一緒論1.1課題背景自20世紀(jì)80年代第一代移動(dòng)通信技術(shù)誕生，40多年以來移動(dòng)通信技術(shù)飛速發(fā)展?，F(xiàn)如今我們正在逐漸的進(jìn)入5G時(shí)代，與此同時(shí)一些通信領(lǐng)域的高科技企業(yè)如華為等已經(jīng)開始預(yù)研6G技術(shù)。在移動(dòng)通信技術(shù)更新?lián)Q代如此迅速的背景下，伴隨而來的是調(diào)制技術(shù)將朝更高要求發(fā)展，以適應(yīng)用戶與時(shí)代的日益增長的需求。后面的參考文獻(xiàn)沒有在緒論部分引用所謂調(diào)制技術(shù)就是把一些由于頻率、帶寬以及易受干擾等原因，而不適合直接發(fā)射的信號(hào)形式轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)囊环N過程。正交振幅調(diào)制(QAM，QuadractureAmplitudeModulation)是5G中得到應(yīng)用的調(diào)制方式，QAM調(diào)制技術(shù)具有高的頻譜利用率。在正交振幅調(diào)制中，先將輸入比特映射到一個(gè)復(fù)平面上，也即將發(fā)送數(shù)據(jù)分成I、Q兩路，形成復(fù)數(shù)調(diào)制符號(hào)，然后將符號(hào)的I、Q分量采用幅度調(diào)制，分別對(duì)應(yīng)調(diào)制在相互正交的兩個(gè)載波上[1]。正交振幅調(diào)制有多種實(shí)現(xiàn)方式，其中可采用的是軟件無線電。軟件無線電(SDR，SoftwareDefinedRadio)是一種無線通信技術(shù)，軟件無線電的主要特征為利用計(jì)算機(jī)上的軟件平臺(tái)進(jìn)行仿真、編程等來控制傳統(tǒng)的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)所需功能的無線通信技術(shù)。軟件無線電技術(shù)的重要價(jià)值在于：傳統(tǒng)的硬件無線電通信設(shè)備只是作為無線通信的基本平臺(tái)，而軟件無線電許多的通信功能則是由軟件來實(shí)現(xiàn)，打破了有史以來設(shè)備的通信功能的實(shí)現(xiàn)僅僅依賴于硬件發(fā)展的格局。軟件無線電技術(shù)的出現(xiàn)是通信領(lǐng)域繼固定通信到移動(dòng)通信，模擬通信到數(shù)字通信之后的一次大的發(fā)展。可重復(fù)編程以及可重構(gòu)性使得軟件無線電具有良好的發(fā)展前景。軟件無線電可采用的軟件開發(fā)工具是GNURadio，它是一個(gè)開源的基于軟件無線電思想的開源軟件無線電平臺(tái)，其主要運(yùn)行于Linux系統(tǒng)，也可移植到其他常用的操作系統(tǒng)如Windows或MACOS等系統(tǒng)上，其所用的編程語言為Python腳本語言結(jié)合C++編程語言。GNURadio通過結(jié)合通用的硬件平臺(tái)，如HackRF等，用軟件編程來定義無線電波的發(fā)射與接收，同時(shí)結(jié)合使用計(jì)算機(jī)、天線等，進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試與測(cè)試，最終搭建軟件無線電系統(tǒng)。GNURadio里的標(biāo)準(zhǔn)庫非常豐富，包括調(diào)制解調(diào)、信源編碼解碼、信道編碼解碼以及信號(hào)處理模塊等等。如今，全球已經(jīng)更加廣泛地使用GNURadio和通用硬件搭配所組成的無線應(yīng)用平臺(tái)。我們使用的硬件平臺(tái)是其中的HackRF，它是首個(gè)全開源的SDR外設(shè)平臺(tái)開源，可通過硬件接口USB與電腦相連然后與GNURadio軟件進(jìn)行通信。1.2QAM調(diào)制技術(shù)及軟件無線電發(fā)展現(xiàn)狀與前景我們正處于4G時(shí)代步入到5G商用時(shí)代過度的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，與此同時(shí)也就意味著對(duì)調(diào)制技術(shù)的更高要求，也就是對(duì)其抗干擾性能、功率占用以及頻帶利用率等重要指標(biāo)的更高要求。調(diào)制的方式多種多樣，根據(jù)調(diào)制信號(hào)是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，載波是連續(xù)波還是脈沖序列，相應(yīng)的調(diào)制方式有連續(xù)波模擬調(diào)制、連續(xù)波數(shù)字調(diào)制、脈沖模擬調(diào)制和脈沖數(shù)字調(diào)制。正交幅度調(diào)制(QAM)技術(shù)是一種高效的數(shù)字調(diào)制方式，它是用兩個(gè)獨(dú)立的基帶數(shù)字信號(hào)對(duì)兩個(gè)相互正交的同頻載波進(jìn)行抑制載波的二維調(diào)制方式，其具有功率利用率高和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。另外，由于其利用幅度-相位聯(lián)和鍵控來實(shí)現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸，因此與其它調(diào)制方式相比，在相同的頻帶條件下，64QAM能傳輸更高數(shù)據(jù)的速率和更多的消息量。因此，其中的64QAM在無線通信技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在最為人所討論的5G技術(shù)便是其代表應(yīng)用。LTE無線通信技術(shù)自2004年啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化工作到2009部署全球第一張網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)年的發(fā)展，LTE網(wǎng)絡(luò)快速部署以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主導(dǎo)的新型業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，激發(fā)了產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新活力。