基于軟件無線電的通信中繼平臺

武警工程大學(xué) 劉志騁 陳任秋

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，由于高山建筑物等遮蔽物的阻擋，常常出現(xiàn)弱信號區(qū)域和信號盲區(qū)，一般用通信中繼的方式來解決。而常用的中繼方式如基站、轉(zhuǎn)信臺等存在著建設(shè)成本高，維護不便，移動性差，供電也不方便的問題，而本文利用軟件無線電理論組建了一個通信中繼平臺可有效避免這些缺點。

軟件無線電(Sof t war e Radio)，也稱為軟件定義無線電(Sof t war e Def ined Radio)，是指將模塊化、標準化、通用化的硬件單元以總線或交換方式連接起來組成一個通用的無線通信平臺，通過在這個平臺上加載標準化、模塊化、通用化的軟件，實現(xiàn)各種無線通信功能的一種開放體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)。它與原來單純由硬件電路構(gòu)成的無線通信系統(tǒng)不同，也與單純用軟件方式控制的數(shù)字無線系統(tǒng)不相同的一種新的信息處理和傳輸?shù)捏w系結(jié)構(gòu)與技術(shù)。

軟件無線電以一種嶄新的設(shè)計、制造和使用無線通信系統(tǒng)與設(shè)備的思想，擺脫了單一系統(tǒng)固定電路的傳統(tǒng)無線電設(shè)計思路，通過一種模塊化的通用硬件平臺，利用軟件編程來確定系統(tǒng)的工作參數(shù)(包括可編程的通信頻段、信號調(diào)制解調(diào)和編解碼及通信方式等)，完成無線通信系統(tǒng)的各種功能。這種以一個物理平臺實現(xiàn)多個無線通信功能的系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的以硬件為主的無線通信系統(tǒng)相比，不僅降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短了產(chǎn)品的更新周期，而且具有系統(tǒng)復(fù)用性高、開放性好、維護管理方便的技術(shù)優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)分析

軟件無線電中繼平臺平臺由RTLSDR設(shè)備和hackr f組成，RTLSDR負責信號的接收，hackr f負責發(fā)送，軟件gnur adio負責信號的處理、算法的編程等，如圖1所示。

圖1 通信中繼平臺基本架構(gòu)

(1)RTLSDR設(shè)備[1][2]

RTLSDR設(shè)備使用的是RTL2832+E4000芯片，俗稱電視棒。射頻范圍為70MHz-1.7GHz，支持USB2.0的2.8 MS/s的高速傳輸和8bit的IQ數(shù)據(jù)采樣。只需50元人民幣，就可以觀看數(shù)字電視和頻譜圖，收聽廣播，追蹤飛機軌跡等，同時與gnur adio和SDR#等多款軟件無線電軟件平臺兼容。其主要負責將接收天線的射頻信號下變頻，然后將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，交給gnur adio進行處理。

(2)hackr f[3]

hackr f的射頻范圍能達到30 MHz- 6 GHz。另外，hackr f還可以外加一個上變頻器，就可以將載頻降低到300KHz，大大增加了射頻范圍。使用USB2.0接口，向主機的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達到35MB/s，帶寬都在16MHz以上。Hackr f集成了CPLD+MCU基帶處理方案，大大增加了運算能力。同時，hackrf只需要1000多元，成本相當?shù)停涂蓪崿F(xiàn)信號的接收和發(fā)射以及通信系統(tǒng)的建立等。系統(tǒng)中hackr f主要用來信號的處理和發(fā)射。信號處理和算法可以集成下載到hackr f上。Hackrf主要將基帶處理的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，經(jīng)過兩次變頻后發(fā)射出去。

(3)gnur adio[4]-[6]

開源軟件無線電(GNU Radio)是一個對學(xué)習、構(gòu)建和部署軟件無線電系統(tǒng)的免費軟件工具包，是本系統(tǒng)實現(xiàn)的軟件平臺。它使人們不用購買一大堆射頻收發(fā)設(shè)備，就可以進行信號的接收和發(fā)送。它集成了大量的信號運行和處理模塊，實現(xiàn)了在低成本易制作的射頻硬件和通用微處理器上軟處理信號。其主要是通過C++在微處理器上建立核心處理模塊，Pyt hon編程語言提供交互應(yīng)用模塊來編寫實現(xiàn)的，可通過編程簡單高效地建立實時的通信系統(tǒng)。同時，在沒有軟件無線電的硬件平臺的情況下，仍可支持對現(xiàn)成的數(shù)據(jù)進行數(shù)字信號處理算法的研究。系統(tǒng)中g(shù)nur adio是通信平臺的軟件部分，主要負責信號的處理，算法的實現(xiàn)，提供和RTLSDR設(shè)備、hackr f的接口交互，以及中間的數(shù)據(jù)緩沖調(diào)度傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)實現(xiàn)及測試

系統(tǒng)中，RTLSDR和hackr f通過USB端口和PC相連，PC計算機上安裝的是Ubunt u系統(tǒng)，軟件gnur adio已經(jīng)安裝成功，RTLSDR和hackr f的gnur adio驅(qū)動已經(jīng)編譯成功。如圖2所示，RTL2832 Sour ce為RTLSDR設(shè)備的接收模塊；IShor t To Compl ex模塊為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，因為RTL2832模塊輸出的數(shù)據(jù)格式為i shor t格式，而hackr f輸出的是compl ex格式，需要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；Squar e3 f f為在gnur adio下新編譯的信號處理模塊，進行算法控制、協(xié)議制定等；Osmocom Sink模塊為hackr f的發(fā)射模塊，WX GUI FFT Sink為gnuradio下的GUI，對信號進行FFT變換，可以觀察各個頻率的頻譜圖。圖中進行的是接收103.6M的調(diào)頻廣播，然后在439.1M頻率上中轉(zhuǎn)發(fā)射，在439.1M頻率上能清楚聽到廣播的聲音，系統(tǒng)測試成功。

3 結(jié)論

本文旨在通過軟件無線電手段實現(xiàn)通信中繼平臺的建立，平臺中RTLSDR負責信號的接收，hackr f負責發(fā)送，軟件gnur adio負責信號的處理、算法的編程等，測試效果良好。

[1]Sriram S, Srivasta G, Gandhiraj R,et al.Plug-ins for GNU Radio Companion[J].International Journal of Computer Applications,2012,52(16):11-16.

[2]Sruthi M B,Abirami M, Manikkoth A,et al.Low cost digital transceiver design for Software Defined Radio using RTL-SDR[C]//Automation,Computing,Communication,Control and Compressed Sensing(iMac4s),2013 International Multi-Conference on.IEEE,2013:852-855.

[3]Heinaaro K.Cyber attacking tactical radio networks[C].Military Communications and Information Systems (ICMCIS),2015 International Conference on. IEEE, 2015:1-6.

[4]Fuxj?ger P,Costantini A, Valerio D,et al.IEEE 802.11p Transmission Using GNURadio[J].International Journal on Computer Science & Engineering,2010,42(3):112-118.

[5]陳通海,李景春,鄭娜,等.基于GNURadio和USRP2的未知信號檢測[J].無線電工程,2012,42:16-19.

[6]Zhou W,Villemaud G,Risset T.Full duplex prototype of OFDM on GNURadio and USRPs[C].Radio and Wireless Symposium (RWS),2014 IEEE.IEEE,2014:217-219.