GNU RADIO 软件无线电基础、实践与应用

本书系统介绍了软件无线电的概念、起源、技术优势、发展历程、体系架构与基础理论，介绍了GNU Radio通用软件无线电软硬件平台的使用指南，同时结合实际科研项目开发经验，整理并汇总了基于GNU Radio软件无线电的通信系统实践与综合应用实例。全书分为四个部分：第一部分的主题为软件无线电基础，包含第1、2章；第二部分的主题为GNU Radio与USRP平台，包含第3～8章；第三部分的主题为通信系统实践案例，包含第9～17章；第四部分的主题为通信系统综合应用实验，包含三个综合实验、一个拓展应用实验，以及GNU Radio与USRP平台使用中的常见问题与解决方案。全书通俗易懂，理论与实践相结合，兼具较强的指导性与实用性。本书可以作为高等院校电子信息与通信类相关专业本科生与研究生的实验教材，也可作为通用软件无线电平台初级与中级阶段的使用者、电子技术发烧友的技术参考书，还适合从事无线通信系统原型验证与开发的工程技术与科研人员阅读。

目录 第一部分 软件无线电基础 第1章 软件无线电概述 1 1.1 软件无线电概念与起源 1 1.2 软件无线电关键技术 2 1.2.1 宽带天线技术 2 1.2.2 高速数模与模数转换技术 2 1.2.3 软件算法 3 1.2.4 高速数字信号处理技术 3 1.3 软件无线电平台 3 1.3.1 GNU Radio 3 1.3.2 USRP 4 1.3.3 Sora 5 1.3.4 μSDR 5 1.3.5 KUAR 5 1.3.6 SODA 6 1.3.7 WARP 7 1.4 软件无线电的应用 7 1.4.1 军事领域的应用 7 1.4.2 民用领域的应用 8 第2章 软件无线电信号处理基础理论 11 2.1 信号采样基础 11 2.1.1 采样信号频谱 11 2.1.2 低通信号采样定理 12 2.1.3 带通信号采样定理 13 2.2 多速率信号处理理论 14 2.2.1 信号的整数倍抽取 14 2.2.2 信号的整数倍内插 16 2.2.3 分数倍速率变换 17 2.3 数字滤波理论 18 2.3.1 CIC滤波器 18 2.3.2 HB滤波器 19 2.4 数字变频理论 19 2.4.1 数字上变频 20 2.4.2 数字下变频 20 第二部分 GNU Radio与USRP平台 第3章 GNU Radio软件平台简介 21 3.1 GNU Radio软件功能 21 3.1.1 基础功能 21 3.1.2 通信功能 23 3.2 GNU Radio软件架构 26 3.2.1 Block 27 3.2.2 SWIG 28 3.2.3 流图 28 第4章 GNU Radio的安装与使用 29 4.1 GNU Radio的安装 29 4.1.1 Ubuntu系统的安装 29 4.1.2 UHD的安装 35 4.1.3 GNU Radio的安装 37 4.1.4 Windows操作系统中GNU Radio 的安装 38 4.1.5 安装测试 40 4.2 GNU Radio的使用说明 42 4.2.1 进入GNU Radio Companion 42 4.2.2 GNU Radio工具栏的使用说明 43 4.2.3 GRC流图的搭建与运行 45 4.2.4 GRC模块的安装与调用 46 第5章 GNU Radio应用程序开发 48 5.1 GNU Radio语言 48 5.1.1 Python语言简介 48 5.1.2 C++语言简介 49 5.2 GNU Radio应用程序编写指南 52 5.2.1 Python与C++交互 52 5.2.2 应用程序集成 53 5.3 Python编写的GNU Radio应用程序 实例 64 5.3.1 Python实现流图 64 5.3.2 Python代码解析 65 第6章 GNU Radio模块开发 67 6.1 GNU Radio信号处理模块 67 6.1.1 模块设计规则 67 6.1.2 general_work函数 69 6.2 使用Python语言编写GNU Radio 模块 70 6.2.1 新建工程 70 6.2.2 功能代码开发 71 6.2.3 自编模块安装 74 6.3 使用C++语言编写GNU