宽带传输
GNU Radio在通信原理实验教学中的应用
■湖南商学院计算机与信息工程学院：谭平 长沙规划展示馆：撒卫平 湖南广播电视大学网络资源系：刘冠群 涟源市工贸职业中等专业学校：刘军华【摘要】GNU Radio是一个开源的无线电信号处理平台，可以与配套硬件实现各种无线电通信实验内容。本文针对现有通信原理实验教学内容单一、创新性不够的情况，将GNU Radio引入到通信原理实验教学中，使实验内容与日常生活紧密相连，提高学生对通信原理实验课程的兴趣，加深学生对抽象知识的理解，达到良好的教学效果。
【关键词】无线电信号；通信原理；GNU Radio
一、引言是一门非常重要的主干课程。但是通信原理涉及的内容很多，概念非常抽象，而且里面使用的数学公式多、公主要利用通信原理实验，辅助学生对书本上抽象的概念和原理有进一步的感性认识，加深他们对基本原理的理解。但是通信原理实验设备昂贵，实验内容固定，实验过程千篇一律。此外，有些实验与实际生活联系不够紧密，对学生的吸引力不够。而采用开源的GNU Radio无线电信号处理平台，可以将通信原理实验内容深入生活，不仅可以加深学生们对抽象知识的理解，而且提高学生对通信原理这门课程的兴趣，达到非常好的教学效果。括C++和Python，其中C++主要用于开发底层的数字信号层应用代码。GNU Radio提供了常用的信号处理模块库以及图形化的编辑和仿真界面，可用于通信原理仿真，也的通信，这些硬件设备包括USRP、RTL-SDR、HACKRF等。GNU Radio非常适合通信原理初学者做通信原理实验。在电子信息工程、通信工程等专业中，《通信原理》处理模块，而Python则用于连接各功能子模块，以及上式复杂，是一门教学难度很大的课程。现有的教学手段，可以连接到各种软件无线电硬件设备实现实际通信系统二、GNU Radio简介GNU Radio是一个开源的、以通用软件无线电硬件平台为依托的无线电信号处理平台。它可以通过软件编程实现无线电通信的各种功能。得益于其源代码开放和配套硬件外设价格低廉的特点，GNU Radio给普通的软件编程者提供了探索无线电波的机会，激发他们的聪明才智，探索无线通信的各种技术。GNU Radio在无线电开发社区和教育机构得到了广泛的应用。GNU Radio的软件架构如图1所示。GNU Radio是在Linux操作系统上开发的，一般运行在Linux系统上，也有移植到Windows等其他操作系统的版本。它的开发语言包卫星电视与宽带多媒体
31宽带传输
三、GNU Radio各模块与通信原理教学内容的对应关系GNU Radio的信号处理模块包括信号源、信号处理模块以及一些常用的文件处理、网络通信模块和硬件平台处理模块。这里重点介绍与通信原理相关的一些模块。四、GNU Radio在通信原理教学中的应用举例GNU Radio的图形化仿真软件名称是GNU Radio Companion (GRC)，可以通过拖曳各种图形化的信号处理通信原理教学内容主要包括信源编码与译码、信道、调制解调、差错控制、同步、新型数字调制解调等。这些内容在GNU Radio中大部分都有对应的信号处理模块，即便没有相应的模块，也非常容易利用其它模块搭建出所需要的功能。表1中给出了通信原理教学内容与GNU Radio相关模块的对应关系。利用这些模块，就可以通过Python编程或采用GNU Radio的图形化软件仿真实现通信原理基本实验内容。模块来实现通信系统的设计。这里简单介绍两个典型的通信仿真实验，方便大家理解如何使用GRC。4.1 ASK数字调制与解调举例ASK、PSK和FSK是经典的数字调制方式，使用GRC非常容易就能实现数字调制与解调。如果有相应的SDR硬件平台，可以很快的配置出数字调制解调的收发系统。32卫星电视与宽带多媒体
宽带传输
如果没有SDR硬件平台，也可以直接用音频接口实现数字调制解调。图2是ASK的调制解调的GRC仿真框图。该图中有两个信号源，一个是ASK的载波信号Signal Source，信号的采样频率是32kHz，这是设置输出1kHz的余弦信号；另一个是Random Source产生随机的0、1数字信号。为了保证数字信号的码率低于载波信号频率，这里采用了Repeat模块降低数字信源的码率。这里的频率和幅度都可以双击模块框，通过对话框修改设置。类型转化模块Char to Float是为了与后面的数字信号模块的数据类型一致，将字节类型转化为浮点类型。数字信源和载波信号通过Multiply乘法器实现ASK调制。调制之后的信号可以通过GRC的信宿模块显示结果。这里将输出信号连接到虚拟示波器Scope Sink和虚拟频谱仪FFT Sink这两个信宿模块，可以分别查看ASK调制波形和ASK的频谱，如图3所示。图3上部分是示波器波形，其中红色部分是数字基带信号，蓝色是ASK调制信号。图3下面部分是频谱分析，其中绿色线表示峰值频谱，蓝色线表示实时频谱。可以看到ASK主要频率是在载波的频率1kHz附近。ASK的解调是从调制信号中解调出信源信息。按照包络检波方法，只需要对ASK进行全波整流，再经过低通滤波和采样判别，即可恢复信源信息，因此解码模块中用到了取绝对值的模块Abs、低通滤波器模块Low Filter和阈值判断模块Threshold。完整的ASK调制与解调仿真卫星电视与宽带多媒体
33宽带传输
如图4所示。4.2 FM调频语音收发实验举例FM调频语音的收发实验除了需要用到GNU Radio平台外，还需要用到配套的硬件设备。这里选择无线麦克风作为FM调频的发送端，而廉价的数字电视接收棒RTL-SDR作为无线电接收端。本实验也可选择两块USRP硬件板分别作为收发器实现语音收发实验。实验的原理图如图5所示。无线麦克风采集声音后调频至92MHz发射出去，而RTL-SDR则通过GRC被设置在调频92MHz处，并下变频到2MHz。RTL-SDR内部包含高速ADC，其采样的数据通过USB传输到GNU Radio的图形仿真软件GRC中。这个过程由GRC调用信源模块RTL-SDR Source实现。RTL-SDR接收的数据通过低通滤波和重采样后变成44.1kHz的音频数据，并通过信宿模块Audio Sink从电脑的音频接口输出。这样就实现了语音的无线收发实验。图6给出了GRC的各模块连接图和参数设置。
五、结论本文对GNU Radio做了简单介绍，并将GNU Radio应用到《通信原理》课程的实验教学中。由于GNU Radio有丰富的信号处理模块，可以设计各种验证通信原理的仿真实验，而且可以跟实际生活中的广播、电视、GPS定位以及移动通信等场景紧密结合。大大地提高了学生对通信原理学习的热情和兴趣，达到了非常好的实验教学效果。参考文献[1] GNU Radio Home Page. https://www.gnuradio.org/[2] 金伟正,赵小月,肖云等. 基于GNU Radio的频谱分析仪设计[J].实验室研究与探索, 2019, 38(01): 86-90.[3] 蒋相. 基于GNU Radio和USRP X310的多带Chirp信号检测[J].电子科学技术, 2016, 03(03): 243-248.[4] 林广荣,林新荣,高时汉等. 基于GNU Radio的窄带卫星收发信机研究与实现[J].移动通信, 2016, 40(08): 70-74.34卫星电视与宽带多媒体
