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研究生:楊詠竣
研究生(外文):YUNG-CHUN YANG
論文名稱:使用無線電軟體系統實做一個FM接收器
論文名稱(外文):Use the Software Define Radio to implement a FM Receiver
指導教授:何彥仕
指導教授(外文):YEN-SHIH HO
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:電機工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:60
中文關鍵詞:無線電軟體系統元件可編程邏輯閘陣列通用無線電軟體裝置調頻接收器
外文關鍵詞:GNU RADIOFPGASDRUSRPFM receiver
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無線電軟體系統(Software Defined Radio, SDR)一直被認為是無線通訊系統開發的重要架構,而隨著其適應新通訊協定的能力不斷增強,無線電軟體系統架構已被一些設計人員視為在單個基礎架構設計中支援多種無線通訊協定的重要解決方案。
無線電軟體系統的設計必須滿足可重新配置性的要求和適應各種新出現的通訊規格,以及滿足成本、功耗和性能上的需求。典型的無線電軟體系統架構將採用微處理器(MPU)、元件可編程邏輯閘陣列(FPGA)和可程式的數位訊號處理器(DSP)的組合來實現系統控制、配置、訊號處理和數據路徑控制等功能。其中MPU負責系統控制,元件可編程邏輯閘陣列和數位訊號處理器負責高速率數據流處理程序。為了實現與設計一個無線電軟體系統,本論文選擇使用以GNU RADIO軟體做為開發工具並搭配使用一個Ettus通用無線電軟體系統裝置來實做無線電軟體系統。
GNU RADIO它的優點為軟體的模組與功能套件完全都是採用開放原始碼與免費授權,並且搭配使用低花費的硬體通用無線電軟體系統裝置做為平台。可以快速的安裝與使用而無須花費太多時間。通用無線電軟體系統裝置為設計讓一般的電腦具有使用無線電的高頻通道功能,它的基本設計架構上可做為所有基頻信號的處理, 像是類似CPU在調變與解調變的運算上。另外,例如操作高速數位升降頻的轉換亦可在元件可編程邏輯閘陣列上執行。
本論文首先介紹通用無線電軟體系統裝置的硬體規格與元件。然後介紹GNU RADIO系統的特性與訊號處理流程區塊,並且示範一個簡易程式碼。接下來我們將一步一步的說明GNU RADIO軟體模組與安裝步驟,再來我們將講解並示範一個FM訊號接收的範例程式作為本論文的總結。
Software Defined Radio (SDR) is always a key system for building a radio system. It can easily adjust to a new communication protocol capability. Designers regard the Software Define Radio as a solution supporting many kinds of radio communication protocol and regulation.

Software Defined Radio design must have re-builder capability and adapt to all kinds of new communication standard. It is requested to be low cost and low power. A Software Defined Radio system can be typically realized by Micro Processor Unit (MPU), Field Programmable Gate Array (FPGA), and Digital Signal Processor (DSP) to control the system individually or integratedly. FPGA is studied in this thesis.

Universal Software Radio Peripheral (USRP) board is chosen to construct the software define radio system. The USRP enables us to rapidly design and flexibly implement the required software radio systems.Via installing the software and plugging the USRP into a host computer, we can define it to transmit and receive a virtually limitless variety of signals.

In the thesis, we firstly introduce the hardware specifications and key components of USRP board. Then we download GNU RADIO software modules and related packages from open and free domain. We will describe the setup procedures step by step for software installing in the Linux OS. At last, a FM receiver by USRP mother and daughter board is presented in this thesis.
摘要 i
ABSTACT ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 viii
第一章 緒論 9
1.1 研究背景及動機 9
1.2 研究方法 10
1.3 GNU RADIO簡介 10
1.4 通用軟體無線電裝置 10
1.5 論文組織架構 11
第二章 GUN RADIO無線電軟體系統介紹 12
2.1 無線電軟體系統的特色 12
2.2 無線電軟體系統區塊圖 12
2.3 簡易的程式片段介紹 13
2.4 GNU RADIO的相關研究領域 14
第三章 FM接收器的設計實例 16
3.1 程式設計流程 16
3.2 呼叫必要的模組與模組關係介紹 16
3.3 FLOW GRAPH 類別的介紹 18
3.4 定義 wfm_rx_graph類別 19
3.5 初始化功能:_ _init_ _的介紹 19
3.6 在畫布上設計FM訊號傳送、接收與處理區塊 20
3.6.1 定義取樣頻率 20
3.6.2 描述訊號來源、輸出與處理區塊 21
3.6.3 通用無線電軟體裝置的設定 21
3.6.4 訊號處理的guts 22
3.6.5 將數位訊號傳送至音效卡 23
3.6.6 將訊號區塊與訊號輸出入結合在一起 23
3.7 FM接收器程式操作畫面與結論 23
第四章總結與未來工作 25
4.1 總結 25
4.2 未來工作 25
參考文獻 26
參考網頁 27
附錄1:GNU RADIO軟體安裝步驟 28
附1.1 下載GNU RADIO軟體模組與相關套件程式 28
附1.2 gnuradio-core模組安裝說明 29
附1.3 gr-audio-oss、gr-audio-alsa模組安裝說明 31
附1.4 gr-wxgui模組安裝說明 31
附1.5 usrp與gr-usrp模組安裝說明 32
附1.6 Python環境設定說明 32
附錄2:通用軟體無線電系統裝置規格介紹 34
附2.1 USRP母板規格簡介 35
附2.1.1 元件可編程邏輯閘陣列(FPGA)簡介 36
附2.1.2 類比數位轉換器(ADC)簡介 37
附2.1.3 數位類比轉換器(DAC)簡介 37
附2.2 USRP子板規格簡介 38
附2.2.1 基本TX/RX子板規格簡介 38
附2.3 USRP的安裝設定 39
附2.4執行範例程式測試 40
附錄3:FFTW快速傅立葉轉換 42
附3.1傅立葉轉換 42
附3.2簡介快速傅立葉轉換 42
附3.3快速傅立葉轉換的原理 42
附3.4FFTW的使用方法 43
附3.4.1複數的資料型態 43
附3.4.2一維 DFT 43
附3.4.3多維 DFT: 43
附3.5實驗結果 44
附錄4:CppUnit 45
附4.1 CppUnit簡介 45
附4.2 CppUnit基本原理 45
附4.3安裝CppUnit 46
附錄5:SWIG 48
附5.1 SWIG簡介 48
附錄6:Python 49
附6.1 Python簡介 49
附6.2 Python優點 49
附錄7:dial_tone程式碼 50
附錄8:FM接收器程式碼 51
附錄9:GRC圖形化開發工具 53
附9.1GRC簡介 53
附9.2安裝必要套件 53
附9.3安裝 53
附9.4執行GRC編輯程式 53
附9.5 GRC操作方法 54
附錄10:FM訊號發送程式 57
附10.1使用GRC編輯訊號發送流程 57
附10.2程式執行畫面與實驗平台 57
附10.3 fm_tx3程式原始碼 58
附10.4結論 60
[1] B. Joe, “Software Radio Concept” [ J ], IEEE Communication, September 2000, pp.138-143.
[2] M. Joe. “Software radio architecture”[ J ], IEEE CommunicationMagazine, May 1995, pp.6-38.
[3] 王誌麟 郝樹聲, “數位通訊系統”,東華書局, 台北市
[4] 章慶齡 楊勇, 09.2006, “FPGA原理與實踐”, 北京航空航天大學出版社, 北京
[5] 林傳生 李佩謙, “數位訊號處理器(DSP)簡介與應用”, 全華科技圖書, 台北市
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