基于GNU Radio平台包络平方谱码元速率估计模块

李丹丹，马金全，刘 娜

(信息工程大学 信息系统工程学院，河南 郑州450001)



基于GNU Radio平台包络平方谱码元速率估计模块

李丹丹，马金全，刘 娜

(信息工程大学 信息系统工程学院，河南 郑州450001)

信号的码元速率对调制信号的识别、非合作通信的盲解调等有重要作用。针对现有参数估计成果的可移植性差、共享性弱等问题，以GNU Radio软件无线电平台为基础，利用包络平方谱理论对MPSK信号的码元速率进行估计，并研究GNU Radio模块内的数据处理原理，编写了一种基于包络平方谱的参数估计模块。通过与Matlab软件的仿真数据对比分析，证明了基于GNU Radio平台的码元速率估计模块的正确性。

码元速率；GNU Radio；参数估计；包络平方谱

针对无线通信领域中多种体系并存、各种通信设备之间难以进行互连互通等问题，Joseph Mitola于1991年提出了“软件无线电”这一概念。软件无线电的核心思想[1]是构建一个具有开放性、模块化、标准化的通用硬件平台，将通信中的各种功能如调制/解调类型、编码方式、通信协议等都由软件实现，从根本上解决了不同设备之间的互连互通问题。随着软件无线电技术的迅速发展，研发出了多种软件无线电平台，其中具有源码开源、灵活性高和可重构性强等优点的“黑客无线电”--GNU Radio[2]受到广大软件无线电爱好者的青睐。

由Eric Blossom开发的GNU Radio拥有一个高速信号处理模块库，其标准模块库包括各种滤波器、多种调制/解调模式、编码/译码和具有不同功能的信号处理模块等，按照流图的机制把单个信号处理模块连接起来组成一个完整的应用系统[3]。GNU Radio的信号处理模块库主要完成合作通信中信号的调制/解调、同步、编码/译码等工作。GNU Radio的信号处理模块库中缺少估计信号的码元速率等参数的模块，在通信对抗、电子侦察领域中很难识别调制信号和对截获的信号盲解调。结合实验室的实际需求，在GNU Radio软件平台中编写了一种基于包络平方谱估计MPSK信号码元速率的模块[4]。

1 GNU Radio软件无线电平台

起源于1998年的GNU Radio是一种基于软件无线电思想开发的开源平台[5]，遵循GNU的GPL(General Public License)条款分发。GNU Radio采用Python脚本语言和C++汇编语言混合编程方式。采用执行效率高的C++汇编语言编写各种信号处理模块Block，例如：调制/解调器、滤波器、信道编码/译码模块等。Python脚本语言具有语法简单、无须编译、可移植、免费、功能强大、可混合使用和完全面向对象等一系列优点[6]。流图采用Python语言编写连接各个Block成为完整的信号处理流程的脚本[7]。从某种程度上来说，GNU Radio可以用一个实时有效的信号处理库来扩展Python。例如：把GNU Radio和SCIPY(Python科学计算库)结合，可以实时记录RF信号，并且可以离线做大量的数学操作，把统计数字保存到一个数据库中，等等[8]。结合这些库，无需使用像MATLAB这样的软件就可以实现对信号的处理仿真[9]。简化封装和接口生成器的SWIG[10](Simplified Wrapper and Interface Generator)可以实现C++编程语言和Python脚本语言之间的接口转换，用Python脚本语言把各种Block模块粘合在一起，形成一个完整的应用流图。

图1 GNU Radio与USRP结构图

GNU Radio采用一种零拷贝循环缓存机制，保证Block之间的数据高效流动。GNU Radio的流图在运行时通过选择其自身的调度方式和缓冲原理来控制上下游模块之间的数据流采样速率。GNU Radio中的信号处理模块一般以work或general_work函数中需要的输入速率来处理。

通用软件无线电外设USRP[11](Universal Software Radio Peripheral)由Matt Ettus发明的，并且是GNU Radio最重要的硬件搭档。GNU Radio软件平台通过灵活的USB接口连接射频前端USRP接收无线信号。USRP的电路原理图、文档和FPGA的源码可以从Ettus Research网站免费下载。USRP由一个母板和多个前端子板组成。其中，母板包含AD/DA转换器和FPGA芯片，主要完成信号从模拟到数字的转换、基带信号的生成、与PC机通信等功能[12]；每个母板支持4个子板，2个接收，2个发射；子板主要是负责处理不同频带的射频信号，并进行射频、中频信号之间的转换[13]。