Radio模块 75 6.3.1 新建工程 75 6.3.2 功能代码开发 76 6.3.3 自编模块安装 80 第7章 GNU Radio信号波形可视化与图形 用户界面 81 7.1 波形展示模块 81 7.1.1 时域展示 81 7.1.2 频域展示 84 7.2 图形用户界面的编辑与使用 85 7.2.1 QSS文件位置 86 7.2.2 QSS文件更改 86 7.3 Octave 和MATLAB的使用 88 7.3.1 Octave的使用 88 7.3.2 MATLAB的使用 91 第8章 GNU Radio硬件平台简介 93 8.1 GNU Radio硬件平台 93 8.2 USRP硬件架构 94 8.2.1 USRP母板 95 8.2.2 USRP子板 98 8.3 USRP硬件架构与配置使用 100 8.3.1 USRP FPGA固件下载 100 8.3.2 USRP配置与连接使用 100 8.3.3 USRP时钟源同步 104 第三部分 通信系统实践案例 第9章 信源实例 106 9.1 模拟信源 106 9.1.1 实验原理 106 9.1.2 实验过程 107 9.1.3 实验结果 109 9.2 数字信源 109 9.2.1 实验原理 109 9.2.2 实验过程 111 9.2.3 实验结果 112 第10章 信道实例 114 10.1 AWGN信道 114 10.1.1 实验原理 114 10.1.2 实验过程 115 10.1.3 实验结果 116 10.2 多径信道 117 10.2.1 实验原理 118 10.2.2 实验过程 119 10.2.3 实验结果 120 10.3 频率选择性衰落信道 121 10.3.1 实验原理 122 10.3.2 实验过程 124 10.3.3 实验结果 125 第11章 模拟调制、解调实例 127 11.1 幅度调制 127 11.1.1 实验原理 127 11.1.2 实验过程 128 11.1.3 实验结果 131 11.2 角度调制 133 11.2.1 实验原理 133 11.2.2 实验过程 137 11.2.3 实验结果 138 第12章 数字基带传输实例 140 12.1 基带传输码型 140 12.1.1 实验原理 140 12.1.2 实验过程 141 12.1.3 实验结果 143 12.2 成形滤波（平方根升余弦 滤波器） 144 12.2.1 实验原理 144 12.2.2 实验过程 147 12.2.3 实验结果 148 第13章 数字频带传输实例 149 13.1 二进制数字调制与解调：2ASK、2FSK、2PSK 149 13.1.1 实验原理 149 13.1.2 实验过程 154 13.1.3 实验结果 161 13.2 QPSK、π/4-DQPSK调制与解调 165 13.2.1 实验原理 165 13.2.2 实验过程 168 13.2.3 实验结果 172 第14章 信源编解码实例 175 14.1 均匀量化PCM编解码 176 14.1.1 实验原理 176 14.1.2 实验过程 178 14.1.3 实验结果 179 14.2 A律PCM编解码 179 14.2.1 实验原理 179 14.2.2 实验过程 182 14.2.3 实验结果 184 第15章 信道编解码实例 185 15.1 汉明码编解码 185 15.1.1 实验原理 185 15.1.2 实验过程 186 15.1.3 实验结果 187 15.2 循环码编解码 188 15.2.1 实验原理 188 15.2.2 实验过程 190 15.2.3 实验结果 192 15.3 卷积码编解码 193 15.3.1 实验原理 193 15.3.2 实验过程 195 15.3.3 实验结果 198 15.4 Turbo码编解码 199 15.4.1 实验原理 199 15.4.2 实验过程 201 15.4.3 实验结果 206 15.5 LDPC码编解码 209 15.5.1 实验原理 209 15.5.2 实验过程 210 15.5.3 实验结果 212 第16章 同步技术实例 214 16.1 位同步 214 16.1.1 实验原理 214 16.1.2 实验过程 