在市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，移動(dòng)通信的技術(shù)演進(jìn)步伐急需加速。現(xiàn)如今移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)正邁入5G的新時(shí)代，新的業(yè)務(wù)需求意味著對(duì)上下行速率、系統(tǒng)容量以及資源利用率等的更高要求。64QAM調(diào)制技術(shù)，理論上將提升50%的速率，在現(xiàn)網(wǎng)中開啟上行64QAM并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定使用是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)。[2]軟件無線電(SDR)是一種無線通信領(lǐng)域的技術(shù)，軟件無線電最初的應(yīng)用是由美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）提出的Speakeasy計(jì)劃。軟件無線電的主要特征有兩點(diǎn)：第一，它具有很強(qiáng)的靈活性，采用通用平臺(tái)，通過軟件的重新編程。第二，它具有很強(qiáng)的開放性，它采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化軟硬件結(jié)構(gòu)。硬件可以隨著器件發(fā)展進(jìn)行更新和擴(kuò)展，軟件也可以根據(jù)需要進(jìn)行升級(jí)。這樣既能保證和原有的系統(tǒng)兼容，還可以不斷提高性能，增強(qiáng)功能。它的出現(xiàn)是無線通信領(lǐng)域繼固定通信到移動(dòng)通信，模擬通信到數(shù)字通信之后的一次大的發(fā)展?？芍貜?fù)編程以及可重構(gòu)性使得軟件無線電具有良好的發(fā)展前景。當(dāng)前，移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展，不同標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)間的兼容性成為了擺在眼前的難題。在我們國家大力進(jìn)行5G基礎(chǔ)建設(shè)的同時(shí)，對(duì)于已經(jīng)成熟地商業(yè)運(yùn)營了數(shù)年的4G來說，在全面普及5G之前甚至在普及5G后的一段時(shí)間內(nèi)，它還會(huì)占有部分的用戶數(shù)量。因此對(duì)于運(yùn)營商和移動(dòng)終端制造商來說，如何解決4G和5G之間的兼容問題，以及如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的無縫漫游，是能否為這些用戶提供良好的服務(wù)的關(guān)鍵所在。這就需要采用一個(gè)通用平臺(tái)，通過軟件的重新編程，來適應(yīng)不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，來解決不同系統(tǒng)和協(xié)議之間的兼容問題。軟件無線電由于其具有良好的可重復(fù)編程以及可重構(gòu)性可以很方便地解決這個(gè)問題。目前，可使用的軟件無線電平臺(tái)有很多，本文中采用的為GNURadio軟件平臺(tái)+HackRF硬件平臺(tái)組合成的軟件無線電平臺(tái)。軟件無線電具有開源、可重復(fù)編程以及可重構(gòu)性等特點(diǎn)，軟件無線電不僅應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，如電子信息戰(zhàn)以及相控陣?yán)走_(dá)等等。而且也在其它領(lǐng)域比如物聯(lián)網(wǎng)、智能家電和科研等領(lǐng)域得到推廣，如各種AIOT設(shè)備等。這極大促進(jìn)軟件無線電技術(shù)的飛速發(fā)展，極具發(fā)展前景。1.3論文主要內(nèi)容及章節(jié)安排本文以64QAM為主要研究對(duì)象，對(duì)其調(diào)制的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究。基于GNURadio軟件平臺(tái)搭建GRC流圖，包括信號(hào)源模塊、調(diào)制模塊以及發(fā)射模塊。采用Hackrf-One硬件平臺(tái)，結(jié)合使用計(jì)算機(jī)、天線等，進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試與測(cè)試，搭建的一個(gè)64QAM發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)論證其數(shù)據(jù)傳輸能力。論文各個(gè)章節(jié)主要內(nèi)容如下：第一章：主要介紹了課題背景，在移動(dòng)通信技術(shù)高速發(fā)展的背景下，對(duì)于信號(hào)調(diào)制技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展；接著綜合介紹了64QAM調(diào)制技術(shù)及軟件無線電發(fā)展現(xiàn)狀與前景；第二章：本章首先闡述64QAM調(diào)制理論之后結(jié)合理論推導(dǎo)出64QAM調(diào)制的流程，之后介紹了軟件平臺(tái)GNURadio以及硬件平臺(tái)HackRF，為之后的軟件仿真以及硬件連接打好基礎(chǔ)。第三章：對(duì)64QAM發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，之后在GNURadio軟件上進(jìn)行GRC流圖的連接同時(shí)對(duì)一些需要用到的模塊進(jìn)行了參數(shù)的設(shè)置；也在GNURadio軟件上進(jìn)行仿真測(cè)試，仿真通過之后，進(jìn)行硬件之間的連接測(cè)試，最后在軟件平臺(tái)上將GRC流圖以及自動(dòng)生成的python與硬件平臺(tái)聯(lián)調(diào)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。第四章：論文的總結(jié)與展望，對(duì)本文進(jìn)行了概括，反思了實(shí)驗(yàn)過程中存在的不足以及下一步的實(shí)驗(yàn)方向。