基于軟件無線電的通信中繼平臺

武警工程大學 劉志騁 陳任秋

引言

隨著科學技術的發展，由于高山建筑物等遮蔽物的阻擋，常常出現弱信號區域和信號盲區，一般用通信中繼的方式來解決。而常用的中繼方式如基站、轉信臺等存在著建設成本高，維護不便，移動性差，供電也不方便的問題，而本文利用軟件無線電理論組建了一個通信中繼平臺可有效避免這些缺點。

軟件無線電(Sof t war e Radio)，也稱為軟件定義無線電(Sof t war e Def ined Radio)，是指將模塊化、標準化、通用化的硬件單元以總線或交換方式連接起來組成一個通用的無線通信平臺，通過在這個平臺上加載標準化、模塊化、通用化的軟件，實現各種無線通信功能的一種開放體系結構和技術。它與原來單純由硬件電路構成的無線通信系統不同，也與單純用軟件方式控制的數字無線系統不相同的一種新的信息處理和傳輸的體系結構與技術。

軟件無線電以一種嶄新的設計、制造和使用無線通信系統與設備的思想，擺脫了單一系統固定電路的傳統無線電設計思路，通過一種模塊化的通用硬件平臺，利用軟件編程來確定系統的工作參數(包括可編程的通信頻段、信號調制解調和編解碼及通信方式等)，完成無線通信系統的各種功能。這種以一個物理平臺實現多個無線通信功能的系統，與傳統的以硬件為主的無線通信系統相比，不僅降低了產品的開發成本，縮短了產品的更新周期，而且具有系統復用性高、開放性好、維護管理方便的技術優勢。

1 系統分析

軟件無線電中繼平臺平臺由RTLSDR設備和hackr f組成，RTLSDR負責信號的接收，hackr f負責發送，軟件gnur adio負責信號的處理、算法的編程等，如圖1所示。

圖1 通信中繼平臺基本架構

(1)RTLSDR設備[1][2]

RTLSDR設備使用的是RTL2832+E4000芯片，俗稱電視棒。射頻范圍為70MHz-1.7GHz，支持USB2.0的2.8 MS/s的高速傳輸和8bit的IQ數據采樣。只需50元人民幣，就可以觀看數字電視和頻譜圖，收聽廣播，追蹤飛機軌跡等，同時與gnur adio和SDR#等多款軟件無線電軟件平臺兼容。其主要負責將接收天線的射頻信號下變頻，然后將模擬信號轉換為數字信號，交給gnur adio進行處理。

(2)hackr f[3]

hackr f的射頻范圍能達到30 MHz- 6 GHz。另外，hackr f還可以外加一個上變頻器，就可以將載頻降低到300KHz，大大增加了射頻范圍。使用USB2.0接口，向主機的最高數據傳輸速率可達到35MB/s，帶寬都在16MHz以上。Hackr f集成了CPLD+MCU基帶處理方案，大大增加了運算能力。同時，hackrf只需要1000多元，成本相當低，就可實現信號的接收和發射以及通信系統的建立等。系統中hackr f主要用來信號的處理和發射。信號處理和算法可以集成下載到hackr f上。Hackrf主要將基帶處理的數字信號轉化為模擬信號，經過兩次變頻后發射出去。

(3)gnur adio[4]-[6]

開源軟件無線電(GNU Radio)是一個對學習、構建和部署軟件無線電系統的免費軟件工具包，是本系統實現的軟件平臺。它使人們不用購買一大堆射頻收發設備，就可以進行信號的接收和發送。它集成了大量的信號運行和處理模塊，實現了在低成本易制作的射頻硬件和通用微處理器上軟處理信號。其主要是通過C++在微處理器上建立核心處理模塊，Pyt hon編程語言提供交互應用模塊來編寫實現的，可通過編程簡單高效地建立實時的通信系統。同時，在沒有軟件無線電的硬件平臺的情況下，仍可支持對現成的數據進行數字信號處理算法的研究。系統中gnur adio是通信平臺的軟件部分，主要負責信號的處理，算法的實現，提供和RTLSDR設備、hackr f的接口交互，以及中間的數據緩沖調度傳輸等功能。

圖2 系統軟件結構圖

2 系統實現及測試

系統中，RTLSDR和hackr f通過USB端口和PC相連，PC計算機上安裝的是Ubunt u系統，軟件gnur adio已經安裝成功，RTLSDR和hackr f的gnur adio驅動已經編譯成功。如圖2所示，RTL2832 Sour ce為RTLSDR設備的接收模塊；IShor t To Compl ex模塊為數據轉換模塊，因為RTL2832模塊輸出的數據格式為i shor t格式，而hackr f輸出的是compl ex格式，需要進行數據轉換；Squar e3 f f為在gnur adio下新編譯的信號處理模塊，進行算法控制、協議制定等；Osmocom Sink模塊為hackr f的發射模塊，WX GUI FFT Sink為gnuradio下的GUI，對信號進行FFT變換，可以觀察各個頻率的頻譜圖。圖中進行的是接收103.6M的調頻廣播，然后在439.1M頻率上中轉發射，在439.1M頻率上能清楚聽到廣播的聲音，系統測試成功。

3 結論

本文旨在通過軟件無線電手段實現通信中繼平臺的建立，平臺中RTLSDR負責信號的接收，hackr f負責發送，軟件gnur adio負責信號的處理、算法的編程等，測試效果良好。

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