CN114866118A - 一种基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电开发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电开发平台,它包括天线、SOUP、PCIe2.0X4和计算机,天线将射频信号传递给与其相连的SOUP内的信号源,SOUP与计算机通过PCIe2.0X4连接,SOUP将处理射频信号后得出的数据流通过PCIe2.0X4传送到计算机内,计算机内安装有处理上述数据流的GNU Radio,使用基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电开发平台能够进行通信系统的开发和研究,SOUP用作通信系统中的射频前端部分和数字前端部分,GNU Radio用作数字信号处理部分。本方案提供一款低成本、高效率、可重复使用的无线通信开发系统,本系统既能保证无线通信信号处理的速度,对其软件平台部分还支持免费升级和维护。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电开发系统。
背景技术
软件定义无线电自90年代初问世以来,就被作为一种全新的技术理念在通信领域内受到极大重视,甚至被称为继模拟到数字通信、从固定到移动通信之后的第三次通信技术革命,因此软件定义无线电作为军用、民用通信领域内的技术热点之一,其研究发展及技术应用也在快步跃进。软件无线电提供了一种建立多模式、多频段、多功能无线设备的有效而且相当经济的解决方案,可以通过软件升级实现功能提高。软件无线电可以使整个系统(包括用户终端和网络)采用动态的软件编程对设备特性进行重配置,也就是说相同的硬件可以通过软件定义来完成不同的功能。
GNU Radio是一款免费、开源的软件工具包,同时它也是一个集成度非常高的数字信号处理模块框架。GNU Radio为通信系统的设计提供了灵活的环境,它里面封装了非常多的可以重复使用的模块,包括一些信号处理软件算法如FFT变换、滤波器、同步元件、信道编解码等。GNU Radio具有一个类似于Simulink的图形化用户界面(GUI,Graphical UserInterface)—GRC(GNU Radio Companion),用户能够在这个图形化界面上通过实线连接各模块而搭建通信系统,其中的每个模块都完成各自相应的信号处理,前一模块的数据输出将作为后续模块的数据输入,数据在各模块之间以流的形式传输,并且其中每一个模块都可以看作一个独立的线程,能够进行独立编辑、升级、实现,此外,GNU Radio的扩展性非常出色,提供了标准算法的扩展库,在各种平台上都有很大程度的优化,使得用户能够利用这些信号处理模块结合SDR硬件平台来搭建SDR系统,用户甚至可以根据研究需要在GNURadio中自由增加或修改模块,并结合已有的、可用的模块来设计、模拟和部署真实高效的无线电系统。
SOUP全称软件通用平台,是同济大学通信与智能计算(CIC)实验室专为无线通信系统科研和教学实验而开发的新一代桌面型软件定义无线电硬件平台,此平台由以下部件组成:PCIe母板、RF子板、PCIE转接口和Cable、电源线或电源适配器、天线,与使用频段相关,可以采用PCIe2.0 X4作为与主机的通信接口,能够满足大带宽的需求,也可以采用以太网接口,从而实现传输速率和传输距离的平衡,同时满足天线前端和主机拉远的需求;并采用ADI公司高集成度的捷变射频收发器AD9361和Xilinx Virtex6 lx240T-2FPGA,这为SOUP提供了高性能的数字信号处理能力,使其工作频谱范围覆盖70MHz~6GHz,并支持模拟带宽200KHz~56MHz,能够满足用户捕获研究大部分实时信号的需求;同时用户还能够通过PCIe背板将多台SOUP级联起来,结合时钟分配器,可以支持多台SOUP级联构成更大规模的MIMO系统。
发明内容
本发明提供了一种基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电开发系统,能够作为一种低成本、高效率、可重复使用的无线通信开发实验平台。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
本发明是这样来实现的,一种基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电开发系统,它包括天线、SOUP、PCIe2.0 X4和计算机,天线将射频信号传递给与其相连的SOUP内,SOUP与计算机通过PCIe2.0 X4连接,SOUP将处理射频信号后得出的数据流通过PCIe2.0 X4传送到计算机内,计算机内安装有处理上述数据流的GNU Radio,GNU Radio中存在着能够接收来自SOUP信号的信号源模块和发送给SOUP的信宿模块,使用基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电开发平台能够进行通信系统的开发和研究,SOUP用作通信系统中的射频前端部分和数字前端部分,GNU Radio用作数字信号处理部分。
