基于開源軟件無線電系統的設備調試與研究

廖年挺

廣東省佛山市無線電監測站，廣東佛山 528000

0 引言

隨著移動通信技術的高速發展，軟件無線電（SDR）已經廣泛流行，它是基于軟件定義的無線通信協議，空中接口和功能通過軟件下載和更新，不完全依靠硬件。

1 開源軟件無線電系統

GNUradio軟件的應用主要用Python編程語言編寫，提供信號運行和處理模塊，制作低成本射頻硬件（RF），開發實時高容量的無線通信系統。實現在沒有RF硬件下，支持對數字信號進行處理的各種算法。GNUradio的信號處理模塊庫，包括調制方式、糾錯碼、信號處理和調度等，通過軟件圖形化界面（GRC）建立流向圖，信號數據流從輸入端口流入，經處理后輸出。

2 數字設備及功能調試

使用一塊RF板卡（hackrf one）作為接收和轉換數字信號的前端數字設備，使用裝了Unbutu操作系統和GUNradio軟件的個人電腦，作為信號處理設備，構建無線電頻譜監測功能的系統。

2.1 前端數字設備

Hackrf one是一塊支持GNUradio軟件的射頻數字設備，用于30MHz至6GHz頻段各種應用開發，數據帶寬20MHz，采樣精度（ADC/DAC）8bit，采樣速率（ADC/ DAC）20Mbps，硬件接口USB，開源種類為全開源，最大發射功率10dBm，64QAM（正交振幅調制）發射EVM（誤差向量幅度）為1.5%，復采樣帶寬20MHz。

2.2 數據源（osmocom Source）

Osmocom Source用于連接控制hackrf one板卡，是后續信號處理的基礎數據來源。在GNUradio，這個模塊的參數是控制數據流類型，支持復合單精度32位數據。在GRC界面，構建首要設置osmocom Source參數，包括：1）Sample Rate，每頻道每秒輸出樣本數，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，設為off，禁用校正算法；5）IQ Balance Mode，IQ數據平衡模式，用于控制軟件IQ數據平衡，設為off，禁用校正算法；6）Gain Mode，增益模式，設為Manual，手動增益；7）RF Gain，射頻設備總體增益，設為10dB；8）IF Gain，射頻設備中頻增益，設為20dB；9）BB Gain，基帶增益，設為20dB。

2.3 FFT處理輸出

FFT是離散傅氏變換的快速算法，是根據離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的。所以，在GUNradio軟件進行信號處理模塊構建：1）首先設置osmocom Source；2）設置測量參數控制模塊（WX GUI Slider），參數包括頻率（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，編譯運行實現頻譜基本輸出顯示，效果如圖1。

圖1 FFT頻譜圖顯示

2.4 WFM廣播音頻解調

實現WFM廣播音頻解調輸出的構建過程：1）首先osmocom Source輸出兩路數字信號，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，Decimation抽取數為1，Gain增益為1，Sample Rate采樣率為512k，Cutoff Freq截止頻率為115k，Transition Width轉換寬度為30k；3）從Low Pass Filter輸出接入寬帶調頻接收機（WBFM Receive），Quadrature Rate正交速率為512k，Audio Decimation抽取數為10；4）從WBFM Receive輸出接入多媒體音量（Multiply Const），音量初始數為2；5）最后連接到音頻輸出（Audio Sink），Sample Rate采樣率參照聲卡速率，設為48KHz。編譯實現寬帶調頻廣播信號監測監聽。結構如圖2。

圖2 WFM廣播音頻解調結構

3 結論

開源軟件無線電系統（GNUradio）最大優勢在于開放性和低成本。由于各種數字信號接收/發射處理模塊、源代碼和技術資料是完全開放的，并可自由進行研究、更新和完善，成果也就得到充分的交流，更有利于應用創新和人工智能演進。結合低成本射頻前端設備、嵌入式計算機和高速傳輸網絡，使得開源軟件無線電頻譜監控平臺將是一種嶄新的無線電管理技術手段。雖然目前GNUradio在最大頻帶寬度、數字信號處理能力、軟件易用性等方面存在一定限制，但隨著更多技術創新，開源軟件無線電技術必 將在無線電管理領域中扮演重要角色。

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