2 包络平方谱估计原理

相移键控[14](Phase Shift Keying，PSK)是利用载波的相位变化来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。设MPSK信号的时域表达式为

s(t)=x(t)+n(t)

(1)

(2)

式中，g(t)是脉冲宽度为Ts的成形脉冲；an是信号的幅度；fc是信号的载波；m=0,1,…,M-1，n(t)与x(t)相互独立的噪声干扰。信号x(t)的希尔伯特变换表示为

(3)

信号x(t)的解析形式为

(4)

令am=Aej2πm/M=bn+jcn，其中，an，bn，cn为平稳信息序列，满足

E{an}=E{bn}=E{cn}=0

(5)

(6)

(7)

(8)

将信号的表达式进一步简化为

x(t)=xI(t)cos2πfct-xQ(t)sin2πfct

(9)

(10)

(11)

s(t)可以进一步表示为

s(t)=u(t)+ms(t)

(12)

(13)

(14)

式中，u(t)是正弦时钟信号波形，其频谱是离散谱，ns(t)是噪声，其频谱是连续谱。

对u(t)做N点离散傅里叶变换DFT可以得到

(15)

式中，G(f)是成形滤波g(t)的傅里叶变换，“*”表示卷积运算。由于G(f)是带限的，即|f|>1/Ts时G(f)=0，所以只有当l=0,±1时U(f)的离散谱才会出现，其对应的频率值为直流分量和码元速率分量。故能够通过检测信号的包络平方谱中的码元速率离散谱线来估计信号的码元速率[15]。

3 实验仿真与结果分析

调制信号经过矩形脉冲滤波器或者升余弦脉冲滤波器作用后消除码间干扰。在合作通信和非合作通信中，一般情况下采用升余弦脉冲滤波器对调制信号滤波尽可能的使码间串扰最小，把频谱集中在传输带宽内。本文以平方根升余弦脉冲滤波器为例，根据PSK信号产生的原理，用Matlab仿真含有高斯白噪声的信号源，并把信号源的实部和虚部分开保存成.dat文件。根据用包络平方谱估计MPSK信号码元速率的原理编写模块，在GNU Radio软件平台环境中搭建信号参数估计流程图如2所示。

图2 GNU Radio中信号参数估计流程图

File Source：文件信源读取文本文件中的数据，然后以复数型、浮点型等形式输出数据。

Square(abs)：对输入的浮点型数据平方之后相加作为复数的实部，然后输出复数型的数据。

Throttle：限制流图内的模块内处理数据的速度。

Stream to Vector：把输入的数据流转换成矢量的形式处理。

DFT：对输入的矢量数据N点离散傅里叶变换。

Vector to Stream：把矢量的数据转换成流的形式。

Envelope Square Spectrum：对频谱搬移后的数据处理得到信号的码元速率，并以tag的形式在运行界面中显示信号的码元速率。

QT GUI Time Sink：显示时域信号波形图的运行界面。

本文采用归一化均方误差(Normalized Mean Square Error，NMSE)来衡量信号的参数估计性能，定义为

(16)

(1)平方根升余弦滤波器的滚降系数对码元速率的影响。仿真条件如下：随机产生N=1 024个二进制数，采样率fs=20MHz；载频fc=8MHz；每个码元的采样点数为10；噪声模型加性高斯白噪声，信噪比为10dB。平方根升余弦滤波器的滚降系数 ，对每一滚降系数进行500次蒙特卡洛实验，记录GNURadio中码元速率的估计值并用Matlab工具计算得到码元速率的理论值与真实值的归一化均方误差。仿真结果如图3所示，横坐标为平方根升余弦滤波器的滚降系数，纵坐标为码元速率的归一化均方误差。

图3 不同滤波器滚降系数的码元速率估计均方误差

(2)信噪比对码元速率的影响。设置信号源参数如下：随机产生N=1 024个码元，采样频率fs=20 MHz，载波频率fc=8 MHz；每个码元的采样点数为10；平方根升余弦滤波器的滚降系数为0.35。噪声模型为加性高斯白噪声，选择信噪比的范围[-15 dB,15 dB]，信噪比以1 dB为步长。对每一信噪比进行500次蒙特卡洛实验，采用与(1)同样的方法得到GNU Radio和Matlab的参数均方误差对比分析图，仿真结果如图4所示，横坐标为高斯白噪声的信噪比，纵坐标为码元速率的归一化均方误差。

