廖年挺

廣東省佛山市無(wú)線電監(jiān)測(cè)站，廣東佛山 528000

0 引言

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

1 開(kāi)源軟件無(wú)線電系統(tǒng)

GNUradio軟件的應(yīng)用主要用Python編程語(yǔ)言編寫，提供信號(hào)運(yùn)行和處理模塊，制作低成本射頻硬件（RF），開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)高容量的無(wú)線通信系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有RF硬件下，支持對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的各種算法。GNUradio的信號(hào)處理模塊庫(kù)，包括調(diào)制方式、糾錯(cuò)碼、信號(hào)處理和調(diào)度等，通過(guò)軟件圖形化界面（GRC）建立流向圖，信號(hào)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(hào)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(gè)人電腦，作為信號(hào)處理設(shè)備，構(gòu)建無(wú)線電頻譜監(jiān)測(cè)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(kāi)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(kāi)源種類為全開(kāi)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(hào)處理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源。在GNUradio，這個(gè)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(dòng)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(shí)等特性，對(duì)離散傅立葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的。所以，在GUNradio軟件進(jìn)行信號(hào)處理模塊構(gòu)建：1）首先設(shè)置osmocom Source；2）設(shè)置測(cè)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(yùn)行實(shí)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(shí)現(xiàn)WFM廣播音頻解調(diào)輸出的構(gòu)建過(guò)程：1）首先osmocom Source輸出兩路數(shù)字信號(hào)，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(jī)（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(shí)現(xiàn)寬帶調(diào)頻廣播信號(hào)監(jiān)測(cè)監(jiān)聽(tīng)。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(kāi)源軟件無(wú)線電系統(tǒng)（GNUradio）最大優(yōu)勢(shì)在于開(kāi)放性和低成本。由于各種數(shù)字信號(hào)接收/發(fā)射處理模塊、源代碼和技術(shù)資料是完全開(kāi)放的，并可自由進(jìn)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(jìn)。結(jié)合低成本射頻前端設(shè)備、嵌入式計(jì)算機(jī)和高速傳輸網(wǎng)絡(luò)，使得開(kāi)源軟件無(wú)線電頻譜監(jiān)控平臺(tái)將是一種嶄新的無(wú)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(hào)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(kāi)源軟件無(wú)線電技術(shù)必 將在無(wú)線電管理領(lǐng)域中扮演重要角色。

[1]朱慶厚.無(wú)線電監(jiān)測(cè)與通信偵察[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[2]粟欣，許希斌.軟件無(wú)線電原理與技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3]姜宇柏，游思晴.軟件無(wú)線電原理與工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.