李 苗,付寶君,熊 睿,徐 蕓,李志豪
(哈爾濱師范大學 計算機科學與信息工程學院,黑龍江 哈爾濱 150025)
隨著數(shù)字信息傳輸技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)時代的深入與飛速發(fā)展,數(shù)字信號的傳輸與處理變得尤為重要。傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)在傳輸速率與傳輸成本方面面臨著極大挑戰(zhàn)。
軟件無線電技術(shù)對傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)進行了兼容繼承和屬性拓展,以靈活性和開放性作為其主要輸出特性,通過改變通信頻率和通信接口協(xié)議等,實現(xiàn)無線電對信號的發(fā)送和接收。
作為當今無線通信領(lǐng)域的新技術(shù),軟件無線電引起了國內(nèi)外越來越多的關(guān)注。
國際上,美國作為第一個進行軟件無線電技術(shù)研究的國家,成立了MMITS國際論壇,推動軟件無線電的研究以及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,處于當今世界軍用軟件無線電網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的前沿。為了推廣軟件無線電技術(shù)在無線通信技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用,微軟研究院軟件無線電項目Sora通過在軟硬件平臺上的創(chuàng)新,使其完成了在PC上的高性能無線信號處理。
國內(nèi),TD-SCDMA是我國科研工作者利用軟件無線電技術(shù)設(shè)計完成的第三代國際數(shù)字移動通信系統(tǒng)方案。繼美國愛立信和摩托羅拉手機公司后,華為等通信技術(shù)公司研制出基于軟件無線電架構(gòu)的4G/LTE通信基站,為無線通信技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻。2015年,聯(lián)芯發(fā)布的SoC智能手機芯片平臺使SDR技術(shù)應(yīng)用于紅米2A,軟件無線電在手機上的成功應(yīng)用意味著無線電新時代的到來。通信產(chǎn)品的迭代周期逐漸縮短,4G通信技術(shù)已被廣泛商用,5G時代悄然而至。傳統(tǒng)的硬件定義無線電技術(shù)已無法滿足通信產(chǎn)品的需求,物聯(lián)網(wǎng)以及5G時代的來臨將會帶給軟件無線電新的發(fā)展空間。
本文設(shè)計了基于GNU Radio和HackRF的軟件無線電收發(fā)系統(tǒng),闡述了GNU Radio的編程語言環(huán)境和HackRF的基本功能及主要軟件構(gòu)成,在建立基于GMSK調(diào)制解調(diào)器仿真系統(tǒng)的計算機實驗模擬的基礎(chǔ)上,以GNU Radio+HackRF為模型,進一步研究設(shè)計并成功實現(xiàn)了文本文件的無線傳輸,從而實現(xiàn)了以數(shù)字信號處理技術(shù)為基礎(chǔ)的軟件無線電平臺的無線通信。
GNU Radio是由Eric Blossom發(fā)起的、開源的且基于Linux系統(tǒng)的軟件無線電項目,主要由不同功能的封裝模塊組成。
作為核心功能之一的信號處理模塊主要使用實時數(shù)據(jù)處理效率較高的C++語言,模塊之間的連接由解釋型腳本語言Python完成。GNU Radio采用軟件編程的方式定義無線電波的發(fā)射與接收,實現(xiàn)了最小程度上的硬件結(jié)合。GNU Radio平臺提供信源模塊、調(diào)制解調(diào)模塊、圖形調(diào)試模塊等,用戶在開發(fā)時可以通過調(diào)用已有信號處理模塊或編寫自定義模塊構(gòu)建靈活高效的應(yīng)用環(huán)境。GNU Radio安裝完成后,在終端命令行鍵入GNU Radio-companion,通過模塊選擇及連接,運行后形成相應(yīng)的.grc文件和.py文件。
HackRF是由美國工程師Michael Ossmann發(fā)起的開源軟件無線電外設(shè)。通過其無線電接口與電腦端接口相連進行信息傳輸,GNU Radio軟件通過編程實現(xiàn)對無線通信的控制。HackRF One實物如圖1所示。
圖1 HackRF One實物
信號進入接收端后,射頻信號選通部件決定是否由14 dB的放大器將信號進行放大,鏡像抑制濾波器對信號進行低通或高通濾波,信號經(jīng)過寬頻合成器混頻到2.6 GHz固定中頻[1],通過射頻收發(fā)器混頻到模擬基帶信號,并以差分信號形式輸出,將輸出基帶信號數(shù)字化后傳送到CPLD和單片機,最后由處理器將采樣數(shù)據(jù)送入PC端處理。工作流程如圖2所示。
圖2 工作流程
GNU Radio具備多種調(diào)制方式,本文采用GMSK(高斯頻移鍵控)的調(diào)制方式進行文本文件的無線發(fā)送與接收,其設(shè)計方案如下。
發(fā)送端:生成文本文件;構(gòu)建GRC流程,選擇GMSK調(diào)制方式。
接收端:構(gòu)建GRC流程,選擇GMSK解調(diào)方式;將接收的數(shù)據(jù)保存成文本文件。
