基于開源軟件無線電系統(tǒng)的設(shè)備調(diào)試與研究

廖年挺

廣東省佛山市無線電監(jiān)測站，廣東佛山 528000

0 引言

隨著移動通信技術(shù)的高速發(fā)展，軟件無線電（SDR）已經(jīng)廣泛流行，它是基于軟件定義的無線通信協(xié)議，空中接口和功能通過軟件下載和更新，不完全依靠硬件。

1 開源軟件無線電系統(tǒng)

GNUradio軟件的應(yīng)用主要用Python編程語言編寫，提供信號運行和處理模塊，制作低成本射頻硬件（RF），開發(fā)實時高容量的無線通信系統(tǒng)。實現(xiàn)在沒有RF硬件下，支持對數(shù)字信號進行處理的各種算法。GNUradio的信號處理模塊庫，包括調(diào)制方式、糾錯碼、信號處理和調(diào)度等，通過軟件圖形化界面（GRC）建立流向圖，信號數(shù)據(jù)流從輸入端口流入，經(jīng)處理后輸出。

2 數(shù)字設(shè)備及功能調(diào)試

使用一塊RF板卡（hackrf one）作為接收和轉(zhuǎn)換數(shù)字信號的前端數(shù)字設(shè)備，使用裝了Unbutu操作系統(tǒng)和GUNradio軟件的個人電腦，作為信號處理設(shè)備，構(gòu)建無線電頻譜監(jiān)測功能的系統(tǒng)。

2.1 前端數(shù)字設(shè)備

Hackrf one是一塊支持GNUradio軟件的射頻數(shù)字設(shè)備，用于30MHz至6GHz頻段各種應(yīng)用開發(fā)，數(shù)據(jù)帶寬20MHz，采樣精度（ADC/DAC）8bit，采樣速率（ADC/ DAC）20Mbps，硬件接口USB，開源種類為全開源，最大發(fā)射功率10dBm，64QAM（正交振幅調(diào)制）發(fā)射EVM（誤差向量幅度）為1.5%，復(fù)采樣帶寬20MHz。

2.2 數(shù)據(jù)源（osmocom Source）

Osmocom Source用于連接控制hackrf one板卡，是后續(xù)信號處理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。在GNUradio，這個模塊的參數(shù)是控制數(shù)據(jù)流類型，支持復(fù)合單精度32位數(shù)據(jù)。在GRC界面，構(gòu)建首要設(shè)置osmocom Source參數(shù)，包括：1）Sample Rate，每頻道每秒輸出樣本數(shù)，最高20MHz帶寬的采樣率；2）Frequency，中心頻率，如800MHz；3）Freq.Corr，頻率校正因子，設(shè)為1.2；4）DC Offset Mode，直流偏移模式，用于控制硬件直流偏移性能，設(shè)為off，禁用校正算法；5）IQ Balance Mode，IQ數(shù)據(jù)平衡模式，用于控制軟件IQ數(shù)據(jù)平衡，設(shè)為off，禁用校正算法；6）Gain Mode，增益模式，設(shè)為Manual，手動增益；7）RF Gain，射頻設(shè)備總體增益，設(shè)為10dB；8）IF Gain，射頻設(shè)備中頻增益，設(shè)為20dB；9）BB Gain，基帶增益，設(shè)為20dB。

2.3 FFT處理輸出

FFT是離散傅氏變換的快速算法，是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。所以，在GUNradio軟件進行信號處理模塊構(gòu)建：1）首先設(shè)置osmocom Source；2）設(shè)置測量參數(shù)控制模塊（WX GUI Slider），參數(shù)包括頻率（freq）、射頻增益（rf_gain）、中頻增益（if_gain）、基帶增益（bb_gain）、頻譜跨度（span_chooser）；3）設(shè)置FFT輸出（WX GUI FFT Sink），典型配置采樣率（sample Rate）為3M、參考電平（Ref Level）為-20dB，刷新率（Refresh Rate）為15。連接osmocom Source和WX GUI FFT Sink模塊，編譯運行實現(xiàn)頻譜基本輸出顯示，效果如圖1。

圖1 FFT頻譜圖顯示

2.4 WFM廣播音頻解調(diào)

實現(xiàn)WFM廣播音頻解調(diào)輸出的構(gòu)建過程：1）首先osmocom Source輸出兩路數(shù)字信號，第1路連接FFT輸出（WX GUI FFT Sink），第2路連接低通濾波器（Low Pass Filter）；2）配置Low Pass Filter典型參數(shù)，Decimation抽取數(shù)為1，Gain增益為1，Sample Rate采樣率為512k，Cutoff Freq截止頻率為115k，Transition Width轉(zhuǎn)換寬度為30k；3）從Low Pass Filter輸出接入寬帶調(diào)頻接收機（WBFM Receive），Quadrature Rate正交速率為512k，Audio Decimation抽取數(shù)為10；4）從WBFM Receive輸出接入多媒體音量（Multiply Const），音量初始數(shù)為2；5）最后連接到音頻輸出（Audio Sink），Sample Rate采樣率參照聲卡速率，設(shè)為48KHz。編譯實現(xiàn)寬帶調(diào)頻廣播信號監(jiān)測監(jiān)聽。結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 WFM廣播音頻解調(diào)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

開源軟件無線電系統(tǒng)（GNUradio）最大優(yōu)勢在于開放性和低成本。由于各種數(shù)字信號接收/發(fā)射處理模塊、源代碼和技術(shù)資料是完全開放的，并可自由進行研究、更新和完善，成果也就得到充分的交流，更有利于應(yīng)用創(chuàng)新和人工智能演進。結(jié)合低成本射頻前端設(shè)備、嵌入式計算機和高速傳輸網(wǎng)絡(luò)，使得開源軟件無線電頻譜監(jiān)控平臺將是一種嶄新的無線電管理技術(shù)手段。雖然目前GNUradio在最大頻帶寬度、數(shù)字信號處理能力、軟件易用性等方面存在一定限制，但隨著更多技術(shù)創(chuàng)新，開源軟件無線電技術(shù)必 將在無線電管理領(lǐng)域中扮演重要角色。

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