gr-freq_hopping

基于 GNU Radio 的跳频通信系统模块

项目简介

gr-freq_hopping 是一个基于 GNU Radio 框架开发的跳频通信系统 OOT (Out-of-Tree) 模块。该模块实现了完整的跳频通信链路，包括时隙帧生成、PSK 基带调制、频率跳变、解跳、符号恢复和性能测量等功能。

主要特性

• 完整的发射链路：从信息生成到频跳调制的完整处理流程
• 完整的接收链路：从解跳到符号恢复和误码率测量
• 灵活的跳频速率：支持 5/10/20/50/100/110 hops/s
• 多种调制方式：支持 BPSK/QPSK/8PSK
• 格雷码编码：降低符号错误率
• RRC 成形滤波：改善频谱效率
• 高效的同步机制：基于标签传播的时间和相位同步
• 性能测量：集成符号错误率（SER）测量功能

系统架构

发射链路

slot_frame → bb_pskmod → hop_interp → hop_mod → RF发射
   (帧生成)   (PSK调制)    (插值)    (频跳调制)

接收链路

RF接收 → hop_demod → symbol_recover → frame_recover →psk_demod →ser_measurement
        (频跳解调)   (符号恢复)        (帧恢复)         (psk解调) (误码率测量)

模块说明

发射端模块

1. slot_frame（时隙帧生成）

• 生成包含同步头和数据段的时隙帧结构
• 支持源信息生成与加扰
• 输出长度随跳频速率动态调整：
  • 5 hops/s: 432 符号
  • 10 hops/s: 216 符号
  • 20 hops/s: 108 符号
  • 50 hops/s: 40 符号
  • 100 hops/s: 20 符号
  • 110 hops/s: 18 符号

参数：

• hop_rate: 跳频速率（hops/s）
• M_order: PSK调制阶数（2/4/8）
• info_seed: 信息序列随机种子

2. bb_pskmod（PSK 基带调制）

• PSK 星座映射，支持 BPSK/QPSK/8PSK
• 使用格雷码编码
• RRC 根升余弦滤波与成形
• 可配置过采样因子（2x/4x/8x/16x）

参数：

• hop_rate: 跳频速率
• M_order: 调制阶数（2/4/8）
• Ksa_ch: 每符号采样点数（过采样因子）

3. hop_interp（插值）

• 对复数信号进行插值处理
• 支持向量化信号流

参数：

• interp_fac: 插值因子
• vlen_in: 输入向量长度

4. hop_mod（频跳调制）

• 基于伪随机序列的频率跳变
• 使用液体 DSP 库的 NCO 实现高效频率转换
• 自动处理 110 跳特殊速率（9600/87 Hz）

参数：

• bw_hop: 跳频带宽
• ch_sep: 信道间隔
• freq_carrier: 载波频率
• fsa_hop: 跳频采样率
• hop_rate: 跳频速率

接收端模块

5. hop_demod（频跳解调）

• 与发射端同步生成跳频序列
• 基于 rx_time 标签实现时间同步
• 通过负频率混频实现解跳

参数：与 hop_mod 相同

6. symbol_recover（符号恢复）

• 监听 phase_est 标签实现采样同步
• 基于标签值进行相位补偿
• 抽取最佳采样点
• 过滤假标签（基于相关峰值判断）

参数：

• sps: 每符号采样点数

7. frame_recover（帧恢复）

• 基于 phase_est 标签进行帧同步
• 在帧长度内输出数据
• 跳频切换期间不输出符号

参数：

• frame_len: 帧长度

8. ser_measurement（符号错误率测量）

• 与参考文件对比计算符号错误率
• 每 30 帧输出一次统计结果
• 稀疏输出模式（仅在帧边界）

参数：

• filename: 参考符号序列文件路径

依赖项

必需依赖

• GNU Radio >= 3.10
• liquid-dsp：liquid-DSP 信号处理库
• CMake >= 3.8
• Python >= 3.6
• pybind11：C++/Python 绑定