系統(tǒng)示意圖如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)示意圖
通信系統(tǒng)中調(diào)制與解調(diào)技術(shù)的實施效果直接關(guān)系到通信調(diào)制系統(tǒng)的質(zhì)量和性能。已經(jīng)普遍存在的恒包絡(luò)通信調(diào)制系統(tǒng)技術(shù)雖然可以很好地達到非線性恒包絡(luò)對信道的傳輸要求,但由于仍存在相位突變問題,導致恒包絡(luò)頻譜的擴展對相鄰信道傳輸造成了干擾。因此,尋找恒包絡(luò)連續(xù)相位的調(diào)制技術(shù)具有重要意義。MSK和GMSK頻譜是恒包絡(luò)連續(xù)相位頻譜調(diào)制技術(shù)的典型代表,具有恒包絡(luò)、連續(xù)相位、頻譜盡可能集中在主瓣、旁瓣滾降衰減快的特點[2]。
MSK是恒包絡(luò)連續(xù)相位頻率調(diào)制,信號表示式為[3]:
MSK調(diào)制框圖如圖4所示。
圖4 MSK調(diào)制框圖
MSK信號的解調(diào)可以采用相干解調(diào)或非相干解調(diào)。由于MSK調(diào)制指數(shù)較小,在對誤碼率要求較高時多采用相干解調(diào)[6]。
相干解調(diào)框圖如圖5所示。
圖5 MSK解調(diào)框圖
GMSK調(diào)制流程如圖6所示。
圖6 GMSK調(diào)制流程
GMSK在MSK調(diào)制前將矩陣信號脈沖通過一個高斯型低通濾波器,其處理過程如下。
高斯型低通濾波器的傳遞函數(shù)為[8]:
將上式作逆傅里葉變換得此濾波器的沖擊響應(yīng)為[9]:
發(fā)送端流程如圖7所示。
圖7 發(fā)送端流程
模塊流程解讀:
如圖4所示為GIS設(shè)備氣體泄漏檢測報警裝置電路連接結(jié)構(gòu)示意圖。其中,太陽能電池板可以在日照情況允許時將太陽能轉(zhuǎn)換為電能,并將其儲存在蓄電池中;蓄電池作為整套氣體泄漏檢測報警裝置的電源,分別連接至氣體傳感器和信息處理系統(tǒng);信息處理系統(tǒng)包含一個單片機,一個A/D轉(zhuǎn)換器,一個信息分析器和一個報警系統(tǒng),單片機控制抽氣泵工作,并將氣體傳感器采集到的信息傳遞給A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號發(fā)送至信息分析器,信息分析器對其進行處理判斷后,顯示在顯示屏上;如果測量結(jié)果超過設(shè)定閾值則觸發(fā)報警系統(tǒng),此時報警系統(tǒng)控制的蜂鳴器和警示燈開始工作,提醒工作人員進行檢修。
(1)File Source模塊讀取文件;
(2)Packet Encoder為信源編碼模塊,將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字數(shù)據(jù);
(3)GMSK Mod為信道編碼模塊,將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合在信道上傳輸?shù)臄?shù)字信號,具有抵抗差錯的能力;
(4)通過Osmocom Sink模塊發(fā)送信號。
接收端流程如圖8所示。
圖8 接收端流程
模塊流程解讀:
(1)通過RTL-SDR模塊接收信號,以與發(fā)送頻率相同的頻率接收;
(3)Packet Decoder模塊為信源譯碼,將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬數(shù)據(jù);
(4)File Sink模塊將模擬數(shù)據(jù)寫入文件。
本次實驗結(jié)果采用Windows系統(tǒng)終端發(fā)送,Linux系統(tǒng)終端接收的方式。以發(fā)射終端為起點輻射空間內(nèi)5 m范圍,均可實現(xiàn)典型順序流式文件的無線傳輸數(shù)據(jù),傳輸誤碼率大幅下降,符合系統(tǒng)設(shè)計要求。
若收發(fā)端均采用Windows系統(tǒng)終端,試驗結(jié)果顯示個別有效字符信息傳輸錯誤。此外,若將實驗置于高斯噪聲信號較強的干擾頻段下,數(shù)據(jù)傳輸誤碼率顯著上升。因此,收發(fā)系統(tǒng)空間地理環(huán)境、通信空間直線長度、干擾信號強度等均會對典型順序流式文件的正確傳輸產(chǎn)生影響。發(fā)送文本如圖9所示,接收文本如圖10所示。
圖9 發(fā)送文本
圖10 接收文本
本文通過GNU Radio與HackRF構(gòu)建的軟件無線電平臺實現(xiàn)了典型順序流式文件在信道中的無線收發(fā),驗證了GMSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)的可行性。
GNU Radio的開放性和模塊化特點有助于使用者建立信號處理流程,HackRF具有半雙工收發(fā)能力,二者所構(gòu)建的通信系統(tǒng)性價比較高。通過對其進行深入探究,可以將其應(yīng)用于雷達的設(shè)計研制中,以降低雷達信號處理對硬件的依賴。因此,軟件無線電在未來的通信技術(shù)領(lǐng)域及軍事技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)發(fā)揮明顯的優(yōu)勢,應(yīng)用市場和應(yīng)用前景廣闊。