基于HackRF的TDMA通信系統設計

（陸軍工程大學通信工程學院，南京 210007）

1 引言

近幾十年來，衛(wèi)星移動通信經歷了幾個階段的發(fā)展，在幾年的短暫沉寂之后，又由馬斯克的SpaceX計劃重新引起了大眾的關注。與地面移動通信有諸多不同，衛(wèi)星成本高昂、資源寶貴、功率受限、時延大等特殊性，決定了它在技術上必須要采取一些方式來節(jié)約資源和保證傳輸質量。時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技術就是這樣一種廣泛應用于衛(wèi)星通信當中的技術。

在衛(wèi)星移動通信中使用TDMA通信方式，能夠充分發(fā)揮無線通信多址連接的特長。使用一個調制解調器就可以與多個站點同時通信，高效利用了衛(wèi)星有效載荷，可以使轉發(fā)器工作在飽和狀態(tài)（線性區(qū)），而多個站共用一個轉發(fā)器也有效避免了通信電路之間的干擾。系統容量大，衛(wèi)星功率利用率高，同時信號傳輸質量也得到了提高。但是，這要求各地球站之間、地球站和衛(wèi)星之間都做到嚴格的時間同步，才能達到所有用戶實現共享衛(wèi)星資源的目的。

本文選擇了一種成本低、易入門的硬件平臺HackRF，以GNU Radio軟件無線電平臺作為開發(fā)工具實現了一個采用TDMA技術的通信收發(fā)系統，并實驗證明了其可靠性。

2 軟硬件平臺

GNU Radio是一款開源軟件無線電開發(fā)平臺，旨在給普通的學習研究人員提供探索電磁波的機會，鼓勵他們在這一領域的創(chuàng)新與研究。GNU Radio基于Linux操作系統，其應用主要是由Python語言編寫，但核心信號處理模塊由C++構建[2]。C++具有較高的執(zhí)行效率，用于編寫各種信號處理模塊，如信號發(fā)生器、濾波器、調制解調器等。而對于面向對象的Python語言，它的語法簡單，對用戶十分友好，被用來編寫連接各個模塊的腳本。

HackRF是軟件無線電外部設備，主要作用為信號的發(fā)射、處理與接收，其硬件架構與工作流程如圖1所示。當用于信號接收時，天線接收信號進入射頻電路，作下變頻轉換為中頻信號，再將中頻信號二次下變頻為模擬基帶信號，然后將模擬基帶信號經過采樣轉換為數字基帶信號，最后將數據傳送到PC端進行處理。相反流程即為信號發(fā)送的過程。

圖1 HackRF硬件架構

3 TDMA通信系統

3.1 QPSK調制與解調

正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）是目前衛(wèi)星通信領域最常用的一種數字信號調制方式，它的頻譜利用率高，抗干擾能力強，同時在電路上的實現也較為簡單，能夠適應星上功率受限、有效載荷不宜過于復雜的外部條件。

QPSK調制技術中，規(guī)定了四種載波相位：45°，135°，225°和315°，利用四種相位差來表示輸入的信息。二進制數字序列輸入到調制器后，需要轉換為四進制數據來和四進制的載波相位相匹配。于是，將數字序列中每2bits分為一組，則共有四種組合（00，01，10，11）。其中，每一組由兩位二進制信息比特組成，分別代表四進制四個符號中的一個符號。QPSK中每次調制可傳輸兩個信息比特，映射為載波的四種相位來傳遞。而在接收端，解調器根據載波相位星座圖來判斷發(fā)送端發(fā)送的信息比特。QPSK信號的星座圖如圖2所示。

圖2 QPSK信號星座圖

由于QPSK信號可以看作是兩路正交2PSK信號的合成，所以可以用兩路正交的相干載波來解調。將輸入信號分成兩路，同相支路（I）和正交支路（Q），分別乘以正交相干載波，則能夠解調出I路和Q路的基帶信號，通過抽樣判決器，最后經過并/串變換后即可輸出原始的數字信息。