优选的,所述基于软件定义无线电开发系统的搭建包括以下步骤:在关闭电源的情况下,确认SOUP-SDR实验平台各部分连接正确、PCIe连线已通过PCIe转接卡连接到电脑主机,确认拨码开关S2000的4、6在“on”,其余在“off”,使用片上FLASH中预置的配置文件,将天线安装到射频子板上的发送端口TX和接收端口RX上;
打开电源适配器开关,母板上4个LED指示灯全亮,板载配置文件自动加载完成后左侧两个LED指示灯熄灭,说明模块工作正常;若LED指示灯显示不正常,则需重新加电并查找原因;
重启主机,在终端输入:sudo sh~/vc0x.sh;
检查主机是否已启动SOUP设备;
成功启动SOUP后,在主机终端继续输入:gnuradio-companion以打开GNU Radio的图形化用户界面;
在GNU Radio的图形化用户界面中,当SOUP作为无线电通信系统的接收机时,需要搜索并添加soup_read模块到操作界面,soup_read模块将作为流程图的第一个模块,接收来自SOUP的数据再根据实验需求传给下面的模块进行数字信号处理及数据保存;当SOUP作为无线电通信系统的发射机时,根据发射机通信系统的需要在GNU Radio中添加数字信号处理的各个模块,同时搜索并添加soup_write模块,此模块将作为流程图的最后一个模块,将经过数字信号处理的数据发送给SOUP,再经SOUP处理后发射出去;
实验结束,关闭电源,拆除天线和信号连线,并按要求放置好实验模块;保存实验的流程图,关闭GNU Radio的图形化用户界面。
本发明提供的开发平台的有益效果是:本发明基于SOUP和GNU Radio的新型软件定义无线电开发系统能够设计作为一种低成本、高效率、可重复使用的通用无线通信实验操作平台,可供通信专业学生和无线电研究人员进行相关的通信研究与实验,具有极大的经济价值和教学改革意义。
附图说明
图1为一种基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电开发系统的结构原理图;
图2为GNU Radio架构图;
图3为SOUP结构框架图;
图4为基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电系统作为接收机接收88.9MHz上海东方广播电台信号的流程图;
图5为基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电系统作为发射机在109MHz频道上发送信号的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5,本发明提供一种技术方案:
SOUP是同济大学通信与智能计算(CIC)实验室专为无线通信系统科研和教学实验而开发的新一代桌面型SDR硬件平台,如图1为SOUP实物图。此平台可以采用PCIe2.0 X4作为与主机的通信接口,能够满足大带宽的需求,也可以采用以太网接口,从而实现传输速率和传输距离的平衡,同时满足天线前端和主机拉远的需求;并采用ADI公司高集成度的捷变射频收发器AD9361和Xilinx Virtex6 lx240T-2FPGA,这为SOUP提供了高性能的数字信号处理能力,使其工作频谱范围覆盖70MHz~6GHz,并支持模拟带宽200KHz~56MHz,能够满足用户捕获研究大部分实时信号的需求;同时用户还能够通过PCIe背板将多台SOUP级联起来,结合时钟分配器,可以支持多台SOUP级联构成更大规模的MIMO系统。关于SOUP的更详细信息如下:
1、支持4收4发。
2、12bit AD/DA。
3、支持全双工的万兆网口。
4、三路时钟自由选择。
5、实时频偏矫正。
6、高精度温补压控晶振。
GNU Radio是一款免费、开源的软件工具包,同时它也是一个集成度非常高的数字信号处理模块框架,GNU Radio为通信系统的设计提供了灵活的环境,它里面封装了非常多的可以重复使用的模块,包括一些信号处理软件算法如FFT变换、滤波器、同步元件、信道编解码等。GNU Radio具有一个类似于Simulink的图形化用户界面(GUI,Graphical UserInterface)—GRC(GNU Radio Companion),用户能够在这个图形化界面上通过实线连接各模块而搭建通信系统,其中的每个模块都完成各自相应的信号处理,前一模块的数据输出将作为后续模块的数据输入,数据在各模块之间以流的形式传输。并且其中每一个模块都可以看作一个独立的线程,能够进行独立编辑、升级、实现。此外,GNU Radio的扩展性非常出色,提供了标准算法的扩展库,在各种平台上都有很大程度的优化,使得用户能够利用这些信号处理模块结合SDR硬件平台来搭建SDR系统,GNU Radio的程序采用一种分层结构,这种与OSI(Open System Interconnection)的七层结构有一定的相似性,即底层向高层提供服务,而高层不用关注底层的细节,只需通过层与层之间的接口进行信息的传递。GNURadio中的模块既可以使用Python编写也可以使用C++编写。Python是一种面向对象的脚本化的高级编程语言,一般使用Python编写人机交互界面等GNU Radio的顶层模块,对实时性要求严格的信号处理模块则由C++编程实现,而顶层模块则通过接口生成器SWIG(theSimplified Wrapper and Interface Generator)调用底层数字信号处理模块来进行工作。
