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刘航宇Hangyu Liu
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📖电子&通信(共110篇)
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2022-12-31
LoRa码元调制、编码与解调
LoRa调制链路●LoRa调制链路由五部分组成,分别是纠错编码机、交织器、扩频序列产生器、笛卡尔极坐标转换器、Delta-sigma调制器。纠错编码器●当一组数据(用户的有效载荷(Payload) )被推入数据包接口( Packet Interface)时,调制过程开始。调制器通过纠错编码机将前向纠错编码(ForwardErrorCorrection,FEC)添加到这些字节中。●这些有效载荷数据每个字节首先分成半字节(4比特一组)。然后,根据编码速率配置,在1到4冗余纠错位之间选择并追加到每个半字节。调制器编码速率通过CR寄存器进行设置,表3-1为前向纠错编码配置表。交织器●纠错编码后,产生的(4+CR)位比特段,随后被存储到交织器的存储阵列中。交织器(Interleaver) 有(4+CR)列和SF行。一旦交织器满了,它的内容将编码到码元上。每个码元都带有SF位。因此,交织器内有(4+CR) *SF 比特,独立于扩频因子SF被编码到4+CR码元上。●这里举一一个例子让读者理解交织器。假设此时CR=1,,, SF=7, 其交织器为7行、5列。需要传输的数据流为:00000001001000110100010101100111。先将这些比特流分为4b一组(b1,b2,b3,b4) : 0000; 0001; 0010; 0011; 0100;0101; 0110; 0111; 对上述数据增加1比特校验位(b1,b2,b3,b4,C) 后为: 00000; 00011; 00101; 00110; 01001;01010; 01100; 01111; 再将,上述数字填入交织器的存储列阵中,当35b数据进入交织器的存储列阵后,交织器存储满了,下一组数据(b1,b2,b3,b3,C) 需要填入下一个交织器中。扩频序列产生器门坐标转换、Delta-sigma调制输出解调编码下是一个SF=7的LoRa调制编码图, 从图中可以看出码元、码片、比特速率、载荷数据之间的关系。图中SF=7, 所以发送信号带宽切分为128(27-128)个频率段的码片。假设该系统工作频率为470MHz,BW=250kHz,相邻码片间隔为250kHz/128=1 .95kHz,此时f0=470MHz,f1=470.00195MHz,f2=470.0039MHz,.. .f127=470.24805MHz.图3-9中有三个时间长度分别是码片率(Chip rate),比特速率(Data rate),码元率(Symbol rate),可以清楚地看出它们的对应关系.不同的SF对应带宽BW除以时间的斜率,SF越大倾斜角度越小。SF和BW对应一种LoRa调制方式,只有接收机也采用对应的SF和BW才能正常解调,否则信号在相干解调中会淹没在噪声中。在实际的相干解调中,LoRa调制在不同的SF信号或不同的BW下都是正交的,频带可以充分利用。比如在BW=125kHz的同频段内,一个SF=7信号Psez和一个SF=8信号Psps都在发射,频段内的噪声为N,,当两个信号都满足解调信噪比要求时(SNRsf7 >=-7.5dB; SNRsf8>=-10dB) ,两个信号都可以正常解调。这里需要注意,当计算SNRsf7时,SF=8的信号表现为此系统噪声,SNRsF7= Psp/(N0+Psf8) ;同理当计算SNRsf8时,SF=7的信号表现为此系统噪声,SNRsf8=Psf8/(N0+Psf7).
2022年12月31日
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【LoRa】Chirp调制
线性调频信号的表征与特征线性调频(Linear Frequency Modulation, LFM) 是一种不需要伪随机编码序列的扩展频谱调制技术。因为线性调频信号占用的频带宽度远大于信息带宽,所以也可以获得很大的系统处理增益。线性调频信号也称为鸟声(Chirp) 信号,因为其频谱带宽落于可听范围,听着像鸟声(英文单词Chirp为鸟叫的意思),所以又称Chirp护展频谱(Chirp SpreadSpectrum,CSS)技术。LFM技术在雷达、声纳技术中有广泛应用,例如,在雷达定位技术中,它可用来增大射频脉冲宽度、加大通信距离、提高平均发射功率,同时又保持足够的信号频谱宽度,不降低雷达的距离分辨率。将CSS技术用于扩频通信的研究发展日益活跃,尤其随着超宽带(UWB) 技术的发展,将CSS技术与UWB的宽带低功率谱相结合形成的Chi rp-UWB通信,它利用Chi rp技术产生超宽带宽,具备二者优势,增强了抗干扰与抗噪声的能力。CSS技术已成为传感网络通信标准,IEEE802. 15中物理层候选标准。FM、FSK、CSS信号比较线性调频(LFM)信号Chirp信号调制技术的产生与检测Chirp通信信号-般形式通信的二元数据也可用LFM信号,常称为Chirp信号来传输。最常用做法是用围绕着中心频率f的正向和负向频率斜升变化来代表二元信码“1”与“0”接收端采用两个相应的匹配滤波器来检测。匹配滤波器输出是一个峰值功率正比于时间带宽积FT的压缩脉冲,通过取样判决可以恢复出信码“1”。代表信码“0”的负斜率Chirp信号通过对应的负斜率匹配滤波器可得出与正斜率匹配滤波器相同结论的压缩脉冲,通过取样判决确定信码“0”。2.信号调制3.Chirp信号解调和检测LoRa调制
2022年12月29日
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基本微带贴片天线设计理论与尺寸算法
理论贴片形式馈电方式尺寸推导尺寸算法%微带天线尺寸算法 c=3e8; f=0.915e9 %频率915MHZ er=2.2;%板材介电常数 h=1.575e-3;%板材厚度 w=c/(2*f)*sqrt(2/(er+1)) ereff=(er+1)/2+(er-1)/2*(1+12*h/w)^(-0.5); dL=(0.412*(ereff+0.3)*(w/h+0.264)*h)/((ereff-0.258)*(w/h+0.8)); Leff=c/(2*f*sqrt(ereff)); L=Leff-2*dL erl=(er+1)/2+(er-1)/2*(1+12*h/L)^(-0.5); Xf=L/2-L/(2*sqrt(erl)) Lgnd=L+6*h; Wgnd=w+6*h;微带线馈电1/4波长变换器计算推导尺寸算法%微带天线尺寸算法 clear all; c=3e8; f=0.915e9 %频率915MHZ er=2.2;%板材介电常数 h=1.575e-3;%板材厚度 w=c/(2*f)*sqrt(2/(er+1)) ereff=(er+1)/2+(er-1)/2*(1+12*h/w)^(-0.5); dL=(0.412*(ereff+0.3)*(w/h+0.264)*h)/((ereff-0.258)*(w/h+0.8)); Leff=c/(2*f*sqrt(ereff)); L=Leff-2*dL erl=(er+1)/2+(er-1)/2*(1+12*h/L)^(-0.5); Xf=L/2-L/(2*sqrt(erl)) Lgnd=L+6*h; Wgnd=w+6*h; %Microstrip Line feed lambda_0=c/f; if w<=lambda_0 G=w^2/(90*lambda_0^2); else G=w^2/(120*lambda_0^2); end Yin=2*G; Rin=1/Yin ZT0=sqrt(Rin*50)
2022年11月29日
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2022-11-27
【天线/射频】什么是回波损耗?什么是插入损耗?
