cms建站系统开源,建设银行官方网站登,网站建设网络合同,广州公司注册在线文章目录 前言一、摘要二、引言三、联合系统实施1、基本原理2、实验方案 四、软件设置1、发射机2、接收机 五、实验结果1、实验设置2、波形3、室内外对比4、不同参数的结果 六、结论七、参考文献八、论文自取九、阅读收获 前言 本文记录《基于GNU-Radio和USRP的雷达通信系统的实… 文章目录 前言一、摘要二、引言三、联合系统实施1、基本原理2、实验方案 四、软件设置1、发射机2、接收机 五、实验结果1、实验设置2、波形3、室内外对比4、不同参数的结果 六、结论七、参考文献八、论文自取九、阅读收获 前言 本文记录《基于GNU-Radio和USRP的雷达通信系统的实现》Implementation of Radar-Communication System based on GNU-Radio and USRP文献阅读学习。 作者及单位刘宇杜震张富强张增辉余文先上海交通大学上海市智能感知与识别重点实验室 发表时间2019 年 论文类型会议论文 出版机构IEEE电气和电子工程师协会 一、摘要
正交频分复用OFDM在无线通信中得到了广泛应用其雷达性能最近也受到了很多关注。在本文中我们建立了一个联合雷达-通信的软件定义无线电SDR平台以 GNU-Radio 作为控制软件以 USRP 作为其前端。我们使用不同的参数和实验环境进行了多组实验同时也对获得的结果进行了比较和分析。
二、引言 \hspace{2em} 传统的雷达和通信系统在设计上是独立的主要考虑到不同波形之间的干扰问题。由于多载波波形的成功应用例如正交频分复用OFDM该技术已被广泛应用于几乎所有当前及即将到来的无线通信标准中【1】因此 OFDM 波形的雷达探测性能引起了广泛关注。 \hspace{2em} 使用单一的 OFDM 波形实现雷达和通信功能有几个优势。从雷达中心的角度来看雷达系统的距离或延迟分辨率与传输信号带宽成反比【2】。OFDM 调制系统的更宽频率扩展能够提升雷达测量性能。这种两种功能的融合能够实现协同效应例如允许雷达系统与网络中的其他参与者通信创建一个协作的雷达系统【3】这在车辆系统中尤其有用。 \hspace{2em} 本文建立了一个雷达-通信系统该系统由两个 USRP通用软件无线电外设作为硬件平台进行信号的发送和接收。系统由 GNU-Radio 作为命令软件控制。通过有意改变实验参数和环境室内和室外进行了多组实验。通信数据处理链使用 GNU-Radio 开发雷达数据在 MATLAB 中处理分别计算比特错误率和获得匹配滤波结果。比较和分析了雷达-通信系统在不同场景下的性能。 \hspace{2em} 本文的结构安排如下第二部分介绍联合系统的基本原理和系统实施。第三部分展示实验设置并总结结果。最后第四部分得出结论。 联合系统实施
三、联合系统实施
1、基本原理 \hspace{2em} OFDM 信号由并行的正交子载波组成每个子载波都调制有数据【4】。一个OFDM符号表示为 \hspace{2em} 其中 s [ m ] s[m] s[m] 表示被调制的原始数据 N N N 表示子载波数。对于理想的通信系统接收端的信号为 其中 h [ l ] h[l] h[l] 为信道影响 v [ n ] v[n] v[n] 为噪声。但在现实中时延和载波频偏是不可避免的。实际接收到的信号将是 式中 e j 2 π ε n e^{j2\pi \varepsilon n} ej2πεn 为载波频偏 D D D 为时延的影响。然后引入基于训练序列的相关性和周期性的 Schmidl-Cox算法【5】来估计这两个值以校正偏差。 \hspace{2em} Schmidl-Cox 算法可以简单概括为首先计算接收信号的相关性 \hspace{2em} 接收信号的平均功率等于 \hspace{2em} 接下来评估函数被建立如下 \hspace{2em} 根据 M [ d ] M[d] M[d]时延参数可估计为 \hspace{2em} 频率偏移参数是 \hspace{2em} 与其他雷达系统一样OFDM雷达通过发送信号并接收该信号从物体上的反射来工作。其主要区别在于传输的信号原本不是为雷达目的设计的如FMCW信号而是用于传递信息【3】。 \hspace{2em} 雷达探测的性能可以通过匹配滤波结果来评估。由于目标信息与回声信号中的噪声混合匹配滤波操作的实施是将预存的发送数据与接收数据的共轭进行互相关。 \hspace{2em} 其中 S t x S_{tx} Stx 表示发送序列 S r x S_{rx} Srx 表示接收序列。如果检测到目标则在上述方程的输出中将出现一个尖峰。在我们的实验中通过观察匹配的滤波结果和回波的频谱来表征雷达的探测性能。
