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毕业设计
基于 GNU Radio 多相滤波器的设计与实现
摘要: 线电是无线通信领域提出的新的通信系统结构,主要以拓展性,结构
简单化地硬件作为通用平台,以可替换的软件来实现更多的通信功能。 GNU
Radio 是用软件来定义无线电波发射和接收的方式,与硬件相结合,搭建无线
电通信系统的开源软件系统,使得无线电领域所遇到的数字调制问题变成软件
问题。本文以 GNU Radio 为基础,实现多相滤波器系统。对多相滤波器做了
简单的介绍,包括滤波器的组成模块,实现原理,同时讨论了多相滤波器如何
实现信道化,最后介绍了滤波器的设计步骤,分析实现多相滤波器仿真结果。
关键词: 软件无线电,GNU Radio,多相滤波器
目录
一、引言.............................................................................................................................................2
1.1、软件无线电的介绍............................................................................................................3
1.2、GNU Radio 的产生和应用现状........................................................................................3
1.3、本课题的主要工作............................................................................................................4
二、软件无线电和 GNU Radios 的原理..........................................................................................4
2.1、软件无线电系统的结构和特征........................................................................................4
2.2、GNURadio 的介绍.............................................................................................................5
2.3、GNURadio 安装与使用.....................................................................................................6
2.3.1、 Ubuntu 的安装.......................................................................................................6
2.3.2、GNU Radio 的安装.................................................................................................7
三、多相滤波器理论原理与其应用.................................................................................................8
3.1、多相滤波器的理论知识....................................................................................................9
3.1.1、采样定律.................................................................................................................9
3.1.2、多采样滤波器.......................................................................................................10
3.1.3 、互换等效性..........................................................................................................13
3.1.4、重采样...................................................................................................................14
3.2、FIR 滤波器的概念与结构...............................................................................................14
3.3、滤波器的信道化选择......................................................................................................16
3.4、多相滤波结构的作用......................................................................................................17
四、GNURadio 的多相滤波器系统设计和实现...........................................................................18
4.1、GNR Radio 多相滤波器的基本组建..............................................................................18
4.2、基于 GNU Radio 设计多相滤波器设计流程图............................................................19
4.3、相滤波器的设计..............................................................................................................20
五、实验结果...................................................................................................................................23