一、前言什么是回波损耗?什么又是插入损耗?这个貌似很容易回答,回波损耗吗,就是Return Loss,缩写为RL,S11,插入损耗就是 Insertion Loss,IL,S21。确实没错,就是这么简单。但是为什么叫做回波呢?为什么又叫做插入呢?今天我们仔细掰扯掰扯。二、回波损耗回波损耗,又称为反射损耗。( 越大越好 )是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射,是一对线自身的反射。不匹配主要发生在连接器的地方,但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方,所以施工的质量是提高回波损耗的关键。回波损耗将引入信号的波动,返回的信号将被双工的千兆网误认为是收到的信号而产生混乱。回波损耗:return loss。回波损耗是表示信号反射性能的参数。回波损耗说明入射功率的一部分被反射回到信号源。例如,如果注入1mW (0dBm)功率给放大器其中10%被反射(反弹)回来,回波损耗就是-10dB。从数学角度看,回波损耗为-10 lg [(反射功率)/(入射功率)]。回波损耗通常在输入和输出都进行规定。三、插入损耗插入损耗:insertion loss。( 越小越好 )指在传输系 统的某处由于元件或器件的插入而发生的负载功率的损耗,它表示为该元件或器件插入前负载上所接收到的功率与插入后同一负载上所接收到的功率以分贝为单位的比值。1.插入损耗是指发射机与接收机之间,插入电缆或元件产生的信号损耗,通常指衰减。插入损耗以接收信号电平的对应分贝(dB)来表示。2.插入损耗多指功率方面的损失,衰减是指信号电压的幅度相对测量插入损耗的电路原信号幅度的变小。通道的插入损耗是指输出端口的输出光功率与输入端口输入光功率之比,以dB为单位。插入损耗与输入波长有关,也与开关状态有关。定义为:IL=-10log(Po/Pi)四、插入损耗和回波损耗系统介绍首先,我们拿到一个系统,就是上面这个黑盒子,当电磁波信号进入这个黑盒子时,我们通常不需要去关心电磁波在里面经历了什么。我们只要知道它出来是什么就行了。但是,当电磁波从外面进入这个黑盒子时,相当于从一个介质进入到另一个介质,在交界面上会有一部分电磁波被挡在外面,这部分被挡在外面的电磁波就被反射回去了,返回去的电磁波就是回波。而进去的这部分电磁波在通过这个黑盒子时,就必然会被这个黑家伙影响到,如果这家伙有一点点贪心,肚子里装了一点点的小电阻材料,那么就留一点点买路钱就够了,就去的电磁波在交完买路钱之后,大部分会传输出去,这个被劫走的一部分电磁波能量我们就认为被损失了,无论是回波还是黑盒子吃掉的都是电磁波能量时导致的能量的损耗,都是由于黑盒子插入进来导致的损耗,所以通常被称为插入损耗。如下图所示。所以我们知道,其实一个微波元器件的插入损耗是由两部分组成的:回波损耗和电阻损耗。回波损耗的这部分电磁波能量被端口的不匹配给反射回去了,并没有转化成热散出去,所以我们在射频系统设计和分析中,要提防着这部分回波倒灌会对系统带来的影响。通常这部分倒灌的能量不是很大,怎么计算呢?举个简单的例子,比如上图端口1输入的电磁波功率是1W,即30dBm,如果端口1 的回波损耗RL=20dB。那么反射回去的回波的功率就是:30dBm-20dB=10dBm,也就是有10mW的功率被反射回去了。如果端口1 输入的功率是1kW,即60dBm,那么反射回去的回波功率就有10W了。如果端口1的回波损耗只有10dB,那将会有100W的功率被反射回去。这也证明了匹配的端口阻抗匹配的重要性。还有就是,功率越大,我们系统所要求的回波损耗就越小,在一些小功率的产品中,比如手机,匹匹配有个10dB就足够了。但是在电视发射系统中,因为发射机的功率通常会有上千瓦,所以,回波损耗通常要求在26dB以下。注意,插入损耗的部分损耗也是有回波导致的啊,所以回波损耗越差,插入损耗就越大。在端口匹配良好的系统中,插入损耗主要是由器件的电阻性材料导致的,这些电阻性材料导致的损耗,会转化成热。就像我们在衰减器中介绍的一样。其实转化成热,有时候更让我们头疼。因为热这个东西太可怕了,几乎所有的电子器件都有一个可以正常工作的温度范围,当超过这个温度了之后,工作就不正常了。长期在高温环境下工作,器件老化速率会加快,更容易损坏。
2022年11月27日
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2022-10-16
UART串行接口设计及通信实现
通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter),通常称作UART,是一种异步收发传输器。异步串行、接口原理分析串行通信电气特性通常,UART串行接口采用RS-232-C电气标准进行通信。RS-232-C是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准。对于一般的通信,不需要掌握RS-232-C的所有信号的定义,只需要使用其中的2个信号TXD(数据发送)和RXD(数据接收),另外,参加通信的设备要将GND(地)要连到一起(共地)。数据线TxD和RxD的电平标准为: 逻辑1=-3V~-15V;逻辑0=+3~+15VRS-232-C标准规定的数据传输速率为9600、19200、115200等波特率。波特率是衡量资料传送速率的指标,表示每秒钟传送的符号数。如果波特率为9600,那么发送和接收数据都应该为9600bits/s。本节采用9600bit/s进行通信。UART串行数据格式起始位(逻辑0 )+数据位(本节为8位数据位)+奇偶校验位(本节为偶校验)+停止位(本节使用1位停止位)+空闲位(逻辑1)通信的安全性问题串行异步通信,发送方和接收方使用各自的时钟。例如从FPGA电路板和计算机之间的通信,因此,不能保证两者的时钟完全相同。为保证接收数据的准确性,因此需要用较高的采样率进行采样,本节采用16倍的采样率进行采样,简单的选取中间采样点的值作为接收的数据。如图采用16倍波特率的采样率执行采样,一个比特可采集16个点,选取中间点即从第一个采样点开始的第8或第9个采样点(笑脸附近上升沿)采集该位数据,在接收双方始终频率相差不大的情况下,能够正确的完成通信。功能设计和演示预计实现的功能(演示):将拨码开关代表的数据发送到串口(8位);从串口接收电脑发来的数据,以数码管显示(8位)。主模块设计⚫ 调用分频模块⚫ 调用数码管显示IP⚫ 调用按键消抖动IP⚫ 调用串口发送模块⚫ 调用串口接收模块module v1( input clk, input [11:0] sw, input [3:0] btn,//行列键盘的输入 output [3:0] row,//行列键盘的行输出 output [7:0] seg, output [5:0] an, output [11:0] led, output txd, input rxd ); wire clk_ms,clk_20ms,clk_16x,clk_x; wire [3:0] btnout; wire [23:0] data_disp; wire data_ready; wire data_error; assign row[3:0]=1;//输出全部为高电平, 本例程只用4个 divclk my_divclk(.clk(clk),.clk_ms(clk_ms),.btnclk(clk_20ms),.clk_16x(clk_16x),.clk_x(clk_x)); //调用分频模块 ip_disp_0 uut_disp(//调用显示IP .clk(clk), .rst(0), .dispdata(), .seg(seg), .an(an) ); ip_ajxd_0 uut_ajxd(//调用按键消抖动IP .btn_clk(clk_20ms), .btn_in(btn), .btn_out(btnout) ); uart_tx (.clk_x(clk_x),.data_in(sw[7:0]),.btn(btnout),.txd(txd),.led(led)); //调用串口发送模 块 uart_rx(.clk_16x(clk_16x),.rst(btnout[0]),.rxd(rxd),.data_disp(data_disp),.data_ready(data_rea dy),.data_error(data_error));//调用串口发送模块 endmodule串口发送程序设计串口接收程序设计
2022年10月16日
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2022-10-11
读懂史密斯圆图
