长春做网站哪家便宜,网站 备案号 放置,wordpress的语言,五里店网站建设在上一篇文章中#xff0c;已经完成了BPSK波形的发射。
相对于BPSK波形的生成总共就4行代码#xff0c;接收要略微复杂一些#xff0c;算上各种同步、锁相环#xff0c;约80行。完整版参考Git仓库。
设备连接#xff1a; #mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf {font-family:已经完成了BPSK波形的发射。
相对于BPSK波形的生成总共就4行代码接收要略微复杂一些算上各种同步、锁相环约80行。完整版参考Git仓库。
设备连接 #mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf {font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .label text,#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .node rect,#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .node circle,#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .node ellipse,#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .node polygon,#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .node .label{text-align:center;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .edgeLabel{background-color:#e8e8e8;text-align:center;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:#e8e8e8;fill:#e8e8e8;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-aMmvYQSgMzU6Gepf :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;} 电磁波 射频 基带 环境 天线 B210 PC USRP B210 基于 AD9361芯片把放大、变频、滤波、AD、数字变频都做完了。输入的是射频信号输出的就是基带0中频复平面上的X、Y坐标。因此解调代码输入的就是XY坐标IQ路信号。这里给出其C语言核心代码如下
vectorchar demod_psk(const short (*iqdata)[2], const int splen)
{static const double fir_rcos_q25[25] {-0.018773,0.0030136,0.032677,0.047094,0.02655,-0.027522,-0.085225,-0.099447,-0.032147,0.11904,0.31118,0.472,0.53463,0.472,0.31118,0.11904,-0.032147,-0.099447,-0.085225,-0.027522,0.02655,0.047094,0.032677,0.0030136,-0.018773};static double fir_cache_i[25] {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};static double fir_cache_q[25] {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};//fir filterstatic unsigned long long clk 0, bad_angle 0, last_synclk 0;static const int WINSZ 4000;static double stati_win[WINSZ][2], sum_win[2] {0,0};static double cache_win[WINSZ][2];//smp best posstatic double clk_offset[4] {0,0,0,0};static bool bInited false;static double curr_dp 0;static int bestOff 0;//stati_wincache_win 归零初始化略去//...//bpsk bit outvectorchar dp_bitbuf//逐个点步进for (int i0;isplen;i){//1. 滤波去带外噪声fir_cache_i[clk % 25] iqdata[i][0];fir_cache_q[clk % 25] iqdata[i][1];double fval_i 0,fval_q 0;for (int f0;f25;f){fval_i fir_cache_i[(clkf1) % 25] * fir_rcos_q25[f];fval_q fir_cache_q[(clkf1) % 25] * fir_rcos_q25[f];}//2. 