基于HackRF的文本文件收發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)

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）

0 引 言

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。

1 軟硬件平臺介紹

1.1 GNU Radio平臺介紹

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。

1.2 軟件無線電介紹

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

2 系統(tǒng)設(shè)計

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

3 調(diào)制解調(diào)方案研究

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]。

3.1 MSK調(diào)制

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

3.2 MSK解調(diào)

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

3.3 GMSK調(diào)制解調(diào)原理

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]：

4 軟件無線電下無線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

4.1 發(fā)送端

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。

4.2 接收端

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。

4.3 實驗分析

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

5 結(jié) 語

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。