史密斯圆图能干啥用?史密斯圆图,就是做高频电路之间的阻抗匹配用的。所谓阻抗是电路对电的阻碍能力,它是个矢量,也就是说阻抗值是个复数。这里面既包括实部电阻成分一即与电力 "顶牛儿”的那部分阻力;也包括虚部电抗成分一就是把电力拉偏的那部分阻力。两者加一块,就叫阻抗。阻抗匹配,是电路之间连接的一-个基本要求,简单讲就是输入阻抗和输出阻抗大致相当,方向相反。如果阻抗不匹配呢?轻者电路工作效率低,重者.工作异常或直接烧毁。具体到高频电路来说,这些危害不仅都有,而且比数字电路、低频模拟电路上的危害要严重得多。那高频电路的阻抗匹配是啥标准呢?就是让输入端电阻和输出端电阻是纯阻性,而且最好等于509或752 。那原来阻抗不匹配,现在咋弄它就匹配了呢?就是在两个电路之间,接上电容、电感、传输线,微带线、变压器之类的东西。把阻抗值矫正到阻抗相等面来。史密斯圆图的主要用途,一是计算接到电路里的那些电容器、电感器的参数值的。二是用来显示某一电路的频率一阻抗特性的。史密斯圆图怎么用?史密斯圆图,它相当于一个地图,它上面每一个点, 都代表一个复数形式的阻抗值,而其圆心叫做匹配点,它代表了实部50om,虚部0om的理想阻抗,那就是我们要到达的地方。做阻抗匹配,就是规划一条从阻抗点走到匹配点的线路。然后呢?然后就是利用这些点位之间的差值做计算了。这个事儿我就不讲了。因为过去用纸本史密斯圆图才需要自己算,现在有很多专用软件能替我们做,不仅能算刚才我提到的那个匹配元件的电容量、电感量,还能算出谐振电路的Q值,驻波比,衰减量等等,这就用不着咱们算了,诸位知道这些概念是啥意思,就行了!至于具体怎么用史密斯圆图软件?怎么看这些数据?怎么评价匹配的效果?别着急,我们后边再聊。史密斯圆图第二节史密斯圆图该咋看?简言之,是看一线、两弧和两圆。我们说过,史密斯圆图上的每个点,都有实部值和虚部值,那么图上的线,其实也只有两种,一是等实部线,二是等虚部线。读史密斯圆图,就是先沿等虚部线,找到实部值,再沿着等实部线找到虚部值。那么一线和两弧,都是等虚部线;两圆,是等实部线!接下来我们就从一线讲起,说说史密斯圆图的刻度划分刻度值线一一根特殊的等虚部线史密斯圆图被一条名为电阻线的蓝色横线分成 上下两个半区,上半部分叫电感区, 那里所有点的虛部值都为正;下半部分叫电容区,那里所有点的虚部值都为负。而电阻线本身的虚部阻抗值不正不负,他上面每一个点的阻抗值均为0欧。所以电阻线是一根特殊的虚部线,它是我们查找实部值的一把尺子。电阻线上有三个点,最左侧的叫短路点,他表示实部值0欧姆,虚部值也为0欧姆的情况;最右侧的叫断路点,他表示实部值无穷大,虚部值也为0欧姆的情况;而中间点,也就是圆心那是匹配点,那里的阻值是“标准阻值”,一般情况下他是50欧姆。“三点” 是史密斯圆图的基点,也是我们校正天线分析仪的起点,一定记住。归一化处理但是请注意!虽然电阻线是一把测量实部阻值的尺子,但是这把尺子上标的不一定是实部阻值。纸本的史密斯圆图标注的是阻抗值/标准阻值的比值,这叫归-化处理,这个值叫归-化阻抗值。下图中的小红字标的是阻抗值,而大红字标的是归一化阻抗值9。咱们先说图.上的大红字,那就是归一化之后的阻抗值。如果我们是在纸本史密斯圆图上标图,那第一步应该把阻抗值转换成归一化阻抗值。以标准阻抗50欧姆为例。我们要找100欧姆的实部值,就去电阻线上找归一化阻抗值为100欧姆/50欧姆=2的点,而图上显示"0.2" 归一化阻抗值的地方,其实际阻抗值就是0.2*50欧姆= 10欧姆,而匹配点的归一化阻抗值永远为1,这是归一化阻抗标注法的一个识别标志。为什么要用归一化阻抗值标注刻度呢?因为很多时候,我们不是要把电路匹配到50欧姆上,而是要匹配到75欧姆或者300欧姆等阻抗上。请看下图,这是75欧姆标准电阻时,史密斯原图上的情况,其中电阻线下方写的红字是阻抗值。电阻线上方的写的红字是归一化阻抗值。第二套刻度一一导纳值和归一化导纳值等电阻线是一把度量实部值的尺子,它有阻抗值和归一化阻抗值和两种标注方法,其实在电脑版史密斯圆图的等电阻线上,还有一套刻度。就是用大绿字标注的归一化导纳值和用小绿字标注的导纳值。有人想问导纳值是啥?导是电阻值的倒数,纳是电抗值的倒数,导纳加一块就是导纳值,它是阻抗值的倒数,导纳值的单位是西门子,写作“S",1S等于= 1000mS。给导纳值做归一化,也就是将导纳值除以0.02S标准导纳值(0.02S, 其实就是1/50欧姆)。这两种标法的值,是等价的。例如,电阻线上25Ω那个点,它的导纳值为1/25Ω=0.04S,它的归一化导纳值就是0.04S/0.02S为=2。导纳值既然和阻抗值完全等价,用法也一样,那我们要这个玩意做啥呢?简单讲,我们在标注初始阻抗点时,要根据红色的阻抗值坐标系做,而在做阻抗匹配时,则要用到绿色的导纳值坐标系。两圆两弧---等实部圆和等虚部弧两圆---两种等实部线讲特殊的电阻线--也就是0欧姆等虚部线之后,我们看看与电阻线相切的那些圆形。这些圆圈都是等实部线,那上面每一条线的实部值都相等。其中红色的圆圈都叫阻抗圆,而绿色的圆圈都叫导纳圆,我们在电阻线.上找到实部阻抗值或者实部导纳值之后,就要沿着阻抗圆或者电纳圆去找虚部值。其中电阻线以上的点是正值,代表阻抗点的虚部值呈现感性,电阻线以下的点是负值,代表阻抗点的虚部值呈现容性。和看电阻线的规矩一-样,我们在标注初始阻抗值时只看红色的。两弧---两种等虚部线那么虚部值到那去查?从断路点发出,向史密斯圆图边界放射的红线叫等电抗弧;而从短路点发出,向史密斯圆图边界反射的绿线都叫等电纳弧9。这些都是等虚部线,我们找到实部值后,就是沿着实部线9到找到特定值的等虚部线,那虚部线的值标哪儿了呢,在史密斯圆图的外边界上。和刚才-个规矩,我们标初始阻抗值时是根据红色数字做的。总结一下,到底怎么读图?总结一下,到底怎么读图?第一步,用阻抗值除以标准电阻,得到归一化实部阻抗值和归一化虚部阻抗值。第二步,在等电阻线上,找到归一化实部阻抗值对应的阻抗圆。第三步,沿着阻抗圆,向上或向下旋转,找与归一化虚部阻抗值对应的等电抗弧。第四步,做个记号,就算OK。 举个栗子~! 1002-j50Ω滴点在哪儿?第一步,计算归一化实部阻抗值为100Ω/50Ω=2;归一化虚部阻抗值为-50Ω/50Ω=-1。第二步,在等电阻线上,找到归一化阻抗值为2的阻抗圆。第三步,沿着归一化阻抗值为2的阻抗圆下旋,转到-1 那个电抗弧上。第四步,做个记号!我标的是X。那如果图.上标的是阻抗值呢?如果是在电脑上识图,图上直接标注的阻抗值,那就更方便了,实部阻抗值标在阻抗圆上,虚部阻抗值写在电抗弧末端。我们标图的时候,不用换算,先根据实部阻抗值找到对应的阻抗圆,再沿着阻抗圆去查对应虚部阻抗值的电抗弧,然后做个记号,就OK啦~例如:我要查100Ω+j50Ω的点,先找到100Ω阻抗圆,然后沿着它的轨迹上旋,到达虚部值为502的地方,然后做个标记,就是Y点。归一化导纳值呢?简单讲,导纳值坐标系和阻抗值的查法、标注方法完全一样。第一步,用导纳值除以标准导纳值,得到归一化导纳值,第二步,在等电阻线上,找到归一化实部导纳值对应的那个导纳圆。第三步,沿着导纳圆向上或向下旋转,找与归一化虚部导纳值对应的等电纳弧。第四步,做个记号,就算OK。 再举个栗子 0.04S+j0.02S的点在哪儿?第一步,计算归一化实部导纳值为0.04S/0.02S=2;归一化虚部导纳值为0.02S/0.02S=1.第二步,在等电阻线上,找到归一化导纳值为2的导纳圆。第三步,沿着归一化导纳值为2的导纳圆上旋,转到导纳值为1的那个电纳弧上。第四步,做个记号!即Z。那如果图上标的是导纳值呢?那也简单,先根据实部导纳值找到对应的导纳圆,再沿着导纳圆去查对应虚部导纳值的电纳弧,然后做个记号,就OK啦~.例如:我要查0.04S-j0.02S的点,先找到0.04S导纳圆,然后沿着它的轨迹下旋,到达虚部值为-0.02S的地方,然后做个标记,那就是S点。好了~!关于怎么查史密斯圆图的事儿,我讲完了,接下来请大家做点练习,看看是否理解了。下一次我们学习如何用史密斯圆图做阻抗匹配。读图练习第一题,1点的阻抗值为50Ω+j50N,请问1点在图上什么位置?第二题,2点的归一化阻抗值为0.5+j0.5,请问2点在图.上什么位置?第三题,3点导纳值为0.04S-j0.02S,请问3点在图上什么位置?第四题,4点归一化导纳值为0.5-j0.2,请问4点在图上什么位置?请把上图打印出来,试着标一下,然后再看文末那个答案。 答案 史密斯圆图第三节怎么用史密斯圆图软件做阻抗匹配史密斯圆图软件做阻抗匹配有六句口诀:先设参数,后选起点,下容上感,左并右串,顺着圆走,往圆心转。smithV3.1软件的界面,然后按着口诀顺序,一点点说。然后举个设计例子,最后讲讲注意事项。软件界面简介打开SmithV3.1,首先看到左侧-一个有个史密斯圆图,那是我们的操作区域。这里我要着重强调一下,电脑软件上标的都是实际阻抗值,而不是归一化阻抗值,所以我们做阻抗匹配的时候不用换算数据了,但是要在匹配之前设置好频率值和标准电阻值,否则做出来的数据会和现实完全对不上的。