六、总结...........................................................................................................................................26
参考文献...........................................................................................................................................27
致.......................................................................................................................................................28
一、引言
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1.1、软件无线电的介绍
软件无线电(Software Dened Radio):是无线通信实现的新概念,
即是采用现代软件来实现控制传统的“纯硬件电路”无线通信。软件无线电技术
首先是运用在军事上,但由于它的优点突出,很快该技术开始运用到民用的无
线移动通讯行业。软件无线电新技术的出现,打破了传统的通信功能只能依赖
硬件格局发展的单一局面,如今,通信功能以硬件无线通信设备作为基本平台,
功能的实现更多地由软件来发挥作用。软件无线电新技术的出现,对于通讯领
域来说,是继“固定通信—移动通信”“模拟通信—数学通信”之后的第三次技术变
革。因此,如何更好地去研发和运用软件无线电技术,是一项艰巨的任务。
和传统的无线电系统相对比,软件无线电体统有其自身突出的特点。传统
的无线电系统的调制方式和频段都有对应的硬件结构,其滤波和基频处理、上 /
下变频、射频部分都采用了模拟方式,虽然数码无线电系统的低频部分采用了
数字电路,但是其射频和中频部分还是离不开模拟电路。软件无线电系统是将
D/A、A/D 变换移动至中频,尽可能接近射频天线,并是对整个系统进行了采
样处理。而且软件无线电是用 DSP 器件来替代数字电路,这样,系统的功能实
现和硬件结构相对独立,整个系统就能基于一个通用、开放的硬件平台,利用
各种软件技术实现各种不同的通信功能,并通过软件编程来实现对工作频率、
调制方式、系统宽带的选择,极提高了系统的灵活性。
软件无线电新概念的提出,引起了无线电领域的广泛关注,成为了未来通
讯技术的发展新方向,它不仅在电子战、雷达等国防军事方面得到广泛应用,
在智能化家电、数字化通信方面也有它的身影。各国都争先恐后进行相关方面
的研究,尤其美国,美国军方已经制定了具体的发展规划。而我国对于软件无
线电技术的研究非常重视,设立了多项重点研究项目。现在,人们对软件无线
电的研究日趋成熟,已经开始将其应用到我们生活的各个方面。
1.2、GNU Radio 的产生和应用现状
GNU Radio 是一套免费开源软件的开发工具。它提供了信号处理和运行模
块来支持软件无线电,并使用微处理器和低成本的 RF(外部射频)去实现软件定
义无线电,它广泛应用于无线通信领域的研究。对于 GNU Radio,主要是采用
Python 编程语言,而它的核心的模块是由 C++在带浮点运算的微处理器上进
行构建的,这也决定了用户能够快速建立一个高吞吐量、实时的无线电系统。
虽然 GNU Radio 的主要功能不是用来模拟仿真的,但是在没有硬件情况下,
使用预先生成的数据来进行信号处理研究。
GNU Radios 的硬件平台 USRP 系列产品在世界各地有着各式各样的广泛
应用,在商业生活和国防系统中都能看到它的身影。尤其是国防系统,USRP
系列产品能够以低预算,快速成型和部署先进等优点已经被发达国家的军事和
情报服务机构广泛应用。
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1.3、本课题的主要工作
本论文通过设计和研究 GNU Radio 软件,实现软件无线电的基本方案,
其主要的工作是学会使用 GNU Radio 软件和实现多相滤波器结构。主要容包
括了:
学习和掌握软件无线电的概念、工作原理和发展状况;
学习和掌握 GNU Radio 的安装和使用方法;
学习和掌握多相滤波器的相关理论知识和设计方法;
用 GNU Radio 软件为基础,设计多相滤波器,同时提出基本实现 方案。
二、软件无线电和 GNU Radios 的原理
2.1、软件无线电系统的结构和特征
构成软件无线电系统的基本部件包括了:多频段射频变换器,含有 A/D 和
D/A 转换器的芯片,电源,天线和通用处理器等,这些部件执行了无线通信功
能。
软件无线电系统的硬件结构比较简单,通过处理流程图来了解其各个硬件。
上图为接收通道,信号由天线通过 RF 的前端接收,再经过模拟数字转换器
ADC 进行转换,最后由代码的作用转化为信息。类似的,在发射通道,数字信
号由代码处理计算生成,再由 DAC 将其转为模拟信号,最后再从 RF 前端发射
出去。通过流程我们也可以看出,软件无线电结构完成的主要功能关键在软件
无线代码。
处理流程图:
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图 2.1 软件无线电处理流程图
[1]
对于分析软件无线电处理流程,我们还应理解以下特点:
数字化和编程化,在整个过程中,除了少部分以模拟方式实现,例
如低噪声放大,放大功率,滤波,其余部分都是在模数转换后再由代码编
程计算处理实现的,例如差错编码、调制解调、信道均衡等。
开放性和灵活性,软件无线电采用了模块化地结构,它的硬件在技
术不断发展的前提下不断更新,软件模块也不断升级,增加新功能的方法
简单,而且软件无线电不仅能和旧体制的电台进行兼容,也能够和新体制
的电台进行工作,这样能够最大限度地保证了软件无线电技术的生命周期。
2.2、GNURadio 的介绍
GNU Radio 的 编 程 是 Python 脚 本 语 言 和 C++ 两 者 的 混 合 , 其 中
Python 用于实现高级组织、图形界面和一些对运算性能要求不高的功能,C+
+因执行效率高,可用于信息处理模块的编写,例如信道编译码模块,FFT 变
换,调制器,时频同步等等模块,这些被称为 block。
从另一方面来说:Python 就是选择合适的信源,处理模块和信宿,设置
正确的参数,再把这些连接起来成为一个完整的应用程序。而所有的信源,信
宿和模块都由 C++来编写。GNU Radio 还有一套零拷贝循环缓存机制,能够
保证数据在这些 block 之间流动,也能通过 Python 编写能够连接各个 block
的脚本,称为 graph。同时,在 GNU Radio 进行扩展也比较容易,如果发现
缺少一个特定的 block,可以快速编写创建,然后添加它。GNU Radio 为学习
者有方便调试测试的环境,提供了图形界面版 GRC,这是一个图形化工具,用
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huayuya123
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