基于开源软件无线电系统的设备调试与研究

廖年挺

广东省佛山市无线电监测站，广东佛山 528000

0 引言

随着移动通信技术的高速发展，软件无线电（SDR）已经广泛流行，它是基于软件定义的无线通信协议，空中接口和功能通过软件下载和更新，不完全依靠硬件。

1 开源软件无线电系统

GNUradio软件的应用主要用Python编程语言编写，提供信号运行和处理模块，制作低成本射频硬件（RF），开发实时高容量的无线通信系统。实现在没有RF硬件下，支持对数字信号进行处理的各种算法。GNUradio的信号处理模块库，包括调制方式、纠错码、信号处理和调度等，通过软件图形化界面（GRC）建立流向图，信号数据流从输入端口流入，经处理后输出。

2 数字设备及功能调试

使用一块RF板卡（hackrf one）作为接收和转换数字信号的前端数字设备，使用装了Unbutu操作系统和GUNradio软件的个人电脑，作为信号处理设备，构建无线电频谱监测功能的系统。

2.1 前端数字设备

Hackrf one是一块支持GNUradio软件的射频数字设备，用于30MHz至6GHz频段各种应用开发，数据带宽20MHz，采样精度（ADC/DAC）8bit，采样速率（ADC/ DAC）20Mbps，硬件接口USB，开源种类为全开源，最大发射功率10dBm，64QAM（正交振幅调制）发射EVM（误差向量幅度）为1.5%，复采样带宽20MHz。

2.2 数据源（osmocom Source）

Osmocom Source用于连接控制hackrf one板卡，是后续信号处理的基础数据来源。在GNUradio，这个模块的参数是控制数据流类型，支持复合单精度32位数据。在GRC界面，构建首要设置osmocom Source参数，包括：1）Sample Rate，每频道每秒输出样本数，最高20MHz带宽的采样率；2）Frequency，中心频率，如800MHz；3）Freq.Corr，频率校正因子，设为1.2；4）DC Offset Mode，直流偏移模式，用于控制硬件直流偏移性能，设为off，禁用校正算法；5）IQ Balance Mode，IQ数据平衡模式，用于控制软件IQ数据平衡，设为off，禁用校正算法；6）Gain Mode，增益模式，设为Manual，手动增益；7）RF Gain，射频设备总体增益，设为10dB；8）IF Gain，射频设备中频增益，设为20dB；9）BB Gain，基带增益，设为20dB。

2.3 FFT处理输出

FFT是离散傅氏变换的快速算法，是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。所以，在GUNradio软件进行信号处理模块构建：1）首先设置osmocom Source；2）设置测量参数控制模块（WX GUI Slider），参数包括频率（freq）、射频增益（rf_gain）、中频增益（if_gain）、基带增益（bb_gain）、频谱跨度（span_chooser）；3）设置FFT输出（WX GUI FFT Sink），典型配置采样率（sample Rate）为3M、参考电平（Ref Level）为-20dB，刷新率（Refresh Rate）为15。连接osmocom Source和WX GUI FFT Sink模块，编译运行实现频谱基本输出显示，效果如图1。

图1 FFT频谱图显示

2.4 WFM广播音频解调

实现WFM广播音频解调输出的构建过程：1）首先osmocom Source输出两路数字信号，第1路连接FFT输出（WX GUI FFT Sink），第2路连接低通滤波器（Low Pass Filter）；2）配置Low Pass Filter典型参数，Decimation抽取数为1，Gain增益为1，Sample Rate采样率为512k，Cutoff Freq截止频率为115k，Transition Width转换宽度为30k；3）从Low Pass Filter输出接入宽带调频接收机（WBFM Receive），Quadrature Rate正交速率为512k，Audio Decimation抽取数为10；4）从WBFM Receive输出接入多媒体音量（Multiply Const），音量初始数为2；5）最后连接到音频输出（Audio Sink），Sample Rate采样率参照声卡速率，设为48KHz。编译实现宽带调频广播信号监测监听。结构如图2。

图2 WFM广播音频解调结构

3 结论

开源软件无线电系统（GNUradio）最大优势在于开放性和低成本。由于各种数字信号接收/发射处理模块、源代码和技术资料是完全开放的，并可自由进行研究、更新和完善，成果也就得到充分的交流，更有利于应用创新和人工智能演进。结合低成本射频前端设备、嵌入式计算机和高速传输网络，使得开源软件无线电频谱监控平台将是一种崭新的无线电管理技术手段。虽然目前GNUradio在最大频带宽度、数字信号处理能力、软件易用性等方面存在一定限制，但随着更多技术创新，开源软件无线电技术必 将在无线电管理领域中扮演重要角色。

[1]朱庆厚.无线电监测与通信侦察[M].北京：人民邮电出版社，2005.

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