右侧有几个重要窗口,最顶上的是Schematic窗口,当我们在左侧史密斯圆图上用鼠标做匹配的时候,这个窗口里会显示相应的电路图,比如我图.上画的这个匹配路径对应到电路上,就是先双联13.9p电容,再并联23.4nH电感。下方这个Cursor窗口也很重要哦。它里面标注的是光标所在点的具体参数,这其中最重要的当然是VSWR驻波比、和Z阻抗值, Zo标准电阻值, Freq频率值。 这其中后两项参数是需要我们在做匹配之前要手工输入的。先设参数,再选起点,先设参数:就是要设置工作频率和标准阻抗这两个值。再选起点:就是要把阻抗点的具体位置设到史密斯圆图.上。我们点击这个图标,然后在这个页面的左下角General这输入标准阻抗值50Ω,在datapoint那儿输入工作频率,默认设置是500MHz。然后我们点击按钮,软件都会弹出这个窗口。我们在这选中impedance (Ω), 并在下面两个空里填写阻抗点的实部阻抗值和虚部阻抗值,这就样就设好起点了.然后呢?然后就该我们添加元件了。下容上感,左并右串我们点击工具栏的这个部分,就可以在阻抗点上连接电容或电感了。怎么接线呢?这有两句口诀:下容上感,左并右串。那我们参照下图看一看。”下容上感”,是说史密斯圆图的电阻线上方是电感区,下方是电容区,因此呢,我们要往下移动阻抗点,就得接电容;要往上移动阻抗点,就得接电感。那具体是串电容还是并电容,又或者是串电感还是并电感呢?我们来看下一-句左并右串。“左并右串”,是说如果我们要沿着左侧这组蓝色的导纳圆移动阻抗点,就点击“并联元件”,也就是点工具栏上这两个按钮;如果我们要沿着右侧这组红色的阻抗圆移动阻抗点,就点击“串联元件”,就点工具栏上的这两个按钮顺着圆走,往圆心转那我们究竟怎么走到标准阻抗点呢?那第五句和第六句说的问题。所谓“顺着圆走”,是说顺着右侧的50阻抗圆或顺着左侧那个20mS导纳圆走,为什么呢?因为这两个圆都与匹配点相切,所以无论我们走什么路径去匹配点,都得经过其中-一个圆,而“往圆心转”是说我们无论沿着.上面哪条弧线旋转,最终都是往史密斯圆图的中心旋转。等我们把阻抗点挪到自己认为合适的位置后,右侧Schemat窗口里也就画出来了我们的阻抗匹配电路。一个栗子某功率放大器的要放大100M信号,其输入阻抗值为252+j352,而信号源阻抗为50Q,现在要在两者之间接一个匹配电路,为此我要如此操作。先设参数:我们点击这个图标,然后在这个页面的左下角General这输入标准阻抗值50Ω,在Datapoint那儿输入工作频率100MHz。然后点ok按钮。再选起点:我们点击按钮,软件都会弹出这个窗口我们在这选中impedance,然后在下面的两个空里填入实部值25欧姆、虚部值+35欧姆,点ok就行了。这时候我们发现,史密斯圆图上会出现一个方形坐标点DP1.下容上感,左并右串。顺着圆走,往圆心转那接下来,我们就要通过连接元件,改变阻抗点的阻抗了。由于DP1位于史密斯圆图的电感区,所以我们要让他往下转,那旋转是有很多路径,我们先说最简单的,从DP1直接转到20mS导纳圆上,在顺着20mS导纳圆上继续下旋到圆心。当然这是我们的设想,实际不一定能实现,我们就先以此为目标,试试看吧。那由于我是要向下移动阻抗点,也就是向电容区移动阻抗点,所以我要连接电容。由于我是沿着右侧的25欧姆阻抗线向下移动,左并右串,所以我应该选串联电容,也就是点我们点了串联电容按钮之后,会发现光标不能自由移动了,它只能是沿着红色的25欧姆阻抗圆移动,这就是smithV3.1软件的便利之处,他能防止我们走错路。那我们按软件限定的路线,沿着25欧姆阻抗圆下旋,发现有两次机会转到20mS导纳线上,我选哪一次呢?我们设想中是选第一次机会,但是我看到右侧Schenatic窗口里,要添加的串联电容是155pf就改主意了,因为这是个非标容量,说白了我让谁买也买不来这型号的电容。于是我继续沿着25欧姆阻抗圆向下旋转,到第二个交汇点去碰碰运气。那我到达25欧姆阻抗线与20mS导纳线第二次相交的地方一看,发现右侧Schenatic窗口里显示的是串联的是26p电容,这个参数与27p极为接近,那这容量的电容有地方买,所以我就在这儿点下鼠标左键,图片上就出现了DP2点。那接下来,我是要由DP2沿着20mS导纳圆上旋对吧?因为下容上感,所以我们要接电感,因为左并右串,我们要沿着左侧圆走,所以要并联电感,那我们点和第一步一样,我们还是要沿着电脑规划的线路边走边看,走到圆心时,我们发现右侧Schemat窗口里,显示的电感值是80nH左右,这个电感没啥制作难度,所以我就再次点击鼠标左键,史密斯圆图中心附近就会多出来一个DP3。 也就是路径4这个图。那我们到了这个DP3又意味着什么呢?我们别挪动光标,我们把鼠标停在DP3上,把视线挪到Cursor这个小窗上,在这我们会看到Q值0.005, VSWR1.03等参数。显然,VSWR约等于1,是个很好的结果,实际小信号的SWR匹配到1 .5就以很好了。而大功率的通讯设备,需要尽量往小了做,做到1.2以下。两个问题首先,我们还可以有别的匹配路径么?当然可以,条条大路通罗马。刚才我们走的路径是先串后并,用了一一个电容一个电感,走20mS导纳圆到的中点,也就是图上的路径1。那如果我们改走右边的509阻抗圆行么?行啊,完全可以。我们可以先并联16pf电容,再串联51pf电容。这就是路径2。那还有别的路可走么?有啊,比如我们可以选用阻抗匹配变压器,也就是先串联47pf电容,下旋到电阻线,再使用1:1 .4的阻抗变压器,沿着等Q值弧线(也就是从短路点、断路点之间的蓝色弧线,参见文末的图例)向右移动到圆心,这就是路径39。那还有别的么?有啊,我们还可以接电阻,走等虚部弧。比如我们可以走路径4,即先串联电阻,从DP1进到右边50Q阻抗圆.上,然后再串电容沿着50Q阻抗圆继续下旋,这也是可以的。只不过要注意两个问题,第- -点, 我们接电阻走等虚部线的时候,虽然匹配上了,但是会增加电路损耗的。第二点,由于现实中可没有合用的负阻元件卖,所以我们做匹配时绝不能沿着等虚部线退着走,也就是说不能接负阻器件,这- -点smith3.1软件考虑到了,他会限制我们那么做,但是其他软件或纸本的史密斯圆图就得注意这问题。其次,如果我们做匹配时转不到史密斯圆图的正中心(不太可能),或者实际制作中对不到史密斯圆图中心(很常见),那又 意味着什么?请看下图,图上这些棕色圆圈是等VSWR圆,也就是等驻波比圆,这个驻波比圆的特点是越靠近圆心,驻波比越小,比如圆心那- -点是1.也就是说输入端送出进去多少信号,负载端就吸收多少信号,能量一点没糟践;驻波比1.5, 意味着有4%的功率撞到输出端又撞回输入端了。驻波比29,就意味着有11%的能量撞回去了。通常来说,小信号阻抗匹配电路对驻波比要求比较低,达到1.5就算良好匹配了。如果体积有限制,还可以进一步放宽一些。 但是如果是强信号,电台天线那种场合,SWR控制的就比较严格了,大功率电台,通信基站要控制在1.2以内。
2022年10月11日
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高速电路系统-传输线阻抗匹配
传输线反射系数●当传输线的传播的信号到达某个阻抗不连续点时,信号会发生反射,●就像水流通过不同口径的管道接口时,水面产生波动一样。●根据反射电压和入射电压的比值, 可以定义传输线上的反射系数。$\Gamma=\frac}}=\frac$信号反射分析在信号跳变的瞬间,源端和负载端的电压变化信号阻抗匹配设计优点:RS无需电源,低功耗,对于驱动高容性负载起到限流作用,有效的避免了一些噪声。缺点:信号源加电阻占空间,对扇出不好。(C)优点RC隔直流,消除直流损耗。电容有充电时间,RC饱和时间大于2倍传输线延迟,也就是源端发射信号到RC电路之前没有饱和。调试办法在射频电路中进行阻抗匹配测试时,可按照如下步骤进行射频匹配网络调试:1:校准矢量网络分析仪2:用矢网测量开口线,保存S1P文件。在ADS中新建工程,按照如下原理图,插入开口线的S1P文件,使用ADS调谐调整微带线的长度,使开口线位于smith圆图的最右边使其处于开路状态,更新原理图参数。3:测量前级的输出阻抗将开口线焊接在焊点1的位置,利用矢网测量出前级网络的输出阻抗,保存S1P文件,利用上面抵消开口线参数影响后更新后ADS原理图,插入前级网络S1P文件,在ADS里读出对应频率点的阻抗Z14:测量下级的输出阻抗将开口线焊接在焊点2的位置,利用矢网测量出后级网络的输出阻抗,保存S1P文件,利用上面抵消开口线参数影响后更新后ADS原理图,插入后级网络S1P文件,在ADS里读出对应频率点的阻抗Z25:利用ADS的Smith Chart Utility 进行阻抗匹配将前级网络的输出阻抗Z1取共轭,负载网络的输入阻抗为Z2,代入到Utility进行阻抗匹配,最后将匹配后的元件值焊接到板子上进行测试
