GNU Radio之OFDM Serializer底层C++实现

Gnep@97

发布于 2024-05-01 00:46:42

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前言

GNU Radio 中 OFDM Serializer 模块是 OFDM Carrier Allocator 逆块，其功能为将 OFDM 子载波的复杂调制符号序列化（并串转换模块），输出复数数据符号作为一个带标签的流，并丢弃导频符号。

一、OFDM Serializer 简介

输入与输出
- 输入：复数长度向量
- 输出：复数标量，其顺序与占用的载波中指定的顺序相同。
参数
- FFT length：FFT 长度
- Occupied Carriers：占据的子载波
- Length Tag Key：标识输入帧长度（以OFDM符号计）的标签键
- Packet Length Tag Key：标识此数据包中复数符号数量的标签键
- Symbols skipped：如果第一个符号没有按照 occupied_carriers[0] 的分配设置，请设置这个参数
- Carrier Offset Key：当这个块需要纠正载波偏移时，在这里指定偏移的标签键（如果后面接的是OFDM帧均衡器则不必指定）。
- Input is shifted：如果输入在索引 0 上具有 DC 载波（即未进行 FFT 移位），则将其设置为 false
实现原理
- OFDM Serializer 是 OFDM 载波分配器的逆向块。它输出复数数据符号作为一个带标签的流，并丢弃导频符号。
- 如果提供，将解析两个不同的标签：第一个键（长度标签键）指定输入帧中的 OFDM 符号数量。第二个键（数据包长度标签键）指定编码到该帧中的复数符号数量。如果提供了这第二个键，则在输出时使用；否则，使用长度标签键。如果两者都提供，数据包长度指定输出项的最大数量，而帧长度指定消耗的输入项的确切数量。
- 通过传递带有该偏移的另一个标签，可以在此功能中纠正载波偏移。

二、C++ 具体实现

1、初始化和配置参数

// 构造函数, 包含了对输入信号的参数设置、检查和初始化步骤
ofdm_serializer_vcc_impl::ofdm_serializer_vcc_impl(
    int fft_len,												// FFT处理的长度
    const std::vector<std::vector<int>>& occupied_carriers,		// 指定在FFT带宽中哪些频率载波是被占用的
    const std::string& len_tag_key,								// 用于标签流处理，标识长度的键
    const std::string& packet_len_tag_key,						// 用于标签流处理，标识数据包长度的键
    int symbols_skipped,										// 开始处理前应跳过的符号数
    const std::string& carr_offset_key,							// 用于载波偏移的标签键
    bool input_is_shifted)										// 指示输入数据是否已经进行了频率移位
    : tagged_stream_block("ofdm_serializer_vcc",
                          io_signature::make(1, 1, sizeof(gr_complex) * fft_len),	// io_signature 定义了输入和输出的数据类型和大小。
                          io_signature::make(1, 1, sizeof(gr_complex)),
                          len_tag_key),
      d_fft_len(fft_len),										// FFT长度
      d_occupied_carriers(occupied_carriers),					// 存储占用的载波信息
      d_packet_len_tag_key(pmt::string_to_symbol(packet_len_tag_key)),
      d_out_len_tag_key(pmt::string_to_symbol(
          (packet_len_tag_key.empty() ? len_tag_key : packet_len_tag_key))),
      d_symbols_skipped(symbols_skipped % occupied_carriers.size()),
      d_carr_offset_key(pmt::string_to_symbol(carr_offset_key)),
      d_curr_set(symbols_skipped % occupied_carriers.size()),
      d_symbols_per_set(0)	// 记录在一个OFDM符号集中，所有被占用的载波上分配的数据和导频符号的总数；"集"指的是一个OFDM帧
{
	// *************************载波占用和频率移位处理**************************
	/*
		这段循环通过对每个载波的索引进行修改来处理频率移位（如果input_is_shifted为真）。
		对于每个载波，根据FFT长度进行调整，确保它们都在有效范围内（64 个子载波编号为 [-32,31]，
		将其变为 [0, 63]）。如果载波索引超出了FFT长度的范围，会抛出异常。
	*/
    for (unsigned i = 0; i < d_occupied_carriers.size(); i++) {
        for (unsigned k = 0; k < d_occupied_carriers[i].size(); k++) {
            if (input_is_shifted) {
                d_occupied_carriers[i][k] += fft_len / 2;
                if (d_occupied_carriers[i][k] > fft_len) {
                    d_occupied_carriers[i][k] -= fft_len;
                }
            } else {
                if (d_occupied_carriers[i][k] < 0) {
                    d_occupied_carriers[i][k] += fft_len;
                }
            }
            if (d_occupied_carriers[i][k] >= fft_len || d_occupied_carriers[i][k] < 0) {
                throw std::invalid_argument("ofdm_serializer_vcc: trying to occupy a "
                                            "carrier outside the fft length.");
            }
        }
    }

	// 计算每个集合的符号数
    for (unsigned i = 0; i < d_occupied_carriers.size(); i++) {
        d_symbols_per_set += d_occupied_carriers[i].size();	// 计算所有占用载波集合中的符号总数，用于设置处理速率。
    }
    set_relative_rate((uint64_t)d_symbols_per_set, (uint64_t)d_occupied_carriers.size());
    set_tag_propagation_policy(TPP_DONT);	// 设置标签传播政策为不传播，意味着这个块不会自动将输入标签复制到输出标签
}