3.2 TDMA技術概述

TDMA是通信技術中的基本多址方式之一，它的基本思想是把時間分成周期性的幀，每一個幀再分割成若干個時隙分配給各基站。若滿足了時鐘同步的條件，則各基站可以分別在各時隙內收發(fā)信息而互相不干擾。同時，基站發(fā)送給多個用戶的信號都按順序安排在規(guī)定的時隙中傳輸，各用戶只要在指定的時隙內接收，就能在合路的信號中把發(fā)送給它的信號分離并接收下來。在TDMA中，以區(qū)別不同時隙的方法來區(qū)分不同的用戶。用戶請求服務的數據傳輸速率取決于時隙分割的長度，時隙越長，傳輸速率則會降低。

在衛(wèi)星通信系統中，衛(wèi)星供電主要依靠太陽能電池板以及星載蓄電池。當衛(wèi)星運行到無法采集到太陽能的位置，就需要靠蓄電池供電，而這種供電能力是大大受限的。于是，星上的功率資源相當寶貴，有效載荷數量有限、耗能要低。在使用TDMA技術的衛(wèi)星通信系統中，每一個分幀時隙只允許一個地球站發(fā)送的載波通過衛(wèi)星轉發(fā)器，有效避免了頻分復用帶來的互調干擾，也最大效能的利用了衛(wèi)星轉發(fā)器的帶寬和功率。在實際應用中，TDMA技術的優(yōu)勢可以使系統在單一平臺上支持多種業(yè)務，如數據、話音、圖像、視頻等，是一種可靠而又經濟的方案，同時這樣靈活的結構使用戶可以在各網絡節(jié)點根據實際業(yè)務來設置需要的接口。

4 軟件設計與實現

本文基于ubuntu系統中的GNU Radio平臺開發(fā)，選擇使用平臺中可視化、易操作的信號處理模塊直接搭建系統流圖，并搭載HackRF硬件平臺運行。

圖3 用戶1發(fā)送文本

圖4 用戶2發(fā)送文本

4.1 發(fā)送端流程設計

本文設置兩個發(fā)送用戶來體現TDMA的實現，用戶1和用戶2發(fā)送的文本由圖3和圖4給出。在設計過程中，考慮到利用GNU Radio平臺現有模塊以及簡化模型的思想，采用了等間隔劃分時隙的方法，并以每30位符號的長度作為一個時隙的長度，交替分配給用戶1和用戶2來使用。

由于硬件設備的限制，難以做到精準的時間同步與定時，所以本系統的同步采用設置與提取同步位的方式來實現。在發(fā)送端，在每個時隙的起始部位加入（0，0，0，0，0，19，20，30，20，19）作為同步標志位，合路信號經過QPSK調制之后發(fā)送出去，頻率設為400MHz。發(fā)送端整體框圖如圖5所示。

圖5 發(fā)送端設計框圖

4.2 接收端流程設計

在接收端，接收頻率設為400MHz。先對接收到的信號作QPSK解調（如圖7上半部分），而后對TDMA作解復用（如圖7下半部分）。本文采用了一系列邏輯模塊的組合來輸出取樣脈沖，從而實現同步標志位的提取。取樣脈沖波形如圖6所示。

圖6 取樣脈沖時域波形

由于本文采用的是等間隔劃分時隙，用戶1和用戶2交替分配的方式，所以提取同步標志位之后便能夠按時隙長度很容易地將用戶1和用戶2發(fā)送的數據接收下來。用戶接收文本如圖8和圖9所示。

圖7 接收端設計框圖

圖8 用戶1接收文本

圖9 用戶2接收文本

5 結束語

衛(wèi)星移動通信系統不同于地面通信系統的特殊性，決定了使用TDMA技術能夠更加高效經濟。本文通過學習研究QPSK和TDMA的基本原理，基于GNU Radio和HackRF硬件平臺搭建了一個使用QPSK調制解調的TDMA通信系統，實現了文本的正確傳輸與良好接收。但本實驗只是利用簡化的思想完成了原理論證，并未加入信道噪聲等誤差，實驗時通信雙方距離很近，這也是接收端能夠完全恢復并分離出兩用戶發(fā)送文本的原因之一。在后續(xù)的研究中可以考慮如何增加系統魯棒性，加入一些干擾項來研究如何減小系統誤差等。本文提供了一個良好的思路，結合GNU Radio的開放性與HackRF硬件平臺的成本優(yōu)勢，能夠在此基礎上開展更深入的研究，實現更完善靈活的系統。