2022年10月10日
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GUN Radio实战信号源设计&USRP发射接收波形信号
信号源设计目标:创建一个正弦波,并使用时域 Scope Sink 查看生成的波形。了解基本的流程图构建和常用模块的使用。1.在终端窗口中输入:gnuradio-companion 打开 GRC 软件。2.将 Options 模块的 ID 属性设置为 LAB2,Generate Options 属性设置为 QTGUI。3.使用快捷键 Ctrl+F 或点击菜单栏中的 搜索图标 查找模块 signal source 信号发生模块,和 scope sink 图形显示模块。双击或拖动模块到画布上。由于 GNU 中 scope 模块只有 WX GUI 类型的,如下图所示所以我们需要将 Options 模块的 Generate Options 属性值相应的改为 WXGUI。否则程序将会报错并不能被执行。如下图所示,连接 Signal Source 模块和 WX GUI Scope Sink 模块,而 WX GUI Scope Sink 模块为红色,点击工具栏中的运行按钮会显示出错误原因:5.此时,若我们想在程序运行时,在 GUI 界面能够随时改变频率的值,则需要添加 WX GUI Slider 模块。6.为了防止 CPU 过载,我们添加一个 Throttle 模块。Throttle 模块主要起到限速的作用,设置高的速率,程序执行的快,设置低的速率程序行的慢。当有硬件连接的时候,我们不需要 Throttle 模块,因为硬件本身就对速率有了限制。这里我们讲一下,为什么所有的流程图都要用 Throttle 模块,先看下使用了与没有使用 Throttle 模块的正弦波流程图上的系统资源监控对比:下图为 Throttle 为不同值时,CPU 的使用速率。Throttle 模块的作用可以理解为限速:速度越高我们流程图运行的速度越高,速度越低流程图运行的速度越低。我们如果将 Throttle 模块的采样率调到1e6比调到1e3(CPU 配置低就调的更低一些防止跑死)的 CPU 负载要高很多。7.在桌面创建一个 LAB-LW 的文件夹,将刚刚连接好的程序保件夹中,并将其保存为 LAB1.grc。整体流程框图:流程结果图:用 USRP 发射接收波形信号目标:学会使用 USRP 设备利用现有的程序进行简单的修改实现简单的发送接收。并熟悉 UHD 模块的基本使用。通过上一个练习我们已经知道怎样建立一个不通过外部设备即可接收到波形信号的程序,在本节练习中,我们将对上节程序进行简单的修改然后利用外部 USRP 设备进行发射接收波形信号。将 Options 模块的 ID 属性设置为 LAB2,Generate Options 属性设置为 QTGUI。2.由于有外部硬件连接了,所以我们不需要 Throttle 模块了, Throttle WX GUI Scope Sink 模块删除。3.删除两个 WX GUI Slider 模块。4.修改 Signal Source 模块的属性参数:5.从模块库中将 QT GUI Sink,UHD:USRP Sink 模块添加到 布中,将 SignalSource 模块的输出端与 QT GUI Sink 模块和 UHD:USRP S nk 模块的输入端连接到一起。其中 UHD:USRP Sink 模块用来发射波形信号,QT GUI Sink 模块用来查看发射的波形信号。其具体的模块属性参数如下图所示:6.从模块库中将 UHD:USRP Source,QT GUI Sink 模块 加到画布中,将UHD:USRP Source 模块的输出端连接到 QT GUI Sink 模块的输入段。其中, UHD:USRP Source 模块用来接收波形信号,QT GUI Sink 模块用来显示接收 波形。其具体的模块属性参数如下图所示:UHD:USRP Sourc属性参数。USRP B210 更改 A 通道或 B 通道:7.添加两个 QT GUI Range 模块,并将其 ID 改为 gain_tx,和 gain_rx。用于调整发射端和接收端的增益值。8.为了方便我们查看发射和接收的波形信号,我们添加一个 QT GUI Tab Widget模块。将 ID 更改为 ab,Num Tabs 改为2,Label0名称更改为 TX,用来查看发射端的波形情况;Label1名称更改为RX,用来查看接收端的波形情况。同时,更改发射端 QT GUI Sink 模块的 GUI Hint 属性为 lab@0;更改接收端 QT GUI Sink 模块的GUI Hint 属性为 lab@1。将连接好的程序保存在 LAB-LW 的文件夹中,并将其保存为 LAB2.grc整体流程框图:流程结果图:(此程序采用 USRP-LW B210运行,同时将通道 A 的 TX/RX2端外接馈线或连接天线)发射端波形:接收端波形:
2022年05月20日
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2022-05-07
智能无源感知技术简介
什么是无源感知?——设备发射无线信号(例如WIFI、声波、RFID、光以及毫米波等),无线信号被待检测对象反射,特定路径的信号返回到接收设备,通过对获取的无线信号进行信号处理等流程获取待检测对象的信息。生活中的无源感知广泛应用于人机交互、软件定义设备、健康监护及行为识别等领域,比如老人跌倒监测、Google Pixel 4手势识别、超声波VR交互、基于RFID的软件定义转速仪等。而当今社会中的人机交互领域,目前已经催生出机械设备人机交互、可穿戴设备人机交互与无源感知人机交互三大应用,其中的无源感知由于其与设备间的隔离状态,可操作性更强、卫生性也更好。软件定义设备,自1883年Warren S.Johnson发明全球首台恒温器,近年来已经由机械型传感器进化为固体传感器、智能MEMS传感器,时至今日,无源感知为基础的新型传感器已经成为最新的科技产物。该技术拥有三大特点:声波的短波长提供细粒度特征、声波在空气中自由传播提供非接触感知方式、基于智能移动设备的低成本软件开发。而创新思路主要为设计具有物理强关联特征的提取方法,采用多维信号智能融合。
2022年05月07日
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2022-04-20
HAL库开发stm32 DHT11传感器
PB1引脚设置output即可,不想用PB1,修改引脚办法,修改dht11.c文件中的所有端口和引脚现象dht11.h#ifndef __HT11_H_ #define __HT11_H_ #include "main.h" #include "stm32f1xx_hal.h" //函数原型 //void delay_us(uint8_t); //微妙延时函数,启用了一个定时器。因为DHT11通讯过程涉及微妙延时 void GPIO_Input(void); //GPIO 状态转变的函数 CUBEMX默认的GPIO初始化我只开启了相关总线的使能 //把GPIO状态(输入 输出)封装成了两个函数 void GPIO_Output(void); void DHT11_Rst(void); //主机开始采集的信号 uint8_t DHT11_Check(void); //检查DHT是否回应 uint8_t DHT11_Init(void); //初始化函数 uint8_t DHT11_ReadBit(void); //读取一位 uint8_t DHT11_ReadByte(void); //读取一个字节 uint8_t DHT11_ReadData(uint8_t *); //读取数据(40个位) #endif dht11.c#include "dht11.h" #define CPU_FREQUENCY_MHZ 72 // CPU主频,根据实际进行修改 static void delay_us(uint32_t delay) { int last, curr, val; int temp; while (delay != 0) { temp = delay > 900 ? 