窗口统计去直流分量sum_win[0] - stati_win[clk%WINSZ][0];sum_win[1] - stati_win[clk%WINSZ][1];sum_win[0] fval_i;sum_win[1] fval_q;stati_win[clk%WINSZ][0] fval_i;stati_win[clk%WINSZ][1] fval_q;const double dcremoved[2] {fval_i - sum_win[0]/WINSZ, fval_q - sum_win[1]/WINSZ };cache_win[clk%WINSZ][0] dcremoved[0];cache_win[clk%WINSZ][1] dcremoved[1];//3. 最佳采样位置跟踪const int curr_offv clk % 4;clk_offset[curr_offv] (dcremoved[0]*dcremoved[0] dcremoved[1] * dcremoved[1]); //符号时钟位置同步double phy 0;//锁相环误差if (curr_offv bestOff){//锁相旋转double rt[2]{cos(-curr_dp),sin(-curr_dp)};const double out[2]{cache_win[(clk4)%WINSZ][0],cache_win[(clk4)%WINSZ][1]};double rp[2]{out[0] * rt[0] - out[1] * rt[1],out[0] * rt[1] out[1] * rt[0]};//失锁重置即重新测量相位误差phy atan_r(rp[1],rp[0]);if (phy c_pi/4 || phy -c_pi/4){curr_dp atan_r(out[1],out[0]);rt[0] cos(-curr_dp);rt[1] -sin(curr_dp);rp[0] out[0] * rt[0] - out[1] * rt[1];rp[1] out[0] * rt[1] out[1] * rt[0];phy atan_r(rp[1],rp[0]);bad_angle;}//更新环路curr_dp (phy/2);curr_dp wrapto2pi(curr_dp );//解调后的01比特dp_bitbuf.push_back( rp[0] 0? 0: 1 );}//错开最佳点2符号进行时钟误差补偿if (last_synclk WINSZ clk ((clk2) % 4)bestOff){last_synclk clk;int maxo 0;double maxv clk_offset[0];if (clk_offset[1] maxv) { maxo 1; maxv clk_offset[1];}if (clk_offset[2] maxv) { maxo 2; maxv clk_offset[2];}if (clk_offset[3] maxv) { maxo 3; maxv clk_offset[3];}bestOff maxo;clk_offset[0] 0; clk_offset[1] 0;clk_offset[2] 0; clk_offset[3] 0;}clk;}return dp_bitbuf
}不停地调用上述代码输入一段一段接收到的X\Y坐标IQ路信号输出一串串01比特。上述代码采用全静态内存、无任何的搬移、拷贝基本满足一般低速信号的处理要求。
下面我们逐一介绍每一步干了什么。在此之前先讨论一个题外话。
0. 题外话软硬件的思维大不相同
先放一张图 有多少人在看到这个BPSK 科斯塔斯环时会思考这个东西的C语言如何实现VCO、LF、LPF这么多滤波如何提速等等。其实我也困扰了很久.其实若从复平面、X\Y坐标去理解会发现用PC计算机实现BPSK解调完全不必有VCO以及这些设施。
上面的示意图是在上个世纪使用模拟器件处理解调工作的最佳方案。硬件记不住太多的历史数据因此无法统计一些信息硬件无法方便的计算各种角度比如atan。所以它用一个压控震荡源产生一个对消载波去环路匹配残差频率。在C语言里我们可以直接测量角度从而跟踪上向量的旋转对消载波是不必要的。PC的思路是
符号时刻t0观察到向量(x,y)在131度对BPSK则下一个符号时刻 t1 要么是 131180,要么还是131度。因此直接测量 atan(y,x,而后稍微和预计位置比较一下就可以得到残差相位了太直接了。整个环路就等效为一个角度变量的跟踪。
旋转打地鼠
如果把接收BPSK的两个可能的符号位置想象成一个黑色幕布下的两组地鼠洞地鼠会随时从任意洞口钻出来。更要命的是整个地鼠机放在一个转台上转台的转速就是各级模拟/数字下变频ADC、DDC到0频基带或者复平面xy坐标时保留的频率误差。现在要准确的打地鼠就是和解调非常类似的活动。
按照4倍速率XY坐标运动的地鼠角度跟踪最佳状态的地鼠
传统教材的科斯塔斯环等于是要产生一个和残差相位相反的旋转矢量叠加到输入载波让整体的地鼠盘子不动。而我们的C语言解调只要测量当前的残差相位并不断跟踪即可。盘子继续转动多了一个测量杆子curr_dp,这个杆子和地鼠一起转动每次根据地鼠的位置跟踪调整杆子的角度即可。
1. 滤波去带外噪声
由于要进行时钟同步以及奈奎斯特限制接收时往往采用比发射速率高几倍的速率进行接收。此时信号带宽外的噪声也进来了。去除带外噪声可以一定程度良化波形。