二64QAM調(diào)制技術(shù)及軟硬件平臺(tái)2.164QAM調(diào)制技術(shù)在我們的實(shí)際生活中所接觸和使用到的大多數(shù)的信號(hào)都不適合直接在信道中傳輸，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)信道如無線信道等，都具有帶通的性質(zhì)，所以不能夠直接傳輸基本上都具有大量的低頻分量的基帶信號(hào)。由此在信號(hào)的傳輸過程中，需要用到一種極為關(guān)鍵的技術(shù)——調(diào)制技術(shù)。調(diào)制技術(shù)就是把一些由于頻率、帶寬以及易受干擾等原因，而不適合直接發(fā)射的信號(hào)形式轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)囊环N過程。調(diào)制的方式多種多樣，根據(jù)調(diào)制信號(hào)是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，載波是連續(xù)波還是脈沖序列，相應(yīng)的調(diào)制方式有連續(xù)波模擬調(diào)制、連續(xù)波數(shù)字調(diào)制、脈沖模擬調(diào)制和脈沖數(shù)字調(diào)制。正交幅度調(diào)制(QAM)技術(shù)是一種高效的數(shù)字調(diào)制方式，相對(duì)于其它的調(diào)制方式來說，它的抗干擾性能更好，適應(yīng)信道能力更強(qiáng)，噪聲容限更大，同時(shí)頻帶利用率更高。這種數(shù)字帶通調(diào)制體制通常有16QAM、64QAM和256QAM信號(hào)等，在這些QAM信號(hào)中，狀態(tài)數(shù)越低(星座點(diǎn)之間的空間距離越遠(yuǎn))，抗干擾能力越強(qiáng)，但調(diào)制效率變低，攜帶信息量變少。狀態(tài)數(shù)越高(星座點(diǎn)之間的空間距離越近)，抗干擾能力越弱，但調(diào)制效率變高，攜帶信息量變多，對(duì)信道質(zhì)量要求也越高[3]。本文討論的是其中的64QAM調(diào)制技術(shù)。64QAM信號(hào)在調(diào)制時(shí)產(chǎn)生2個(gè)邊帶信號(hào)和1個(gè)載波分量，載波分量不攜帶信息，不能有效利用功率，所以在輸出信號(hào)中會(huì)將其抑制。在64QAM信號(hào)調(diào)制技術(shù)體制中，信號(hào)的振幅和相位作為兩個(gè)相互獨(dú)立的參量同時(shí)受到調(diào)制。這種信號(hào)的一個(gè)碼元可以表示為：(式2-1)式中：k=整數(shù)；分別可以取多個(gè)離散值。式2-1可以展開為：(式2-2)令：(式2-3)則式2-1變?yōu)椋?式2-4)也是可以取多個(gè)離散值的變量。從式2.4看出，可以看作是兩個(gè)正交的振幅鍵控之和。由于QAM信號(hào)的矢量圖看起來與星座十分相似，所以也叫星座(constellation)調(diào)制。圖2-164QAM星座圖如上圖所示，64QAM信號(hào)擁有64個(gè)星座點(diǎn)，其中每個(gè)星座點(diǎn)的調(diào)制都由信號(hào)的振幅和相位作為兩個(gè)相互獨(dú)立的參量同時(shí)決定，且每個(gè)星座點(diǎn)攜帶6bit數(shù)據(jù)。2.264QAM調(diào)制過程我們使用正交調(diào)幅的方法來產(chǎn)生64QAM信號(hào)，其調(diào)制過程如下：圖2-264QAM調(diào)制流程圖1）、信號(hào)源：由信號(hào)源產(chǎn)生二進(jìn)制的比特流，之后進(jìn)入到64QAM調(diào)制器。2）、64QAM調(diào)制器：a、輸入的信號(hào)首先經(jīng)過串并變化，將一路串行信號(hào)變?yōu)樗俾蕼p半的兩路并行信號(hào)；b、然后分別經(jīng)過2電平到L電平的變化，兩路并行信號(hào)變?yōu)長電平的基帶信號(hào)，之后經(jīng)過低通濾波器，變形成了式2-4的信號(hào)；再與相互正交的載波信號(hào)相乘；d、最后將兩路信號(hào)相加之后得到的64QAM信號(hào)送入發(fā)射模塊。3）、發(fā)射模塊：將已經(jīng)調(diào)制好的64QAM信號(hào)經(jīng)天線等硬件平臺(tái)發(fā)送出去。2.3GNURadio+HackRF平臺(tái)2.3.1GNURadio軟件平臺(tái)GNURadio與軟件無線電的DSP類似，GNURadio是由無線電工程師Eric發(fā)起（由慈善家JohnGilmore資助發(fā)起）的一個(gè)開源軟件無線電平臺(tái)，它相當(dāng)于軟件無線電中的DSP處理。信號(hào)處理模塊主要通過C++語言來編寫，而信號(hào)處理模塊之間的連接則由Python語言粘接。它的所有代碼和資源都是完全對(duì)用戶開源的，用戶通過在其官方網(wǎng)站上下載源代碼，或參與和更新維護(hù)該源代碼，或升級(jí)軟件的功能。利用GNURadio通過結(jié)合掠準(zhǔn)的、通用的硬件平臺(tái)，如USRP、BladeRF、HackRF、RTLSDR等，用軟件編程來定義無線電波的發(fā)射與接收來搭建軟件無線電系統(tǒng)。GNURadio和通用硬件搭配構(gòu)成的無線應(yīng)用平臺(tái)已經(jīng)在全世界越來越廣泛的被使用。如果不搭配硬件設(shè)各使用，也可單獨(dú)通過GNURadio進(jìn)行某些調(diào)制或解調(diào)等其他信號(hào)處理的仿真，或者使用己經(jīng)保存的數(shù)據(jù)或文件來進(jìn)行仿真，該對(duì)于信號(hào)處理算法的研究也是非常有幫助的?；贕NURadio的應(yīng)用是由Python語言和C++語言共同編寫的，C++的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)執(zhí)行效率高，主要被用于編寫一些信號(hào)處理模塊的功能，如信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)、信道的編碼和譯碼模塊、頻譜分析儀模塊、軟件示波器模塊，GNURadio中將這些信號(hào)處理模塊稱為block。Python是一種不需要編譯、語法相對(duì)簡(jiǎn)單而且是完全面向?qū)ο蟮男滦偷哪_本語言，因此被用于連接各個(gè)信號(hào)處理模塊，使得應(yīng)用中信號(hào)的處理成為一個(gè)完整的流程，稱為FlowGragh。