900 : delay; last = SysTick->VAL; curr = last - CPU_FREQUENCY_MHZ * temp; if (curr >= 0) { do { val = SysTick->VAL; } while ((val < last) && (val >= curr)); } else { curr += CPU_FREQUENCY_MHZ * 1000; do { val = SysTick->VAL; } while ((val <= last) || (val > curr)); } delay -= temp; } } void GPIO_Input(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = ; /*Configure GPIO pin : PB1 */ GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); } void GPIO_Output(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = ; /*Configure GPIO pin : PB1 */ GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); } void DHT11_Rst(void) //主机开始信号 { GPIO_Output(); HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_RESET); HAL_Delay(20); HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_SET); delay_us(30); } uint8_t DHT11_Check(void) { uint8_t retry = 0; GPIO_Input(); while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_1) && retry <100) //等待回应拉位低电平 { retry++; delay_us(1); } if(retry >= 100)return 1;else retry = 0; //当变量值大于100 返回1 说明无响应 返回 0 则为正确响应 while(!HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_1) && retry <100) //等待变为高电平 { retry++; delay_us(1); } if(retry >= 100)return 1; return 0; } uint8_t DHT11_Init(void) { DHT11_Rst(); return DHT11_Check(); } uint8_t DHT11_ReadBit(void) //读取一个位 { uint8_t retry = 0; while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_1) && retry <100) //等待变为低电平 { retry++; delay_us(1); } retry = 0; while(!HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_1) && retry <100) //等待变为高电平 { retry++; delay_us(1); } delay_us(40); //40us 后如果为低电平 数据为0 高电平数据为1 if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_1))return 1;else return 0; } uint8_t DHT11_ReadByte(void) //读取一个字节 返回值位采集值 { uint8_t i,dat; dat = 0; for(i = 0;i < 8;i++) { dat <<= 1; //数据左移一位 dat |= DHT11_ReadBit(); //每读取到一个位 放到dat的最后一位 } return dat; } uint8_t DHT11_ReadData(uint8_t *h) { uint8_t buf[5]; uint8_t i; DHT11_Rst(); if(DHT11_Check() == 0){ for(i = 0;i < 5;i++) { buf[i] = DHT11_ReadByte(); } if(buf[0] + buf[1] + buf[2] + buf[3] == buf[4]) { *h = buf[0]; h++; *h = buf[2]; } }else return 1; return 0; } main.c添加//你自己要完成OLED显示出温度湿度哈,这个我就不写代码了,不然真的是再喂饭了呜呜 #include "dht11.h" //引入头文件 #include "stdio.h" uint8_t data[2]; //定义一个数据数组 uint8_t buff1[]="dht11 ok\r\n"; uint8_t buff2[]="dht11 error"; uint8_t str_buff[64]; //int main 死循环外面 if(DHT11_Init() == 0) { //这里显示了“温度”“湿度等字符” HAL_UART_Transmit(&huart1,buff1,sizeof(buff1),10000); } else{ //OLED_ShowStr(0,0,"DHT11 error!",1); HAL_UART_Transmit(&huart1,buff2,sizeof(buff2),10000); } HAL_Delay(1000); while (1) { if(DHT11_ReadData(data) == 0) { //显示相关数据 sprintf((char *)str_buff,"温度%d%d;湿度%d%d\r\n",data[0] /10 ,data[0] %10,data[1] /10,data[1] /10); HAL_UART_Transmit(&huart1,str_buff,sizeof(str_buff),10000); } HAL_Delay(1000); //DHT11每次采集一定要间隔1s //你自己要完成OLED显示出温度湿度哈,这个我就不写代码了,不然真的是再喂饭了呜呜! }
2022年04月20日
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2022-04-12
【视频课程】STM32系统开发与protues仿真快速入门课
STM32系统开发与protues仿真快速入门课,上课层次分明,包含gpio与按键开发,中断,定时器,AD/DA转化,传感器,串口通信,远程通信技术,OLED液晶显示等等,由间到难,条理清晰。GPIO&键盘扫描定时器&OLED串口&TIM+串口传感器基础&OLED动态显示传感器原理&ADC基础OLED动态显示本节OLED配置允许不设置PB12-P15 output,直接基本三步后可以创建工程文件解决1us实现办法关于传感器代码移植,可以下载网上开源的驱动文件xx.h和xx.c文件,类似OLED驱动文件一样分别添加到工程文件夹中的Inc和Src中,最后用keill5打开用ADD进行文件添加!此处忘了可以回放第二节课OLED课delay_ms实现static inline void delay_ms(uint32_t delay) { HAL_Delay(delay); }delay_us实现#define CPU_FREQUENCY_MHZ 72 // CPU主频,根据实际进行修改 static void delay_us(uint32_t delay) { int last, curr, val; int temp; while (delay != 0) { temp = delay > 900 ? 900 : delay; last = SysTick->VAL; curr = last - CPU_FREQUENCY_MHZ * temp; if (curr >= 0) { do { val = SysTick->VAL; } while ((val < last) && (val >= curr)); } else { curr += CPU_FREQUENCY_MHZ * 1000; do { val = SysTick->VAL; } while ((val <= last) || (val > curr)); } delay -= temp; } } 远程通信&结语串口调试工具综合视频
2022年04月12日
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GNURadio-软件无线电入门教程