系统库

• gnuradio-runtime
• gnuradio-filter
• C++ 标准库（complex, vector, random, fstream 等）

编译安装

1. 安装依赖

Ubuntu/Debian

sudo apt-get update
sudo apt-get install gnuradio gnuradio-dev cmake python3-dev pybind11-dev

# 安装 liquid-dsp
git clone https://github.com/jgaeddert/liquid-dsp.git
cd liquid-dsp
./bootstrap.sh
./configure
make
sudo make install
sudo ldconfig

Fedora/RHEL

sudo dnf install gnuradio gnuradio-devel cmake python3-devel pybind11-devel
# liquid-dsp 需要从源码编译

2. 编译模块

cd gr-freq_hopping
mkdir build
cd build
cmake ..
make
sudo make install
sudo ldconfig

3. 验证安装

在 Python 中测试导入：

python3 -c "import gnuradio.freq_hopping; print('安装成功！')"

在 GNU Radio Companion 中，应该能看到 "freq_hopping" 分类下的所有模块。

使用方法

在 GNU Radio Companion 中使用

1. 打开 GNU Radio Companion (gnuradio-companion)
2. 在右侧模块列表中找到 "freq_hopping" 分类
3. 将所需的模块拖拽到流图画布
4. 配置各模块的参数
5. 连接模块构建完整的发射或接收链路

典型流图示例

发射端流图

freq_hopping_slot_frame
    ↓
freq_hopping_bb_pskmod
    ↓
freq_hopping_hop_interp
    ↓
freq_hopping_hop_mod
    ↓
UHD: USRP Sink (或其他硬件设备)

接收端流图

UHD: USRP Source (或其他硬件设备)
    ↓
freq_hopping_hop_demod
    ↓
resampler
    ↓
agc2
    ↓
correlation estimator
    ↓
freq_hopping_symbol_recover
    ↓
freq_hopping_frame_recover
    ↓
costas_loop
    ↓
constellation decoder
    ↓
freq_hopping_ser_measurement

Python 辅助函数

模块提供了一些辅助计算函数：

from gnuradio import freq_hopping

# 计算 slot_frame 输出向量长度
vlen = freq_hopping.calc_vlen_slot_frame(hop_rate=110)

# 计算 bb_pskmod 输出向量长度
vlen = freq_hopping.calc_vlen_bb_pskmod(hop_rate=110)

# 计算 9600 波特率模式的头部长度
head_len = freq_hopping.calc_head_len_9600(hop_rate=110)

技术特性

标签传播机制

• 大多数模块设置标签传播策略为 TPP_DONT
• 通过手动 add_item_tag 实现精细的标签控制
• 关键同步标签：phase_est、corr_est、rx_time

同步机制

• 时间同步：基于 rx_time 标签
• 相位同步：基于 phase_est 标签
• 帧同步：基于 corr_est 标签和相关峰检测

特殊处理

• 110 跳速率：使用 9600/87 = 110.34 Hz 实际跳频率以实现收发同步
• 向量化处理：支持 vlen 参数进行批量数据处理
• 液体 DSP 集成：使用 liquid 库的 NCO 进行高效频率转换

文件结构

gr-freq_hopping/
├── include/gnuradio/freq_hopping/  # 公开 API 头文件
├── lib/                             # C++ 实现源文件
├── python/freq_hopping/             # Python 模块和绑定
├── grc/                             # GRC 块配置文件
├── examples/                        # 示例流图（待添加）
├── apps/                            # 应用程序（待添加）
├── docs/                            # 文档
└── CMakeLists.txt                   # 构建配置

开发与测试

运行单元测试

cd build
ctest -V

代码格式化

项目包含 .clang-format 配置文件，可以使用以下命令格式化代码：

find . -name "*.cc" -o -name "*.h" | xargs clang-format -i

贡献

欢迎提交 Issue 和 Pull Request！