工作原理:首先将子板插到PCIe母板上,再将天线安装到子板上,并用PCIe连线连接PCIe母板和PCIe转接卡,连接完成后的硬件系统(未包括电脑主机),将母板上的红色拨码开关(S2000)调到4、6“on”,其余“off”。此时表示使用母板内置的配置文件(bit file),上电后会自动从FLASH中读出该配置文件并加载到FPGA中。
把PCIe转接卡插到电脑主机的PCIe卡槽上,检查确认母板、子板及天线已正确安装,且母板与PCIe转接卡已用PCIe连线相连。
将电源适配器连接到母板供电接口。上电,并重新启动电脑主机(PCIe设备不支持热插拔,连接新设备后必须重启才能识别)。
如果需要其他FPGA配置文件,则可以使用Xilinx兼容的USB JTAG下载线连接到下载接口(J1000),在上电后使用Xilinx ISE或者VIVADO等工具对FPGA进行配置文件加载。
驱动加载和配置:
在终端输入:sudo sh~/vc0x.sh
检查主机是否已启动SOUP设备
成功启动SOUP后,在主机终端继续输入:gnuradio-companion以打开GNU Radio的图形化用户界面。
在GNU Radio的图形化用户界面中,当SOUP作为无线电通信系统的接收机时,需要搜索并添加soup_read模块到操作界面,soup_read模块将作为流程图的第一个模块,接收来自SOUP的数据再根据实验需求传给下面的模块进行数字信号处理及数据保存等。
当SOUP作为无线电通信系统的发射机时,根据发射机通信系统的需要在GNURadio中添加数字信号处理的各个模块,同时搜索并添加soup_write模块,此模块将作为流程图的最后一个模块,将经过数字信号处理的数据发送给SOUP,再经SOUP处理后发射出去。
实验结束,关闭电源,拆除天线和信号连线,并按要求放置好实验模块。
保存实验的流程图,关闭GNU Radio的图形化用户界面。
利用本发明分别实现基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电系统作为接收机接收上海东方广播电台信号88.9MHz和基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电系统作为发射机在109MHz频道上发送信号,实验结果分别如图所示,通过附图可以看到,本发明能够提供一种低成本、高效率、可重构而无需改变硬件的无线电通信研究平台。
Claims (2)
1.一种基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电开发系统,其特征在于:包括天线、SOUP、PCIe2.0 X4和计算机,所述天线将射频信号传递给与其相连的SOUP内,且SOUP与计算机通过PCIe2.0 X4连接,SOUP将处理射频信号后得出的数据流通过PCIe2.0 X4传送到计算机内,计算机内安装有处理上述数据流的GNU Radio,GNU Radio中存在着能够接收来自SOUP信号的信号源模块和发送给SOUP的信宿模块,使用基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电开发平台能够进行通信系统的开发和研究,SOUP用作通信系统中的射频前端部分和数字前端部分,GNU Radio用作数字信号处理部分。
2.根据权力要求1所述的一种基于SOUP和GNU Radio的软件定义无线电开发系统,其特征在于:所述基于软件定义无线电开发系统的搭建包括以下步骤:在关闭电源的情况下,确认SOUP-SDR实验平台各部分连接正确、PCIe连线已通过PCIe转接卡连接到电脑主机,确认拨码开关S2000的4、6在“on”,其余在“off”,使用片上FLASH中预置的配置文件,将天线安装到射频子板上的发送端口TX和接收端口RX上;
打开电源适配器开关,母板上4个LED指示灯全亮,板载配置文件自动加载完成后左侧两个LED指示灯熄灭,说明模块工作正常;若LED指示灯显示不正常,则需重新加电并查找原因;
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- 2022-04-14 CN CN202210387591.7A patent/CN114866118A/zh active Pending
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