2、实验方案 \hspace{2em} 采用两个 usrp 建立雷达通信系统。使用一台 USRP X310 作为发射机配备 UBX-160 子板可在最大 160MHz 带宽下工作。载波频率从 10MHz 到 6GHz 可调。另一个 USRP N310 作为接收器它提供 4 个接收和 4 个发送通道同时工作。每个通道提供高达 100MHz 的瞬时带宽。 \hspace{2em} 两个 usrp 都配备了喇叭天线具有定向模式因此我们可以获得更强的回波信号。每个 usrp 通过以太网电缆连接到一台电脑。 \hspace{2em} GNU-Radio 是一个实现软件定义无线电的开源软件。在我们的实验中用于控制 usrp 的收发器流程图是基于 GNU-Radio 提供的信号处理模块开发的。完整的实验方案如图 1 所示包括雷达-通信联合发射机、通信接收机、雷达接收机和目标。 \hspace{2em} 雷达探测实验必须在收发时间同步的条件下进行。设备间的同步是通过连接同一个外部时钟源来实现的。在相对空旷的情况下我们接收和保存不同距离的回波信号。然后执行信号处理例如匹配滤波器以验证是否找到目标。将匹配滤波结果和回波信号频谱作为反映雷达性能的主要参考。 \hspace{2em} 在通信实验中我们观察了不同通信距离下接收信号的频谱。通过比较传输数据和解调后的接收数据计算误码率评估不同实验参数下的通信性能。
四、软件设置
1、发射机 \hspace{2em} 图 2 和图 3 给出了发射机的设置流程图包括元数据的生成和 OFDM 调制。如图 2 所示将数字数据流转换成数据包并生成循环冗余校验CRC码用于接收端错误检测。然后在有效载荷位前面添加报头位以标识打包数据的开始然后进行星座映射。此时数据以串行的复数形式呈现。 \hspace{2em} 我们将预定的导频符号分配给相应的导频载波并应用串行到并行转换。导频符号用于报文同步。然后对并联的复数据进行 IFFT 运算将频域数据转换为时域数据。在每个符号中插入循环前缀就得到要发送的完整时域数据如图 3 所示。 \hspace{2em} 发射器 USRP 将基带数据上转换为传输频率并通过无线信道发送。
2、接收机 \hspace{2em} 图 4 和图 5 描述了接收器的处理链路负责根据星座图方案转换接收到的数据并从数据包中提取有效载荷比特。 \hspace{2em} 如图 4 所示“UHD: USRP Source” 模块控制接收器 USRP 将接收到的信号下变频回基带。在通信实验中然后应用 Schmidl-Cox 算法实现数据包同步和载波同步频偏估计。 \hspace{2em} 解调 OFDM 信号的第一步是进行 FFT 操作。之后使用导频符号进行信道估计。然后得到复数数据这些数据根据传输星座图进行解映射详见图 5。
五、实验结果 \hspace{2em} 在通信实验中我们利用 GNU-Radio 的发送数据和解调后的接收数据直接计算误码率。在雷达探测实验中对同步发射信号和同步接收信号进行存储并在 MATLAB 中进行匹配滤波。
1、实验设置 \hspace{2em} 传输的 qpsk 调制 OFDM 信号由 64 个子载波组成其中 52 个子载波被用来调制数据。其中4 个子载波用于放置导频符号48 个子载波用于调制有效载荷位。发射机增益为 31.5dB 以满足最大发射功率 100mw接收机增益设为 20dB。传输信号的带宽为10MHz。 \hspace{2em} 如前一节所述我们的实验是在不同的参数和环境下进行的见图6。这些变量如下
中心频率我们选择了三种不同的中心频率2.6GHz/3.5GHz/4.9GHz来满足 5G 通信的要求。距离可选择 20米、30米、40米三种不同的检测距离。除了不同的参数外我们在室内和室外场景下进行了多次实验。 \hspace{2em} 在实验中由于角反射器散射特性强我们将其作为目标使接收到的回波更加明显。
2、波形 图 7 实验环境为室内中心频率为 2.6 GHz目标距离为 20m 时的波形图 \hspace{2em} GNU-Radio 提供的图形块可以用来显示波形的时域和频域。图 7(a) 的上半部分表示发射波形的时域实、虚下半部分表示频谱。图 7(b) 显示了接收到的波形频谱。接收到的波形与相对平坦的噪声波形明显不同表明接收到有效回波。
3、室内外对比 \hspace{2em} 为了比较通信和雷达探测在不同场景下的性能我们在室内和室外进行了多组实验。 \hspace{2em} 在通信系统中由于接收端对数据包的识别是基于报头位而解调时又使用CRC码进行检错因此在室内和室外实验中都能获得相似的通信性能。 \hspace{2em} 然而雷达探测性能在不同场景之间存在显著差异。如图 8 所示在相同参数下室内距离 20m 处接收到的回波频谱与室外距离 40m 处接收到的回波频谱相似形状和振幅。此外室内接收到的回波受杂波影响频谱抖动明显且不稳定。