215 16.1.3 实验结果 215 16.2 帧同步 216 16.2.1 实验原理 216 16.2.2 实验过程 217 16.2.3 实验结果 219 16.3 载波同步（频率同步、相位 同步） 220 16.3.1 实验原理 220 16.3.2 实验过程 221 16.3.3 实验结果 223 第17章 扩频技术实例 224 17.1 M序列生成 224 17.1.1 实验原理 224 17.1.2 实验过程 226 17.1.3 实验结果 226 17.2 直接序列扩频 227 17.2.1 实验原理 227 17.2.2 实验过程 228 17.2.3 实验结果 230 第四部分 通信系统综合应用实验 第18章 跳频通信抗干扰系统综合实验 232 18.1 CPFSK调制与解调 232 18.1.1 CPFSK调制 232 18.1.2 CPFSK解调 234 18.2 跳频调制与解跳 234 18.2.1 跳频调制 234 18.2.2 跳频同步与解跳 240 18.3 干扰源模拟 241 18.3.1 高斯白噪声干扰 241 18.3.2 实际信道干扰 242 18.4 跳频抗干扰通信实验结果 243 18.4.1 抗高斯白噪声干扰传输结果 243 18.4.2 抗实际信道干扰传输结果 244 第19章 码分多址通信系统综合实验 245 19.1 发端扩频 245 19.1.1 帧格式 245 19.1.2 训练序列选择 246 19.1.3 扩频 246 19.2 收端的处理过程 247 19.2.1 同步 248 19.2.2 解扩 251 19.2.3 跟踪 252 19.2.4 分解帧与解调 253 19.2.5 SNR估计 254 19.3 码分多址通信系统实验结果 255 第20章 空时编码MIMO-OFDM视频传输 系统综合实验 256 20.1 视频采集与管道配置 256 20.2 MIMO空时编解码模块 258 20.2.1 空时编码过程 258 20.2.2 空时解码过程 259 20.3 OFDM 处理 260 20.3.1 OFDM原理 260 20.3.2 发端处理 262 20.3.3 收端处理 264 20.4 实验流图搭建 265 20.4.1 发端实验流图搭建 265 20.4.2 收端实验流图搭建 266 20.5 MIMO-OFDM通信实验结果 268 20.5.1 发端结果图 268 20.5.2 收端结果图 269 第21章 拓展应用实验 272 21.1 移动手机与基站模拟实验 272 21.1.1 OpenBTS 272 21.1.2 模拟基站的基本架构与功能 273 21.1.3 模拟基站与移动手机短信交互 与结果 273 21.2 ADS-B民航信号接收设计实验 274 21.2.1 ADS-B数据链 275 21.2.2 ADS-B收发原理 275 21.2.3 ADS-B民航信号接收实现 与结果 276 第22章 常见问题与解决方案 278 22.1 GNU Radio安装常见问题 278 22.1.1 常见问题1 278 22.1.2 常见问题2 279 22.2 USRP 硬件配置常见问题 280 22.2.1 常见问题1 280 22.2.2 常见问题2 281 22.2.3 常见问题3 282 22.3 GRC模块创建常见问题 283 22.3.1 打印调试及Python版本不同， 函数兼容问题 283 22.3.2 内部程序定义的与外部XML 定义的端口长度匹配问题 283 22.3.3 模块代码错误定位问题 284 22.4 GRC流图搭建常见问题 285 22.4.1 限流 285 22.4.2 限幅 285 22.5 运行结果异常分析 286 22.5.1 “QT GUI Time Sink”模块点数 统计 286 22.5.2 “QT GUI Time Sink”模块波形 静止 287 22.5.3 连接USRP时流图停止运行 287 22.5.4 GRC流图在另外的计算机中无法 运行 288 22.5.5 运行结果为灰白界面 288 22.5.6 数据流样点重复 289 22.5.7 自编模块运行出错 290 缩略词表 291 参考文献 295