上文的代码 //1. 滤波去带外噪声fir_cache_i[clk % 25] iqdata[i][0];fir_cache_q[clk % 25] iqdata[i][1];double fval_i 0,fval_q 0;for (int f0;f25;f){fval_i fir_cache_i[(clkf1) % 25] * fir_rcos_q25[f];fval_q fir_cache_q[(clkf1) % 25] * fir_rcos_q25[f];}构造了一个环形结构实现时域滤波的卷积计算。由于FIR是对称的导致卷积反转不再需要。只要用时钟咬紧当前的位置即可搞一个25长度的环状缓存只记忆滤波需要的部分。同时时钟推进后用取余替代memcpy不进行内存搬移几乎没有开销。
这部分的效果可以通过等效的Octave代码处理真实数据来展示 左图是滤波前的向量位置打点图右图是滤波后的。显然滤波后0、1两坨坐标分的更开了。下面是仿真代码
pkg load communications;
clear;
clc;
mulrate 4;
symlen 1000;
dta1_bits randint (1, symlen, 2);
dta2_symbols pskmod (dta1_bits, 2, 0, gray);
#dta2_symbols qammod (dta1_bits, 4);
#figure(); plot (dta2_symbols, bx);dta3_sig zeros(1,symlen*mulrate);
dta3_sig(1:mulrate:end) dta2_symbols;#figure(); plot (dta3_sig, r);##fir send
[fir_rcos]rcosfir(0.25,[-3,3],mulrate,1,sqrt);dta4_baseband conv(dta3_sig,fir_rcos,same);#plot (dta4_baseband(1:mulrate:end), g*);
#figure; plot(fir_rcos);
##Trans# to rx
rf_sym_rate 1000;
rf_sample_rate rf_sym_rate * mulrate;dta5_recv awgn (dta4_baseband, 12);figure();plot (dta5_recv(1:mulrate:end), r.);##fir recv
dta6_filted dta5_recv;
dta6_filted conv(dta5_recv,fir_rcos,same);figure();plot (dta6_filted(1:mulrate:end), b.);dta7_sampled dta6_filted([1:mulrate:end]);
#figure();plot (dta7_sampled, b.);#dta8_est qamdemod (dta7_sampled, 4);
dta8_est pskdemod (dta7_sampled, 2,0,gray);biterr (dta1_bits, dta8_est)#figure();plot (real(dta4_baseband),r);
#figure();plot (real(dta6_filted),b);
2 窗口统计去直流分量
有些时候收到的向量具有一个整体的直流分量导致其不再围绕原点分布。表现在复平面上就是一坨位置跑到别处去。这样导致基于原点进行角度测量的三角函数都没有办法使用了。
解决此问题的方法很简单就是统计一个窗口里的坐标的均值并搬移到原点去。上文代码
//2. 窗口统计去直流分量sum_win[0] - stati_win[clk%WINSZ][0];sum_win[1] - stati_win[clk%WINSZ][1];sum_win[0] fval_i;sum_win[1] fval_q;stati_win[clk%WINSZ][0] fval_i;stati_win[clk%WINSZ][1] fval_q;const double dcremoved[2] {fval_i - sum_win[0]/WINSZ, fval_q - sum_win[1]/WINSZ };就干了这个事情。等一等为什么没有for循环这里面又使用了第二个环状统计缓存器即均值统计环状缓存。
缓存记住最新的WINSZ 4000个坐标以及他们的和sum_win。新的数据到来sum_win 先减去最老的那个时刻的值并加上新时刻的值。如此循环每个时钟下窗口都能跟踪当前的均值了。
3 时钟和频率同步
这是最关键的部分首先是时钟同步而后是频率同步。
时钟同步是为了获得地鼠盘让地鼠稳定的出现在一个看不见的圆圈上而不是乱窜。
频率同步就是打地鼠用一个角度跟踪器软件实现或者锁相环硬件跟踪残差频率造成的相位移动。
3.1 在恰当的时刻获取符号
在4倍采样率下由于不知道下图红色的正确位置在哪里所以随便抽取一路作为x,y的坐标值是不行的。 如何获取正确的位置呢我们通过观察这些正确位置上矢量均远离坐标原点在过渡位置上一半以上的点贴近坐标原点。因此只要统计当前四个偏移位置01,2,3上4000个样点的矢量长度和和最大的哪个就是最佳位置。