第一章 GNURadio 和软件无线电概述1.1什么是 GNU RadioGNU Radio 是一个软件框架,使用户能够设计、模拟和部署功能强大的软件无线电系统。它是一个高度模块化的,面向“流程图”的框架,带有一个全面的处理模块库,可以轻松组合并构成复杂的信号处理系统的应用程序。GNU Radio 已用于大量的无线电应用程序。包括音频处理,移动通信,跟踪卫星,雷达系统,GSM,数字无线电等等,所有这些都在计算机软件中使用。1.2为什么我们要使用 GNU Radio以前,在开发无线电通信设备时,工程师必须先开发用于接收并处理特定信号的接收机, 来对特定信号传输进行解码或编码。随着数字信号处理与其算法越来越复杂,这些信号处理的平台也变得越来越复杂,通常需要较为高速的 ADC、FPGA 以及能将实时数据串流到计算机平台的连接芯片等,每个系统所对应的硬件平台不一定是一样的,这就带来了巨大的开发成本。通过使用软件无线电(SDR)设备进行模拟信号处理,在相同的硬件平台上可以同时兼容运行各种不同的软件程序,不仅节约了开发成本,也提高了开发新系统的效率。1.3关于数字信号处理作为一种软件框架,GNU Radio 通过硬件平台串流的比特数据流输入到计算机中,并在操作系统中运行相应的应用程序以此达到对特性信号进行处理的目的。我们都知道计算机只能处理数字信号。如何去理解数字信号呢?简单举个例子:当你想要录制一段人声的时候,说话的人会产生声音信号,该信号由震动导致周围气压发生变化而产生。这样一个时变的物理量就是一种信号。当空气波到达麦克风时,麦克风将变化的压力转换为电信号,即可变电压现在我们已经将信号转化为了电信号,在一些模拟系统中,已经可以开始对信号进行处理。但是对于我们的计算机系统,一个数字的系统,这还远远不够。为了使计算机能够处理这样的数据,我们还需要满足两个条条件:1.是有限点数的 2.是在有限时间之内的因此,该数字信号可以由称为样本的数字序列表示。采样之间的固定时间间隔直接影响到采样率。提取物理量(电压)并将其转换为数字样本的过程由模数转换器(ADC)完成。相反,我们还有数模转换器(DAC),可从将计算机中提取数字序列转换为模拟信号。现在我们已经有了一个数字序列,我们的计算机就可以使用它进行各种操作。同样,电磁波显然也是一种波,它跟声波有许多相同的性质。我们可以用天线将变化的电信号发射出去,这个电信号一般位于一个较高的频率上,可以是数百 KHz 到 GHz。通过使用软件无线电接收机,我们可以接收并对这些信号进行处理,以此进行我们想要的操作。1.4GNU Radio 是如何工作的在 GNU Radio 中,为了处理数字信号,我们可以使用简单的流程指示箭头将其连接:在上图中,Signal Source 即为信号源,左边的输入接口可以输入频率参数,右边的输出接口可以输出音频数据流。右边的 Audio Sink 为音频接收器,允许通过扬声器或其他音频设备播放出输入的信号。这就构成了一个十分简单的流程图,点击软件中的运行按钮即可非常简单快捷的编译流程图并运行。GNU Radio 是一个框架,用于开发这些处理模块并创建流程图。软件自带大量的处理模块,在这里简单举例一些:Waveform Generators 信号发生器Constant Source 常数源(可以理解成直流分量)Noise Source 噪声源Signal Source (e.g. Sine, Square, Saw Tooth) 信号源ModulatorsAM Demod AM 解调Continuous Phase Modulation 连续相位调制PSK Mod / Demod PSK 调制/解调GFSK Mod / Demod GFSK 调制/解调GMSK Mod / Demod GMSK 调制/解调QAM Mod / Demod QAM 调制/解调WBFM Receive 宽带 FM 接收机NBFM Receive 窄带FM 接收机使用这些模块,我们只需要进行相应的连接操作,就可以快速搭建数字信号处理系统。另外,当然你也可以自己开发新的 block,或者将现有的块与其他软件结合在一起,开发出新的功能。因此,GNU Radio 主要是用于开发信号处理模块及其交互的软件框架。它带有广泛的标准块库,开发人员可以在其中构建许多系统,是十分方便的软件无线电开发工具。第二章 GNU Radio 软件安装与配置GNURadio 的官方 GitHub 页面为 https://github.com/gnuradio/gnuradio。其首页中也明确说明了对于不同操作系统的不同安装方式。2.1操作系统的选择我个人最推荐使用 Ubuntu18.04 我在这个系统版本上搭建过很多次所需要的环境,没怎么出过问题,使用一直很稳定。19 版本或许可以,我没有尝试过,但是 20 版本一定不可以, 因为有接到过软件报错的情况报告。2.2Linux 环境下的直接安装对于GNU Radio,如果只是简单轻度使用我就建议大家直接使用 Linux 的二进制软件包安装。最快捷方便而且最重要不容易出错。根据 GNURadio 官方 GitHub 界面,首先的安装方式也是直接使用 apt 安装。以下命令适用于 Debian,Ubuntu 及其衍生版本。它将使用 Python2 安装 GNURadio 3.7 版sudo apt install gnuradio对于以上操作系统,直接执行这条命令即可安装完成。如果遇到报错建议自行查询报错信息解决。对于其他 Linux 发行版,请查阅:https://wiki.gnuradio.org/index.php/InstallingGR#From_Binaries2.3Linux 下使用PyBOMBS 辅助自动从源码构建PyBOMBS 是安装GNURadio 以及相关软件工具的一个快捷工具。你可以使用它来安装各种 SDR 设备所依赖的支持库,绝大部分操作都是全自动的。PyBOMBS 是方便用来从源代码构建 GNU Radio,UHD 和各种 Out of Tree(OOT)模块,然后将其安装到指定的用户目录中的工具。在使用之前,PyBOMBS 会检测用户的操作系统并在构建的第一阶段加载所有先决条件(可能会出现各种花式报错)。如果你对于自己解决 Linux 环境配置问题不是很有信心,我不建议你使用这种方法安gnuradio。注意!!:GitHub 中详细描述了安装的步骤,请自行参阅:项目地址:https://github.com/gnuradio/pybombs因为它是从源代码安装GNU Radio,所以第五步可能需要一些时间,要进行更快的安装, 请参阅 https://wiki.gnuradio.org/index.php/InstallingGR#Ubuntu_PPA_Installation2.4Linux 下手动从源码编译构建请参阅:https://wiki.gnuradio.org/index.php/InstallingGR#From_Binaries2.5Windows 环境下的安装在 Windows 环境下,官方提供了非正式版的 GNU Radio 3.7 和 3.8 的安装文件,虽然我也不推荐你真的在 Windows 平台运行这个软件,但是它在 Win 平台是真的可以使用的。不管是 USRP 还是 PlutoSDR,有驱动程序的话就可以使用。对于 USRP,可能存在固件版本的问题,按照教程后面的解决办法是可以解决的。相关的安装软件包在这里下载:http://www.gcndevelopment.com/gnuradio/index.htm2.6Mac OS X 环境下的安装你是认真的?请参阅:https://wiki.gnuradio.org/index.php/MacInstall第三章 教程初阶3.1熟悉使用 GNU Radio Companion学习目的:使用标准块库创建流程图了解如何使用检测模块 Sink 调试流程图了解GNU Radio 中的采样和调节功能了解如何使用文档找出模块的功能在本教程中,我们将从简单框图开始,探讨如何使用 GNU Radio 的图形工具GNU RadioCompanion(GRC)来创建不同的框图。GRC 是为了简化 GNU Radio 而诞生的,有了它, 我们可以以图形化编程的方式创建 python 脚本,替代了传统的复杂代码编写,进而降低软件无线电编程的入门门槛。那么我们开始。首先打开终端,输入以下指令。$ sudo gnuradio-companion或者直接单击软件图标,也是可以运行软件的。如果你发现不仅应用程序中没有出现软件图标,而且终端也不能打开这个软件,那么你的安装很有可能出现了问题。请检查安装是否存在问题。这里有一点区别。当你通过终端运行 GRC 时,下图绿色部分的终端会同时在系统终端里显示。