2、计算输出流长度

int ofdm_serializer_vcc_impl::calculate_output_stream_length(
    const gr_vector_int& ninput_items)	// 包含了每个输入流中可用的样本数。在这个上下文中，向量中的第一个元素（ninput_items[0]）表示当前块处理的输入流中的样本数。
{
	/*
		ninput_items[0] / d_occupied_carriers.size()：这部分计算整个输入样本可以完全覆盖多少个完整的载波集合。

		将完整覆盖的载波集数乘以每个集合中的符号数（d_symbols_per_set），得到基本的输出样本数。
	*/
	int nout = (ninput_items[0] / d_occupied_carriers.size()) * d_symbols_per_set;	// 用于计算输出流的长度

	// 处理余数部分
	/*
		这部分计算每个额外处理的载波集中有多少个符号，然后加到nout上
	*/
	for (unsigned i = 0; i < ninput_items[0] % d_occupied_carriers.size(); i++) {
		
        nout += d_occupied_carriers[(i + d_curr_set) % d_occupied_carriers.size()].size();
    }
    return nout;
}

3、更新流标签

void ofdm_serializer_vcc_impl::update_length_tags(int n_produced, int n_ports)
{
	// 更新流标签，用于指示输出流中的数据长度
    add_item_tag(0, nitems_written(0), d_out_len_tag_key, pmt::from_long(n_produced));
}

4、OFDM 信号的序列化（并串转换）

// 处理 OFDM 信号的序列化
int ofdm_serializer_vcc_impl::work(int noutput_items,
                                   gr_vector_int& ninput_items,
                                   gr_vector_const_void_star& input_items,
                                   gr_vector_void_star& output_items)
{
    const gr_complex* in = (const gr_complex*)input_items[0];	// 预期输出的项数
    gr_complex* out = (gr_complex*)output_items[0];				// 各输入流中的项数列表
    long frame_length = ninput_items[0]; // Input frame		记录输入帧的长度
    long packet_length = 0;              // Output frame	用于记录输出帧的长度
    int carr_offset = 0;

    std::vector<tag_t> tags;
    // Packet mode
    if (!d_length_tag_key_str.empty()) {
        get_tags_in_range(tags, 0, nitems_read(0), nitems_read(0) + 1);	// 检索当前处理范围内的标签
        for (unsigned i = 0; i < tags.size(); i++) {	// 载波偏移
            if (tags[i].key == d_carr_offset_key) {
                carr_offset = pmt::to_long(tags[i].value);
            }
            if (tags[i].key == d_packet_len_tag_key) {	// 包长度的信息
                packet_length = pmt::to_long(tags[i].value);
            }
        }
    } else {
        // recalc frame length from noutput_items
        frame_length = 0;
        int sym_per_frame = 0;
        while ((sym_per_frame +
                d_occupied_carriers[(frame_length + 1) % d_occupied_carriers.size()]
                    .size()) < (size_t)noutput_items) {
            frame_length++;
            sym_per_frame +=
                d_occupied_carriers[(frame_length + 1) % d_occupied_carriers.size()]
                    .size();
        }
    }

    // Copy symbols
    // *************************符号复制和标签处理*************************
    /*
		在处理每个输入符号时，将关联的标签（除了包长度标签）复制到输出符号上。
		然后，根据载波偏移和当前的载波集设置，从输入复制符号到输出。
	*/
    int n_out_symbols = 0;
    for (int i = 0; i < frame_length; i++) {
        // Copy all tags associated with this input OFDM symbol onto the first output
        // symbol
        get_tags_in_range(tags, 0, nitems_read(0) + i, nitems_read(0) + i + 1);
        for (size_t t = 0; t < tags.size(); t++) {
            // The packet length tag is not propagated
            if (tags[t].key != d_packet_len_tag_key) {
                add_item_tag(
                    0, nitems_written(0) + n_out_symbols, tags[t].key, tags[t].value);
            }
        }
        for (unsigned k = 0; k < d_occupied_carriers[d_curr_set].size(); k++) {
            out[n_out_symbols++] =
                in[i * d_fft_len + d_occupied_carriers[d_curr_set][k] + carr_offset];
        }
		
		// 包长度检查
		/*
			如果设置了包长度，并且输出符号数超过了这个长度，就将输出符号数调整为包长度，
			并提前终止处理。
		*/
        if (packet_length && n_out_symbols > packet_length) {
            n_out_symbols = packet_length;
            break;
        }
        d_curr_set = (d_curr_set + 1) % d_occupied_carriers.size();
    }

    // Housekeeping
    // 结束处理
    /*
		消费输入项：如果没有长度标签键，根据计算的帧长度消费输入项。
					否则，重置当前的载波集设置，准备下一次调用。
	*/
    if (d_length_tag_key_str.empty()) {
        consume_each(frame_length);
    } else {
        d_curr_set = d_symbols_skipped;
    }

    return n_out_symbols;
}