而實(shí)現(xiàn)C++模塊與Python流圖則稱為SWIG，因此，對(duì)于GNURadio而言，大致可分為block、FlowGragh和SWIG三種模塊類型。由于C++和Python的強(qiáng)大功能，因此用戶在開發(fā)時(shí)可靈活的自定義信號(hào)處理模塊，調(diào)用已有信號(hào)處理模塊，高效地構(gòu)建應(yīng)用環(huán)境。GNURadio軟件面向用戶的結(jié)構(gòu)是信號(hào)處理模塊，用戶除了使用GNURadio所包含的豐富的處理模塊外，還可自己定義特定功能的信號(hào)處理模塊，GNURadio提供很多通用的構(gòu)建無線通信的模塊庫，包括各種調(diào)制方式(QPSK，GMSK，QAM，OFDM，等)、觀察信號(hào)波形圖、頻譜圖，星座圖圖形模塊(Scopesink、Tsink、Constellation址等)、糾錯(cuò)碼特比碼、R-S碼、Turbo碼)、信號(hào)處理模塊(濾波器、均衡器、定時(shí)恢復(fù))和調(diào)度。它是一個(gè)很靈活的系統(tǒng)，并且擴(kuò)展新的處理模塊也比較容易，編程者可通過搭建相應(yīng)的模塊構(gòu)建無線電應(yīng)用的流圖，也根據(jù)應(yīng)用的需要自定義編碼來擴(kuò)展模塊構(gòu)建自定義的無線應(yīng)用，構(gòu)建應(yīng)用的信號(hào)處理模塊可通過某種機(jī)制連接在一起形成一整個(gè)系統(tǒng)，構(gòu)建應(yīng)用的圖形化接口和各信號(hào)模塊的連接是由Python語言來完成?；贕NURadio軟件平臺(tái)可快速構(gòu)建相應(yīng)的無線電系統(tǒng)，此系統(tǒng)可視化高，只需要在GRC界面搭建相應(yīng)的模塊，通過和硬件連接設(shè)置相對(duì)應(yīng)的模塊參數(shù)，即可構(gòu)建一個(gè)完整的無線電系統(tǒng)，一個(gè)完整的無線電系統(tǒng)流程圖一般包括信源模塊（信號(hào)產(chǎn)生模塊）、濾波器模塊、信宿模塊（信號(hào)發(fā)射模塊或者信號(hào)輸出模塊）及圖形調(diào)試模塊，此外可根據(jù)用戶需求添加相應(yīng)的模塊，像SSB模塊中，根據(jù)SSB解調(diào)原理，需complextoreal(復(fù)變實(shí))模塊。GNURadio軟件平臺(tái)為用戶提供了豐富成熟的模塊，方便用戶可視化調(diào)用，用戶也可以根據(jù)自己的需求，進(jìn)行自定義模塊，以完成自身開發(fā)需求。2.3.2HackRF硬件平臺(tái)HackRF是由美國工程師MichaelOssmann發(fā)起的開源軟件無線電外設(shè)，并且可支持GNURadio軟件，可以覆蓋30MHz-6GHz，數(shù)據(jù)帶寬20MHz，采樣精度（ADC/DAC）8bi，采樣速率（ADC/DAC）20Mbps，硬件接口USB，最大發(fā)射功率10dBm，64QAM（正交振幅調(diào)制）發(fā)射EVM（誤差向量幅度）為1.5%，復(fù)采樣帶寬20MHz。對(duì)應(yīng)于軟件無線電結(jié)構(gòu)，HackRF內(nèi)部使用的是軟件無線電正交調(diào)制解調(diào)采樣結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的射頻電路包括放大器、混頻器和帶阻濾波器，而中頻電路包括線性射頻放大器，中頻帶通濾波器，模擬混頻正交變換器，基帶處理由PC機(jī)進(jìn)行處理。其接收過程是由射頻電路將射頻信號(hào)一次下邊頻為中頻信號(hào)，再通過中頻電路將中頻信號(hào)二次下變頻為模擬基帶信號(hào)，然后將模擬基帶信號(hào)經(jīng)過A/D采樣變?yōu)榛鶐?shù)字信號(hào)，傳送到PC機(jī)上進(jìn)行處理。HackRF內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖和實(shí)物圖如圖3.3和3.4（這兩個(gè)圖在哪里，應(yīng)該是圖2.3、2.4），射頻部分使用的芯片是RFFC5072(寬頻合成器)，中頻部分采用Max2837芯片，A/D或D/A采用Max5864，最后經(jīng)過CPLD和微控器使數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上，在GNURadio上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。2.3本章小結(jié)本章首先闡述64QAM調(diào)制理論之后結(jié)合理論推導(dǎo)出64QAM調(diào)制的流程，之后介紹了軟件平臺(tái)GNURadio以及硬件平臺(tái)HackRF，為之后的軟件仿真以及硬件連接打好基礎(chǔ)。三基于GNURadio的64QAM發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1GNURadio軟件的安裝與測(cè)試在進(jìn)行64QAM發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)之前，我們首先要進(jìn)行一些前期的準(zhǔn)備工作。GNURadio，它是一個(gè)開源的基于軟件無線電思想的開源軟件無線電平臺(tái)，其主要運(yùn)行于Linux系統(tǒng)，也可移植到其他常用的操作系統(tǒng)如Windows或MACOS等系統(tǒng)上。本文中實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)所用計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)皆為Windows系統(tǒng)，由于計(jì)算機(jī)配置，考慮到安裝雙系統(tǒng)可能會(huì)帶來出現(xiàn)卡頓、死機(jī)等問題（可能不是因?yàn)殡p系統(tǒng)的問題，是由于需要安裝的ubnutu系統(tǒng)本身比較小，不需要太強(qiáng)大硬件資源），本次實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)均采用在Windows系統(tǒng)上安裝虛擬機(jī)的方式進(jìn)行。經(jīng)過學(xué)習(xí)與調(diào)研GNURadio、HackRF、Ubuntu、64QAM等相關(guān)知識(shí)之后，制訂了以下的完成此次設(shè)計(jì)的步驟。首先下載安裝好虛擬PC軟件VMware，VMware（威睿）是全球桌面到數(shù)據(jù)中心虛擬化解決方案的領(lǐng)導(dǎo)廠商。