main函数开始运行的，那么benchmark是如何运行的呢？下面简单整理一下，首先从main函数开始。

       BenchmarkTX的main函数位于benchmark_tx.py中，如Figure 4所示，可以看到，在main函数中，定义了send_pkt函数，之后进行读取命令行参数，并且实例化了一个对象tb，tb就是Figure 3中的my_top_block 的实例。

Figure 4 benchmark_tx.py main函数（1）

Figure 5 benchmark_tx.py main函数（2）

       如Figure 5中所示，tb.start()表示程序开始运行，首先产生一定长度（size-2）的随机数据或者从文件中读取数据，并且在数据前面添加帧号，之后调用send_pkt函数将payload发送出去，帧号自加，最后是发送等待；另外，程序中还可以添加--discontinuous进行间断发送，每发送一个包，输出打印一个点号。

       下面继续看send_pkt函数，Figure 4中可以看到，其只是return tb.txpath.send_pkt()函数的返回值，因此，需要去看txpath中的函数send_pkt()，其调用顺序为：main::send_pkt() ----> txpath::send_pkt() ----> digital::mod_pkts::send_pkt() ---> packet_utils::make_packet

       经过packet_utils::make_packet，即完成了数据包的封帧工作，之后连接到modulator模块进行调制，之后通过usrp发送出去。

2.3 Benchmark RX

模块连接图

Figure6 Benchmark RX模块连接

代码整理

        对于benchmark RX的函数调用流程，这里不再详细论述，基本上就是benchamrk_tx.py的反操作，这里总结一下几个重要函数所在的目录：

main	benchmark_tx.py / benchmark_rx.py	gnuradio-3.7.11/gr-digital / examples /narrowband
txpath / rxpath	transmit_path.py / receive_path.py	gnuradio-3.7.11/gr-digital / examples /narrowband
mod / demod	generic_mod_demod.py	gnuradio-3.7.11/gr-digital/python /digital
mod_pkts demod_pkts	pkt.py	gnuradio-3.7.11/gr-digital/python /digital
make_packet unmake_packet	packet_utils.py	gnuradio-3.7.11/gr-digital/python /digital

3 运行

       发送端：

./benchmark_tx.py -f 915M -A TX/RX -m qpsk --tx-amplitude=0.5 -r 250k -S 4 -s 528

       接收端：

         ./benchmark_rx.py-f 915M -A TX/RX -m qpsk --rx-gain=17.5 -r 250k -S 4

Figure7 发送端运行图

Figure 8 接收端运行图

         在接收端，pktno表示接收到的包的帧号，n_rcved 表示接收到的总总帧数，n_right表示接收数据包正确的帧数（通过CRC校验进行正确性判断）。

4 参考文献

    [1] http://gnuradio.cc/simple/?t622.html  benchmark例程详解（不断更新中）

    [2] https://www.youtube.com/watch?v=dgW44CRho1Y