图4 不同信噪比的码元速率估计均方误差

实验结果表明，与Matlab的仿真数据对比分析，在GNU Radio软件平台中采用包络平方谱估计MPSK信号码元速率的参数估计模块的估计误差一样。实验证明了在GNU Radio软件无线电平台中，基于包络平方谱算法估计的正确性及可行性。

4 结束语

本文在GNU Radio软件无线电平台中实现了一种基于包络平方谱的码元速率估计模块，在通信对抗和电子侦察领域中，对截获的信号估计其码元速率等参数，可以获得很好的解调效果。实验结果表明，基于GNU Radio软件无线电平台的参数估计模块能够很好的估计出信号的码元速率。GNU Radio还可以与通用软件无线电外设USRP系列的产品构成一个软件无线电平台，实现对信号的实时处理。随着通信技术的不断发展和GNU Radio平台具有可重构的优点，未来可以将GNU Radio软件平台中编写的参数估计模块移植到实验室的异构信号处理平台软件体系架构中，实现模块的可移植性和共享性，大幅缩短了模块的研发周期。基于软件无线电平台的信号参数估计模块在非合作通信中具有良好的应用价值和实际工程意义。

[1] 刘建勋.基于软件无线电的高速信号处理平台设计与实现[D].西安:西安电子科技大学, 2014.

[2] 王奇.基于GNURadio的软件无线电平台研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.

[3] 杨宏,孔耀晖,茹晨光,等.基于GNU Radio和USRP的无线通信系统建模仿真[J].现代电子技术,2013(18):73-77.

[4] 黄凌.基于GNU Radio和USRP的认知无线电平台研究[D].广州:华南理工大学,2010.

[5] 张斌.基于USRP和GNU Radio的认知无线电压缩频谱感知技术研究[D].南京:南京邮电大学,2014.

[6] Truong N B,Suh Y J,Yu C.Latency analysis in GNU Radio/USRP-based software radio platforms[C].MA,USA:MILCOM 2013 - 2013 IEEE Military Communications Conference, 2013.

[7] Mark Lutz.Python学习手册[M].李军,刘红伟,译.北京:机械工业出版社,2011.

[8] 郑永兴.认知无线通信系统方案设计和基于USRP的实现[D].西安:西安电子科技大学,2011.

[9] 任熠.GNU Radio+USRP平台的研究及多种调制方式的实现[D].北京:北京交通大学,2012.

[10] Beazley D M.Automated scientific software scripting with SWIG[J].Future Generation Computer Systems,2003,19(5):599-609.

[11] 饶玲俐.基于GNU Radio和Rtlsdr软件无线电的FM广播解调接收[D].武汉:华中师范大学,2015.

[12] 王白云.OFDM系统的研究和基于GNU Radio软件无线电平台的实现[D].西安:西安电子科技大学,2013.

[13] 庄建华.基于GNU Radio和USRP软件无线电平台的中继方案的设计与实现[D].沈阳：东北大学,2012.

[14] 樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].6版.北京:国防工业出版社,2007.

[15] 蔡巧恋.常用数字通信信号的参数估计研究[D].成都:电子科技大学,2013.

Module of Envelope Square Spectrum to Estimation Signal Symbol Rate Based on GNU Radio Platform

LI Dandan，MA Jinquan，LIU Na

(School of Information System Engineering，Information Engineering University，Zhengzhou 450001,China)

What is known to us is that Signal Symbol Rate (SSR) plays a vital important in many aspects, such as identification of modulated signal and blind demodulation in non-cooperative communication. Due to the present shortages of poor portable and weak sharing, the paper estimated the Symbol Rate (SR) by utilizing Envelope Square Spectrum (ESS) theory, studied the signal processing principle within GNU Radio modules and developed an estimation module of Symbol Rate(SR), based on ESS theory over the software GNU Radio platform. Compared with the simulated data from Matlab, it proves the validity of the symbol rate estimation module based on GNU Radio.

symbol rate;GNU radio;parameter estimation;envelope square spectrum

2016- 10- 12

李丹丹(1989-)，女，硕士研究生。研究方向：通信信号的处理与分析。马金全(1975-)，男，博士，教授。研究方向：软件无线电，信号处理与分析。刘娜(1991-)，女，硕士研究生。研究方向：软件无线电。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.040

TN919.3+1

A

1007-7820(2017)08-146-04