//3. 最佳采样位置跟踪const int curr_offv clk % 4;clk_offset[curr_offv] (dcremoved[0]*dcremoved[0] dcremoved[1] * dcremoved[1]); //符号时钟位置同步这里求矢量长度没有取SQRT为了省计算。其实是一样的只是比大小sqrt不改变其单调性。
由于收发双方的时钟存在误差这个最佳位置是会不断移动的。一小会是2后面可能就成了3,0,1 或者反方向编程了1,0,3,2的重复。所以每隔一段时间我们要重新评估这个最佳位置并只在最佳位置上抽取。其逻辑片段 static unsigned long long clk 0, last_synclk 0;static int bestOff 0;//逐个点步进for (int i0;isplen;i){//...//3. 最佳采样位置跟踪const int curr_offv clk % 4;clk_offset[curr_offv] (dcremoved[0]*dcremoved[0] dcremoved[1] * dcremoved[1]); //符号时钟位置同步//在最佳位置输出if (curr_offv bestOff){//...//解调后的01比特dp_bitbuf.push_back( rp[0] 0? 0: 1 );}//错开最佳点2符号进行重新评估if (last_synclk WINSZ clk ((clk2) % 4)bestOff){last_synclk clk;int maxo 0;double maxv clk_offset[0];if (clk_offset[1] maxv) { maxo 1; maxv clk_offset[1];}if (clk_offset[2] maxv) { maxo 2; maxv clk_offset[2];}if (clk_offset[3] maxv) { maxo 3; maxv clk_offset[3];}bestOff maxo;clk_offset[0] 0; clk_offset[1] 0;clk_offset[2] 0; clk_offset[3] 0;}clk;}错开最佳点2符号进行重新评估是为了稳定、隐含的解决双方钟差不同步需要进行符号填补、扣除的操作。比如收方每收10000个符号发方发了10017或者9983个符号那就要悄默默的追赶/剔除17个否则就乱套了。这种追赶/剔除行为就是在 bestOff调整时顺带完成的。bestOff变了导致下一次输出 if (curr_offv bestOff) 判断会提前、退后一个点。为了这个行为的稳定对bestOff的调整要避开当前最佳点越远越好于是时机选择在 ((clk2) % 4)bestOff。
3.2 测量并咬住相位
一旦找到了正确的时钟位置测量相位就是一个 x,y坐标到角度的变化了 static unsigned long long clk 0, last_synclk 0;static int bestOff 0;static double curr_dp 0;double phy 0;//锁相环误差if (curr_offv bestOff){//锁相旋转double rt[2]{cos(-curr_dp),sin(-curr_dp)};const double out[2]{cache_win[(clk4)%WINSZ][0],cache_win[(clk4)%WINSZ][1]};double rp[2]{out[0] * rt[0] - out[1] * rt[1],out[0] * rt[1] out[1] * rt[0]};//失败重置//...//更新环路curr_dp (phy/2);curr_dp wrapto2pi(curr_dp );//解调后的01比特dp_bitbuf.push_back( rp[0] 0? 0: 1 );}//...clk;}当然如果角度误差巨大说明跟踪失败了可以重置 //失锁重置即重新测量相位误差phy atan_r(rp[1],rp[0]);if (phy c_pi/4 || phy -c_pi/4){curr_dp atan_r(out[1],out[0]);rt[0] cos(-curr_dp);rt[1] -sin(curr_dp);rp[0] out[0] * rt[0] - out[1] * rt[1];rp[1] out[0] * rt[1] out[1] * rt[0];phy atan_r(rp[1],rp[0]);bad_angle;}4. 最终效果
通过上述操作最终紧紧咬住了BPSK 180度的相位变化获得了正确的数据流。由于不知道确切的相位是0还是180可能存在极性颠倒。如何抗颠倒交给上层协议去做了。
完整的SDR实现了双工的协议栈用主对方两个频率实现全通的IP网络连接。对于从0开始实现的纯C/C SDR大玩具可以非常细致的体会真正的通信系统设计实现环节的各种坑。目前还没有涉及到精确定时。精确定时在粗大的颗粒度下SDR是可以来做的。要在20ms以下进行定时、TDMA操作恐怕需要再踩一些坑。不过能够用有限的知识控制低成本的实验设备完成全套流程可玩性已经非常高了。 完整代码参考前文的Git仓库。发行版参考前文连接。
5.思考体会
通过这个实验我们发现对于基带信号直接从复平面的特性去思考要比从受限于模拟器件的角度得到的原理图去思考更直接。使用通用计算机进行操作或许有更为简便的算法等待开发。应该有教材在介绍传统的解调思路前把这些思考说清楚这样学生在学习时就更为有针对性了。