图 8 不同实验环境下的回波频谱 \hspace{2em} 同样匹配滤波器结果的旁瓣相似都在 -15 dB 左右如图 9 所示。
4、不同参数的结果 \hspace{2em} 表 1 和表 2 总结了多组结果。我们计算误码率并确定雷达是否找到目标通过观察匹配滤波结果中的尖峰。 \hspace{2em} 在通信性能方面室内场景接近室外但雷达性能不如室外。原因可能是室内实验环境较为复杂会出现各种干扰杂波、多径等而室外场景相对空旷干扰较少。 \hspace{2em} 在误码率可接受的情况下实际通信中不高于0.1雷达可探测到 40m 范围内的目标。
六、结论 \hspace{2em} 在这项工作中我们描述了一个由两个 USRP 设备组成的联合雷达通信系统的实现细节。此外我们还说明了使用 GNU-Radio 开发该系统的可行性。 \hspace{2em} 在我们的方案中我们考虑单输入、单输出架构通过不同的实验参数和场景进行多组实验。通过计算误码率来衡量通信质量并对匹配的滤波结果进行处理来评估雷达探测性能。最后对这些结果进行了比较并做了一些推论和总结。
七、参考文献
[1] R. M. Gutierrez, A. Herschfelt, H. Yu, H. Lee and D. W. Bliss, Joint
radar-communications system implementation using software defined
radios: Feasibility and results, in 51st Asilomar Conference on
Signals, Systems, and Computers, Pacific Grove, CA, pp. 1127-1132,
2017
[2] J. Ellinger, Z. Zhang, M. Wicks and Z. Wu, Multi-carrier radar
waveforms for communications and detection, in IET Radar, SonarNavigation, vol. 11, no. 3, pp. 444-452, 3 2017.
[3] Braun, M., M. Muller, M. Fuhr, and F. K. Jondral, A USRP-based
testbed for OFDM-based radar and communication systems, in
Proceedings of 22nd Virginia Tech. Symposium on Wireless
Communications, Blacksburg, Jun. 2012.
[4] Y. Leen, C. Sturm, L. Reichhardt, T. Zwick, and W. Wiesbeck, “The
OFDM joint radar-communication system: An overview,” in The
Third International Conference on Advances in Satellite and Space
Communications, 201 SPACOMM, 2011.
[5] T. M. Schmidl, D. C. Cox, Robust frequency and timing
synchronization for OFDM, in IEEE Transactions on
Communications, vol. 45, no. 12, pp. 1613-1621, Dec. 1997.八、论文自取
链接Implementation of Radar-Communication System based on GNU-Radio and USRP
九、阅读收获 \hspace{2em} 首先这篇会议论文提供了一种使用 GNU Radio 和 USRP 实现雷达通信一体化波形收发的方法通过这种方法可以实现到目标的距离的测量及通信的功能我认为可以在此基础上做以下改进会增加内容的可信度和工作量的丰满度
建议在上面的基础上实现测速功能建议通信及测距的功能可以在线实现而非离线采用 MATLAB 处理匹配滤波测距的仿真图不够明显图中未明显体现当前测距是 20m 还是 40m文中有介绍在收发时间同步的条件下进行设备间的同步是通过连接同一个外部时钟源来实现的但是未介绍如何使用 MATLAB 对收到的数据处理再匹配滤波实现测距建议此步骤可描述详细些例如加一些处理流程框图
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