而如果直接通过点击软件图标运行则只能在GRC 的终端面板中观察信息。首先我们来介绍软件界面。总共分为五个部分:库,工具栏,终端,工作区和变量。红色区域为工具栏部分,放置了平时最常用的工具,比如运行、停止、编译等重要功能按键。新建、打开、保存、关闭打开/关闭变量编辑器、截图、剪切、复制、粘贴、删除选中模块查看错误信息、编译流程图、执行流程图、停止运行流程图撤销、重做启用选中模块、禁用选中模块、绕过选中模块、反转禁用连接/模块的状态查找模块、重置模块、打开选中阶梯模块源码蓝色区域即为我们绘制具体流程图的地方。我们可以将右边灰色部分库中的模块拖入蓝色区域,并且将他们通过箭头连接起来,这样就可以构成一个真正的信号处理系统。黄色部分显示的是当前框图中所使用到的变量。在蓝色部分的左上角可以看到两个方框, 分别是 Options 与 Variable,这两个是创建工程时就会自动创建的。在界面的右边灰色区域中,存放了大量可以用于拖拽到流程图中的模块。其中有很大一部分是软件安装时就自带的,如果你安装了其他gnuradio 附属的插件脚本,也会一并显示在框中,通常自行安装的会显示在最后面。因为模块非常多,因此平时寻找想要的模块时一个一个手动翻找会非常麻烦。此时可 以点击工具架上的放大镜图标,或是输入 Ctrl + f 输入该块的关键字进行检索,就可以更容易的找到这个block。例如,这里我们输入 sink(接收器),就可以看到包含单词“接收器”的所有块以及将在其中找到每个块的类别。现在,我们来添加一个名为 QT GUI Time Sink 的块,方法是单击其名称并将其拖动到工作区中,或者双击其名称以将其自动放置在工作区中。工作区包含构成流程图的所有块,在每个块内部都有不同的块参数,但是,每个新流程图都需要有一个特殊的块,称为“选项块”。让我们双击选项块以检查其属性。双击opthions 模块可以看到它的具体内容。Options 中包含了工程的特殊参数设置,每个流程图仅允许存在一个这样的选项模块。上面的 ID,title,author,description,分别表示这个流程图的 ID,标题以及作者和简介。该块的 ID 决定了生成文件的名称和类的名称。例如,一个 ID 为 top_block 的文件将生成文件 top_block.py 和 top_block 类。Cavans Size 窗口大小控制流程图编辑器的尺寸。窗口大小(宽度,高度)必须介于(300,300)和(4096,4096)之间。Generate options 生成选项控制生成的代码的类型。非GUI 流程图应避免使用带有GUI的组件或图形变量控件。Run:流程图的运行可由变量控制,以在需要时启动和停止流程图。Max number of output 最大输出数是流程图中任何方框所允许的最大输出项数;要禁用此功能,将max_nouts 设置为 0 即可。使用此功能可以调整流程图可以显示的最大延迟。可以注意到另一个关键的东西。我们可以输入信息的字段中存在的不同颜色。这些实际上对应于不同的数据类型,我们将在本教程的后面部分介绍这些数据类型。GRC 将我们在编辑器中创建的流程图转换为Python 脚本。因此当我们执行流程图时, 实际上是在运行编译好的Python 程序。ID 用于命名该 Python 文件,该文件与.grc 文件保存在同一文件夹内。默认情况下,ID 是默认值,因此它将创建一个名为 default.py 的文件。更改 ID 可让我们更改保存的文件名,以便更好地管理文件。在 GNUradio 3.8 中,如果不更改默认 ID,则会收到错误消息,因此需要更改此 ID 才能运行流程图。Variable 即变量,它的 ID 是 samp_rate,你可以在框图中的其他地方调用这个变量。例如:这样这里的数值就会随着该变量的变化而变化。如果你点进了设置面板的第三个选项卡,就能看到有关这个block 的文档。通常情况下正规的 block 都是会写使用文档的,当然少数自定义的模块可能是没有的。虽然这些说明是英文的,但是我十分建议大家自己去用谷歌等工具翻译一下这些文档,因为教程不可能每个详细的点都能讲到,有时还是得靠自己查一查的。如果我们删除了一个重要的参数,或是填入了什么不正确的参数,以至于我们的框图无法正常运行,那么此时你会看到执行按钮变成灰色不可点击的状态。此时报错信息按钮亮起,并且在出现错误的block 上,它的名称出现了红色的高亮显示。你可以点击这个按钮,就可以看到存在问题的错误信息。在错误信息中,详细指出了错误出现的位置(如果看不懂就用翻译工具翻译一下,不过英语这么差我建议你直接放弃,这玩意高中生都能看懂。#日常劝退)我们只需要按照报错信息所提示的位置:模块-top block-选项中的一个参数:max_nouts双击打开这个模块,就可以看到在模块中也存在同样的错误信息提示位于正下方。错误明确指出,在这个输入框中数值“”不能被接受,因为这里必须填写的是一个数字, 我们填写数字 0 进去后点击确定,即可发现错误信息已经消失。执行按钮也亮起,说明框图无明显错误,可以正常运行。现在,我们对如何找到块,如何将它们添加到工作区以及如何编辑块属性有了更好的了解,下面我们随意以几个 block 组成一个框图来进行简单的演示。刚才我们拖入了 QT GUI Time Sink 这个模块,这是个图形接收器,可以同时显示多个信号。接下来我们搜索并向流程图中添加 Signal Source(信号源)模块,和 Throttle(节气门)模块,有关这几个模块详细的说明将在之后的教程中详细讲解,现在只需知道此块会限制流程图的某些数据即可,以确保它不会占用 100%CPU 资源导致电脑直接卡到裂开。“生成流程图”,“ 执行流程图”和“终止流程图”的快捷键分别为 F5,F6 和 F7。你可以在我们刚刚提到的工具架上点击这些按钮,或者直接按快捷键来进行相关的操作。当你按下生成流程图按钮之后,软件就会自动将你刚才绘制的流程图转化为一个 python 脚本文件。单击执行流程图按钮之后,就可以看到以下运行结果。如果你不想运行了,只要点击终止流程图即可停止当前运行的程序。这样我们的第一个流程图就成功运行了。这是一个从信号源产生信号,经过限流器限制后输出到 time sink 进行接收并显示到屏幕上的操作。你可以注意到这里有两根数据曲线被绘制出来,他们都来自于 Data 0,蓝色的曲线为Re(实部),红色部分为 Im(虚部)。如果你根本不知道Re 和 Im 是什么个玩意儿,那么我建议你先学习下我们电子通信类专业的一门必修课程《复变函数》,这将会对你的系统性学习产生很大的帮助。(有意思的是这两个信号的相位差正好为 ,这对于我们的零中频(Zero-IF)接收/发2射机有至关重要的意义,不过这个咱们以后有机会再提。)在这个流程图中,我们很轻松的就把所有的block 连起来了,轻松的离谱你不觉得吗? 没有出现任何头疼的问题或是错误。那么有没有会出现错误的情形呢?当然有,而且经常会有。Source IO size "8" does not match sink IO size "4".源 IO 大小“ 8”与接收器 IO 大小“ 4”不匹配。这似乎是一个和数据类型有关的报错。既然出现了这个错误,那么就说明我们还没有搞懂框图输入输出的数据类型到底是个什么玩意儿。那么现在就让我们点击软件上方的help,这里面有对于数据类型的说明。(最上面那个棕色的看的不是很清楚,不过这问题不大,你用鼠标把它选中高亮就能看清了。)我们可以看到在许多编程语言中都可以看到的常见数据类型。在我们刚才搭建的流程图中,你可以注意到所有连接的模块端口均是蓝色的,这代表当前所传输的数据为Complex Float 32 类型,这意味着它们同时包含实部和虚部,并且每一个都是 Float 32 类型。我们可以推断出,当“Time Sink 时间接收器”采集到这样一个Complex 的数据类型时, 它将在两个不同的通道上同时输出实部和虚部的图像,也就是我们刚才看到的红蓝两种颜色的图像了。现在进入其 Signal Source 的属性面板,并更改“输出类型”参数,将信号源更改为浮点型输出。此时我们传输的数据流是一个普通的 32 位浮点数。可以看到现在我们所有连接的点均变成了橘色,(当然 throttle 也要调整,别问我为什么它还是蓝色的),这也就说明了目前数据类型均匹配,当然刚才出现的报错也就消失了。有同学发现 throttle 的输出连接了两个 block。不同的节点之间是可以支持多条同样的数据链路的,这是非常方便的一点,也是绝大部分图形化编程界面都具有的功能。可以注意到刚才的两条线此时变成了只有一条线,这是因为我们刚刚修改了数据类型。现在让我们来尝试一些更复杂的框图吧。运行结果如下:
2022年04月08日
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