全球不同規(guī)模的客戶依靠VMware來降低成本和運(yùn)營費(fèi)用、確保業(yè)務(wù)持續(xù)性、加強(qiáng)安全性并走向綠色。本次實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)所使用的是VMware15.5版本的軟件。由于GNURadio主要運(yùn)行于Linux系統(tǒng)上，所以需要在虛擬機(jī)上安裝Ubuntu系統(tǒng)。Ubuntu是一個(gè)以桌面應(yīng)用為主的Linux操作系統(tǒng)，Ubuntu適用于筆記本電腦、桌面電腦和服務(wù)器，特別是為桌面用戶提供盡善盡美的使用體驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)所使用的是Ubuntu16.04.6版本的操作系統(tǒng)。安裝好了Ubuntu操作系統(tǒng)之后，首先需要更新源路徑，把國外源路徑換為國內(nèi)的清華、阿里云等國內(nèi)比較快的鏡像源。之后開始安裝GNURadio3.8，安裝方法有腳本安裝以及手動(dòng)編譯安裝，這里我們選擇腳本安裝。腳本安裝是ERIC為了減輕開發(fā)者的安裝和后續(xù)配置環(huán)境變量的麻煩，將GNURadio的軟件包依賴庫、硬件驅(qū)動(dòng)、設(shè)置環(huán)境變量整合為一個(gè)命令，執(zhí)行在終端輸入此命令，便可以減少很多麻煩，首先按Ctrl+Alt+T鍵，打開終端界面，在終端輸入按以下指令進(jìn)行編譯。安裝過程如下：圖3-1GNURadio安裝流程圖（字體應(yīng)該是宋體五號(hào)）首先需要添加源列表：源列表里面都是一些網(wǎng)址信息，這每一條網(wǎng)址就是一個(gè)源，這個(gè)地址指向的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)著這臺(tái)源服務(wù)器上有哪些軟件可以安裝使用；然后更新軟件列表和更新軟件：訪問源列表里的每個(gè)網(wǎng)址，并讀取軟件列表，然后保存在本地電腦，再把本地已安裝的軟件，與剛下載的軟件列表里對(duì)應(yīng)軟件進(jìn)行對(duì)比，如果發(fā)現(xiàn)已安裝的軟件版本太低，就會(huì)提示你更新；之后安裝一些所需要用的軟件包：軟件無線電接收軟件(gqrx），調(diào)整相關(guān)參數(shù)即可觀察信號(hào)接收頻譜，并且可以解調(diào)信號(hào)；GNURadio中驅(qū)動(dòng)HackRF的通信模塊(osmocom)；和GNURadio的圖形化編譯器(gnuradio-companion)，在其上生成的流圖可以直接編譯成python程序來執(zhí)行。最后進(jìn)行測(cè)試工作：連接天線和USB線，再用USB連接HackRF硬件和計(jì)算機(jī)，HackRF的USB識(shí)別指示燈亮即USB驅(qū)動(dòng)正常（Ubuntu一般不用另外安裝驅(qū)動(dòng)程序，而Windows要安裝），之后打開終端終端執(zhí)行hackrf_info代碼時(shí)，若顯示如下板子的信息則HackRF可正常使用：圖3-2HackRF硬件連接測(cè)試圖3.264QAM發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)由第二章對(duì)于64QAM調(diào)制技術(shù)的探討，基本上64QAM發(fā)射系統(tǒng)有三大部分組成：第一部分為信號(hào)源部分：其主要功能為產(chǎn)生二進(jìn)制的比特流。第二部分為64QAM調(diào)制模塊：其主要功能為經(jīng)過調(diào)制產(chǎn)生64QAM信號(hào)，輸入的信號(hào)首先經(jīng)過串并變化，將一路串行信號(hào)變?yōu)樗俾蕼p半的兩路并行信號(hào)；然后分別經(jīng)過2電平到L電平的變化，兩路并行信號(hào)變?yōu)長電平的基帶信號(hào)，之后經(jīng)過低通濾波器，變形成了式2-4的信號(hào)；再與相互正交的載波信號(hào)相乘。最后將兩路信號(hào)相加之后得到的64QAM信號(hào)。第三部分為發(fā)射部分：這個(gè)模塊是GNURadio中驅(qū)動(dòng)HackRF的通信模塊，其主要功能為將已經(jīng)調(diào)制好的64QAM信號(hào)經(jīng)功率放大、HackRF、天線等硬件平臺(tái)發(fā)送出去。由此可以得出64QAM發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖如下：圖3-364QAM發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖打開終端終端執(zhí)行g(shù)nuradio-companion代碼，稍微等待進(jìn)入GNURadio的圖形化編譯器，再根據(jù)下圖進(jìn)行64QAM發(fā)射系統(tǒng)GRC流圖的連接繪制。 圖3-364QAM發(fā)射系統(tǒng)GRC流圖發(fā)射端的GRC流圖由三大部分組成：1、信號(hào)源模塊圖3-4信號(hào)源模塊這是信號(hào)源模塊，產(chǎn)生二進(jìn)制的比特流。在GNURadio軟件平臺(tái)上本文選用的是VectorSource模塊，這里我們使用Python的range函數(shù)生成了從[0,1,2,…,63]的序列作為整個(gè)64QAM發(fā)射系統(tǒng)的信源。信源模塊VectorSource的一些參數(shù)設(shè)置如下：OutputType：信號(hào)輸出的類型，這里我們選擇的是Byte；Vector：獲取數(shù)據(jù)的矢量，這里我們使用Python的range函數(shù)生成了從[0,1,2,…,63]的序列；Repeat：指的是一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)束后是否重復(fù)該數(shù)據(jù)，這里我們選的是Yes；VectorLength：矢量長度，這里我們?cè)O(shè)置為1。2、64QAM信號(hào)調(diào)制模塊圖3-564QAM調(diào)制模塊由上一個(gè)信源模塊輸入64QAM調(diào)制器的信號(hào)首先經(jīng)過串并變化，將一路串行信號(hào)變?yōu)樗俾蕼p半的兩路并行信號(hào)。