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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

前言

无线电具有高便携性、强机动性等显著技术特征，是现代通信的关键组成部分，在军用通信领域亦不可或缺。传统无线电技术迭代或者新技术原型验证，通常需要开发专用芯片与硬件平台，成本较高，投资风险较大，在一定程度上制约了无线电技术的快速演进。
Joseph Mitola于1992年明确提出了软件无线电的概念，为解决上述无线电演进约束问题提供了可行思路。软件无线电的基本思想是构建开放、可拓展、接口标准且结构精简的通用硬件平台，把除射频前端以外的无线电配置和信号处理交给可重构、迭代版本之间兼容性强的结构化软件平台完成，尽可能地实现射频信号数字化、数据处理软件化。软件无线电技术从根本上革新了面向专用硬件与用途的无线电产品研发方法，显著降低了新技术推广应用的投入，在相当程度上缓解了科研人员的硬件平台开发压力，让创新回归技术思想演进与重构本身。
GNU Radio软件无线电技术是基于开源软件平台GNU Radio和通用硬件平台USRP完成无线电应用原型搭建与预研评估的重要技术。该技术具有软件平台兼容性好、开放程度高、硬件平台通用性好等优势。无线电从业者和业余爱好者可以以较低成本获取软件无线电平台，自定义无线通信实例，自由接入电磁空间。GNU Radio软件无线电技术有力地降低了无线电准入门槛，为无线电教学与研究提供了实用的软硬件平台，且已在工程领域取得广泛应用。目前，受前端器件和终端处理能力约束，GNU Radio软件无线电平台无法在较大的频带宽度上实现高速数据传输，且在软件易用程度方面存在一定限制。但是，随着软硬件平台的迭代演进，GNU Radio软件无线电技术必将为更为广阔的技术创新奠定坚实基础。
本书主要面向高等院校电子信息与通信类相关专业本科生与研究生编写，注重理论与实际相结合，教学实验与科研实践深度互补。本书在编写过程中，遵循“选题典型性、理论系统性、实践递进性、应用先进性与编写规范性”的原则，以“数、图、声、视”的软件无线电实现效果为载体，力图使读者真实感受无线电信号从信源到信宿的传播过程，强化对无线通信基础知识的理解，同时达到识练一体的工程创新思维培养与激发效果。
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，涵盖了通用软件无线电平台（GNU Radio与USRP）的软硬件架构、使用方法、通信系统实践与综合应用等方面。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1章概述了软件无线电的概念、技术沿革、技术优势，以及发展和应用现状；第2章主要介绍了软件无线电信号处理基础理论，包括信号采样、多速率信号处理、数字滤波及数字变频等。第二部分的主题为GNU Radio与USRP平台，包含第3～8章：第3章简述了GNU Radio软件平台的功能和架构；第4章具体讲述了GNU Radio的安装与使用方法；第5章和第6章分别重点讲述了GNU Radio应用程序与模块的编写方法与流程示例；第7章讲述了GNU Radio信号波形可视化与图形用户界面的编辑和使用方法，并结合实际示例给出了展示效果；第8章介绍了USRP硬件架构与配置使用方法。第三部分的主题为通信系统实践案例，包含第9～17章，分别侧重讲述了信源、信道、模拟调制解调、数字基带传输、数字频带传输、信源编解码、信道编解码、同步技术、扩频技术的案例。第四部分的主题为通信系统综合应用实验，其中第18章为跳频通信抗干扰系统综合实验，第19章为码分多址通信系统综合实验，第20章为空时编码MIMO-OFDM视频传输系统综合实验，第21章为拓展应用实验，第22章为常见问题与解决方案。全书图文并茂、通俗易懂，理论与实际相结合，实用性强。
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。
本书由周福辉、刘伯阳、刘超文、翟文超编写。本书的编写得到了武汉珞光电子有限公司的设备支持与大力帮助，在此表示感谢。西安邮电大学的卢光跃校长、南京航空航天大学的吴启晖副校长为本书的编写提出了宝贵的指导意见，并为编者提供了宽松的工作环境与必要的软硬件支持，在此表示由衷感谢！此外，西安邮电大学的研究生魏晨松、边嘉慧、翟鹏宇、刘超、魏健等结合自己的研究工作，对本书的编写和校对做出了重要贡献，在此一并感谢！
本书的编著工作得到了国家自然科学基金项目（编号61901366）的资助，特此感谢。
编者水平所限，加之GNU Radio软硬件技术持续换代更新，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。

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GNU Radio 软件无线电基础、实践与应用