然后分別經(jīng)過2電平到L電平的變化，兩路并行信號(hào)變?yōu)長電平的基帶信號(hào)，之后經(jīng)過低通濾波器，變形成了式2-4的信號(hào)；再與相互正交的載波信號(hào)相乘。最后將兩路信號(hào)相加之后得到的64QAM信號(hào)送入發(fā)射模塊。64QAM信號(hào)調(diào)制模塊的一些參數(shù)設(shè)置如下：NumberofConstellation：這里我們選擇的是64；InputTye：Byte；OutputType：Complex；Samples/Symbol：每個(gè)符號(hào)的采樣數(shù)，應(yīng)該大等2，我們這里設(shè)置為6；ExcessBW：帶寬設(shè)為350m。MultiplyConst用于對(duì)輸出I、Q的幅度進(jìn)行限制圖3-6I、Q限制模塊3、發(fā)射模塊圖3-7發(fā)射模塊這個(gè)模塊是發(fā)射模塊，是在GNURadio軟件中驅(qū)動(dòng)HackRF的通信模塊，其主要功能為將已經(jīng)調(diào)制好的64QAM信號(hào)進(jìn)行功率放大，將基帶信號(hào)搬移至射頻，連接計(jì)算機(jī)通過與USB相連HackRF硬件和天線發(fā)送出去。在GNURadio里，Sink表示信號(hào)輸出，Source表示信號(hào)輸入。發(fā)射模塊osmocomSink的一些參數(shù)設(shè)置如下：DeviceArguments：可以填上hackrf=0；SampleRate設(shè)置為samp_rate，如圖3-3之前已經(jīng)設(shè)置了samp_rate為6M；Ch0Frequency：要發(fā)射的頻率，此處我填了801.324e6，表示801.324MHz；Ch0FreqCorr(ppm)：HackRF的頻率較正值，在沒有經(jīng)過儀表校正時(shí)，可以直接先填0，有條件可以使用頻譜儀或信號(hào)源進(jìn)行標(biāo)定；Ch0RFGain(dB)：表示HackRF放大器是否開啟，盡管此處Gain可任意輸入，但事實(shí)上只有兩檔，0和14dB，并不是連續(xù)可調(diào)的，指的是進(jìn)入MAX2837收發(fā)器后給的增益，在此我們填14；Ch0IFGain(dB)：表示HackRF的中頻增益，在此我們填20；Ch0BBGain(dB)：表示HackRF的基帶增益指是的進(jìn)入ADC/DAC芯片后給的增益，在此我們填20。3.364QAM發(fā)射系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證3.3.1仿真模型圖3-8I、Q波形圖與頻譜圖圖為已經(jīng)調(diào)制好的I、Q兩路信號(hào)的波形圖中橫坐標(biāo)代表時(shí)間，單位為us，縱坐標(biāo)為代表振幅。圖3-964QAM星座圖3.3.2實(shí)物模型圖3-10實(shí)物模型首先將第一個(gè)HackRF硬件通過USB連接是上我們的第一臺(tái)有64QAM發(fā)射系統(tǒng)程序的計(jì)算機(jī)，并安裝好天線之后進(jìn)行hackrf_info代碼的測(cè)試連接是否成功，成功后將GNURadio軟件平臺(tái)上的GRC流圖以及自動(dòng)生成的python燒入到第一個(gè)HackRF硬件上；之后用第二個(gè)HackRF硬件通過USB連接是上我們的第二臺(tái)有64QAM解調(diào)系統(tǒng)程序的計(jì)算機(jī)，并安裝好天線，測(cè)試連接完成后進(jìn)行接收工作。如圖3-10所示，能夠看到接受模塊收到信號(hào)的星座圖為64QAM信號(hào)的星座圖，實(shí)驗(yàn)基本成功。3.4本章小結(jié)對(duì)64QAM發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，之后在GNURadio軟件上進(jìn)行GRC流圖的連接同時(shí)對(duì)一些需要用到的模塊進(jìn)行了參數(shù)的設(shè)置；也在GNURadio軟件上進(jìn)行仿真測(cè)試，仿真通過之后，進(jìn)行硬件之間的連接測(cè)試，最后在軟件平臺(tái)上將GRC流圖以及自動(dòng)生成的python燒入到硬件中，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。四總結(jié)與展望4.1總結(jié)本文以64QAM為主要研究對(duì)象，對(duì)其調(diào)制的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。之后結(jié)合理論推導(dǎo)出64QAM調(diào)制的流程，再對(duì)64QAM發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，之后基于GNURadio軟件平臺(tái)進(jìn)行GRC流圖的連接，同時(shí)對(duì)一些需要用到的模塊進(jìn)行了參數(shù)的設(shè)置。加之HackRF硬件裝置調(diào)試搭建的一個(gè)64QAM發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)論證其數(shù)據(jù)傳輸能力。4.2展望表4.1畢業(yè)設(shè)計(jì)達(dá)成畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)情況自評(píng)表達(dá)成情況自評(píng)等級(jí)5-完全達(dá)成；4-達(dá)成；3-基本達(dá)成；2-未達(dá)成；1-完全未達(dá)成畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)大綱的能力指標(biāo)點(diǎn)本畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)該項(xiàng)能力指標(biāo)點(diǎn)的具體體現(xiàn)達(dá)成情況自評(píng)1工程知識(shí)：能夠?qū)⑾嚓P(guān)數(shù)學(xué)、物理、通信工程專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)用于描述、分析和設(shè)計(jì)通信設(shè)備、通信系統(tǒng)等相關(guān)復(fù)雜工程問題。本設(shè)計(jì)運(yùn)用到了數(shù)學(xué)、C語言、通信原理等專業(yè)知識(shí)解決64QAM發(fā)射系統(tǒng)等相關(guān)復(fù)雜工程問題。具體就是要深入掌握64QAM調(diào)制基本原理。42-2能夠?qū)?fù)雜工程問題所涉及的內(nèi)容進(jìn)行文獻(xiàn)檢索、整理和研究。本設(shè)計(jì)參考了多篇文獻(xiàn)，涵蓋了國內(nèi)外近幾年對(duì)QAM、GNURadio等的研究，從中發(fā)現(xiàn)了64QAM調(diào)制技術(shù)的基本原理，以及結(jié)合GNURadio軟件平臺(tái)和HackRF硬件平臺(tái)進(jìn)行64QAM發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。43-1能根據(jù)需求確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出合理的解決方案。如今，通信技術(shù)飛快發(fā)展，調(diào)制技術(shù)對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)來說顯得尤為重要，全球都在展開對(duì)這個(gè)方面的研究與探索。64QAM調(diào)制技術(shù)其中一個(gè)重要部分，本設(shè)計(jì)主要是結(jié)合GNURadio軟件平臺(tái)和HackRF硬件平臺(tái)進(jìn)行64QAM發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為解決這個(gè)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)采用三個(gè)模塊（信源、64QAM調(diào)制模塊和發(fā)射模塊）最后整合到一起，實(shí)現(xiàn)總設(shè)計(jì)要求。43-3能夠進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算對(duì)64QAM發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，之后在GNURadio軟件上進(jìn)行GRC流圖的連接同時(shí)對(duì)一些需要用到的模塊進(jìn)行了參數(shù)的設(shè)置43-4能夠集成單元過程進(jìn)行流程設(shè)計(jì)，對(duì)流程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)選，體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)。本次設(shè)計(jì)在確定最終的方案后，對(duì)64QAM發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，仿真，再最后進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化處理。4續(xù)表4.1畢業(yè)設(shè)計(jì)達(dá)成畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)情況自評(píng)表3-5能夠用圖紙和報(bào)告呈現(xiàn)設(shè)計(jì)成果。本設(shè)計(jì)通過參考查閱多篇文獻(xiàn)資料，從中了解到了如今調(diào)制技術(shù)的研究意義以及研究現(xiàn)狀，基于GNURadio軟件進(jìn)行，之后進(jìn)行實(shí)物的連接，最后以仿真結(jié)果圖以圖片的形式展現(xiàn)出來，有利于更直觀的進(jìn)行分析和表達(dá)。44-2能夠?qū)崿F(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)或測(cè)試方案，并對(duì)仿真、測(cè)試或?qū)嶒?yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，通過信息綜合得出有效的結(jié)論，并用于調(diào)整系統(tǒng)或功能單元模塊參數(shù)。本設(shè)計(jì)是基于GNURadio軟件進(jìn)行的設(shè)計(jì)仿真，在確定好整個(gè)設(shè)計(jì)方案之后，就使用軟件將每個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化，之后進(jìn)行實(shí)物的連接，最后整合到一起。當(dāng)仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)不符的時(shí)候，就會(huì)修改參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行多次調(diào)整之后，最終得以解決問題，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。45-1針對(duì)復(fù)雜工程問題，掌握選擇和使用技術(shù)、資源、現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具所需的基本技能，并理解其局限性。本次設(shè)計(jì)需要查閱大量的相關(guān)資料，為了獲取這些知識(shí)，我通過互聯(lián)網(wǎng)查找相關(guān)設(shè)計(jì)資料，如知網(wǎng)等，也會(huì)去查找一些學(xué)者分享的博客等，通過這些方式獲取的知識(shí)都讓我對(duì)64QAM調(diào)制技術(shù)設(shè)計(jì)有了更深層次的理解，但也有部分知識(shí)不夠準(zhǔn)確，以及部分知識(shí)年代較遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)所用的方法或者器件不能夠完成本設(shè)計(jì)課題的指標(biāo)要求。49-1能夠在多學(xué)科背景下的團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)個(gè)體角色，能獨(dú)立完成團(tuán)隊(duì)分配的工作并發(fā)揮個(gè)體優(yōu)勢(shì)多學(xué)科技術(shù)有著覆蓋多個(gè)學(xué)科內(nèi)容且對(duì)整個(gè)工程盡心綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，此次設(shè)計(jì)用到數(shù)學(xué)、C語言、通信原理等)。綜合考慮，最終得出解決方案，個(gè)人的成就當(dāng)然離不開團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)的成功也離不開團(tuán)隊(duì)成員的努力，這就需要我們?cè)诟?jìng)爭(zhēng)中合作，在合作中競(jìng)爭(zhēng)。410-1具有英語聽說能力；具備英語專業(yè)文獻(xiàn)的閱讀理解能力，具備一定的國際視野，能在跨文化背景下進(jìn)行溝通與交流。在課題設(shè)計(jì)之前，首先對(duì)課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了深入理解，想要了解國外的相關(guān)資料，就需要查找一些英文文獻(xiàn)，這些都需要具備英語專業(yè)文獻(xiàn)的閱讀理解能力。4續(xù)表4.1畢業(yè)設(shè)計(jì)達(dá)成畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)情況自評(píng)表10-2了解通信工程專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)及發(fā)展動(dòng)態(tài)，能與業(yè)界同行及社會(huì)進(jìn)行有效溝通與交流設(shè)計(jì)之前了解了本課題的的研究背景，包括64QAM調(diào)制技術(shù)的研究目的及意義、64QAM調(diào)制技術(shù)的研究現(xiàn)狀)以及64QAM調(diào)制技術(shù)的一些設(shè)計(jì)方法等。在設(shè)計(jì)過程中，曾詢問經(jīng)驗(yàn)豐富的業(yè)內(nèi)人士，并對(duì)整體性能的優(yōu)化進(jìn)行了技術(shù)溝通交流。410-3具備撰寫報(bào)告和設(shè)計(jì)文稿、陳述發(fā)言、清晰表達(dá)或回應(yīng)指令的能力。通過前期一系列的研究，設(shè)計(jì)，改進(jìn)和分析工作后，撰寫了題為《基于GNURadio的64QAM發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)》近12000字的設(shè)計(jì)文稿，著重展示了工程原理分析)。具備最終答辯的能力。411-2能在工程項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)中考慮時(shí)間及成本管理、質(zhì)量及風(fēng)險(xiǎn)管理、人力資源管理這次設(shè)計(jì)主要是軟件仿真設(shè)計(jì)和硬件，但在選擇方案的時(shí)候，也考慮到實(shí)際成本的問題，盡量選擇能夠滿足要求而且價(jià)格不是很昂貴的，但有時(shí)為了提高整體性能，就需要對(duì)性能和成本進(jìn)行折中考慮。412-1能認(rèn)識(shí)不斷探索和學(xué)習(xí)的必要性，具有自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的意識(shí)。通過本設(shè)計(jì)，在收集資料的過程中我發(fā)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展非常迅猛，但個(gè)人能力和閱歷都相當(dāng)有限，這就需要時(shí)刻關(guān)注科學(xué)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，借助新興軟件平臺(tái)，進(jìn)行多方案對(duì)比優(yōu)化，分析可能產(chǎn)生的沖突點(diǎn)，不斷改進(jìn)方案，不斷拓展自己的視野，積極主動(dòng)的去接受新知識(shí)，秉持終身學(xué)習(xí)的態(tài)度，才能跟上時(shí)代發(fā)展的腳步。412-2掌握自主學(xué)習(xí)的方法，了解拓展知識(shí)和能力的途徑，適應(yīng)發(fā)展。從最開始選題到設(shè)計(jì)，再到最終定稿，為了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)花費(fèi)了很多時(shí)間和精力，本次設(shè)計(jì)進(jìn)展比較順利，離不開在課題展開時(shí)候的合理進(jìn)度安排，目前已經(jīng)按照計(jì)劃完成了所有任務(wù)。在搜集資料時(shí)，期刊，網(wǎng)絡(luò)百科，知網(wǎng)文庫中的資料給自己帶來了很大幫助，對(duì)我即將要從事的相關(guān)工作帶來了很多經(jīng)驗(yàn)。4致謝大學(xué)生活一晃而過，四年里，在湘大這片知識(shí)的沃土上，我收獲的不僅僅是很多的專業(yè)知識(shí)，也有幸認(rèn)識(shí)了許多的令人尊敬的老師和志同道合的同學(xué)與朋友。就這四年而言，我首先要感謝我敬愛的母校，謝謝她為我們?cè)S許多多的湘大學(xué)子提供了如此美好的學(xué)習(xí)與生活的平臺(tái)，能讓我們?cè)谶@里成長與蛻變。就本次設(shè)計(jì)而言，我最要感謝的是我的指導(dǎo)老師——郭李博士。感謝您在這長達(dá)一年多的時(shí)間里對(duì)我的悉心指導(dǎo)與督促。2020年是一個(gè)特殊的年份，疫情期間，是您多次詢問我們的設(shè)計(jì)與論文的進(jìn)度，不厭其煩地開展遠(yuǎn)程電話視頻會(huì)議，幫助我們拓寬思路，為我們答疑解難。在這一年多的時(shí)間里，從選題、設(shè)計(jì)到最后的論文定稿的過程中，您的耐心、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和平易近人的待人之道，也給了我除專業(yè)知識(shí)之外很多的啟發(fā)。在這里，我要向我的導(dǎo)師郭李博士致以最衷心的感謝。同時(shí)也要感謝我的團(tuán)隊(duì)成員、同學(xué)與朋友，沒有團(tuán)隊(duì)的合作與不同思維間的碰撞也完不成本次設(shè)計(jì)。最后，也要感謝我的家人，你們總是我最堅(jiān)強(qiáng)的后盾。是你們無條件的支持與無微不至的關(guān)心，成為我認(rèn)真學(xué)習(xí)的動(dòng)力，也讓我盡情地體味著大學(xué)生活的美好。參考文獻(xiàn)[1]白勇，胡祝華.GNURadio軟件無線電技術(shù)[M].科學(xué)出版社.北京，2019.[2]邵浩.基于SDR的64QAM調(diào)制解調(diào)器的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[D]，哈爾濱工程大學(xué)碩士論文，2013.[3]滕琳