基于GNU Radio的單邊帶解調方式的研究

張　曉，孫運強，姚愛琴

(中北大學信息與通信工程學院，山西太原030051)

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基于GNU Radio的單邊帶解調方式的研究

張曉，孫運強，姚愛琴

(中北大學信息與通信工程學院，山西太原030051)

摘要:通過GNU Radio軟件平臺和RTL-SDR硬件設備搭建軟件無線電開發平臺，對短波單邊帶解調算法進行仿真研究。介紹了GNU Radio平臺及RTL-SDR的功能及結構，基于軟件無線電的思想，利用其數字正交解調算法，在GRC平臺上對短波頻段單邊帶解調方法進行了仿真測試研究。測試結果表明了此解調算法的可行性，并且與模擬解調相比其實時性好，且平臺搭建簡單方便。

關鍵詞:GNU Radio; RTL-SDR;軟件無線電;單邊帶解調

0引言

在無線電通信領域中，單邊帶調制解調方式由于其頻帶利用率高以及功耗低等優點被廣泛應用于各種通信設備中，對于單邊帶的解調方式，傳統的單邊帶解調方式多采用相干解調法和包絡檢波法[1]，相干解調法對本地載波及濾波器有嚴格的要求，且技術要求高，設備復雜，多應用于模擬通信設備中;而隨著微電子及數字信號處理技術的發展，軟件無線電概念提出了正交調制解調方式，不同調制方式都可以采用這種其解調方式解調，對于單邊帶解調，這種調制方式在原理上和模擬相干解調相同，只是它主要在數字域中進行解調，并且可以用軟件來實現這種解調功能。本文主要利用RTL-SDR硬件和GNU Radio軟件對單邊帶數字相干解調方式進行了仿真測試研究。

1軟硬件介紹

開源軟件無線電( GNU Radio)是一個對學習、構建和部署軟件定義無線電系統的免費軟件工具包。它是一個模塊化軟件，提供信號運行和處理模塊，只要知道相應的參數，了解所需無線發射系統的原理，便可快速構建無線電通信系統，并且它可以和軟件無線電通信設備構成開發平臺進行實時傳輸。和MATLAB的simulink相比，它的很多功能都已封裝成模塊，要用時只需調用相應的模塊，這為建立通信系統節省了很多時間。Gnuradio的信號處理模塊是由C + +編寫的，連接各個模塊的信號流發圖是由python編寫的。

RTL-SDR是由RTL2832U和R280T組成的，R280T作為調諧器(高頻頭)，主要由低噪聲放大器( LAN)和混頻器組成，其工作頻率范圍為25～1 750 MHz，RTL2832U作為A/D采樣器，理論采樣率最高為3．2 MHz，實際中測試采樣率最高為2．56 MHz，輸出兩路I/Q的8 bit數字信號到PC。本文主要對短波單邊帶解調方式進行研究，而短波頻段為2～30 MHz，顯然對于很多短波信號沒法接受到，因此需對其進行改造使它能接收到短波信號，具體改造方法可參考文獻[3]。

改造后的模塊如圖1所示，主要是從短波天線接收到的信號經低通濾波器濾除噪音及干擾，輸入混頻器進行混頻變為中頻，在這里本振頻率為40～100 MHz，然后經高通濾波器濾除各種低頻成分干擾即各次諧波，最后經過三擲開關來選擇是否介入短波( HF)頻段，可以通過雙色發光管來表示，若顯示綠色則表示接通HF頻段，若顯示紅色則表示接通UV頻段，而后信號經由R280T變為中心頻率3．8 MHz左右的中頻信號，經RTL2832U的I通道采樣，最后通過USB接口連接pc電腦。此外短波連接天線是需要匹配相應的專用天線，在此采用轉換頭進行連接。

圖1 RTL-SDR內部構造模塊圖

2單邊帶解調算法

2．1軟件無線電正交解調算法

軟件無線電解調算法不像傳統無線電，不同的解調方式由于不同的解調算法對應不同的硬件解調模塊，其對于不同的解調方式都是用統一的硬件模塊，只是在連接pc時采用不同的解調算法，這很符合軟件無線電盡量用軟件來代替更多的硬件功能的思想。

在此主要對基于正交調制的解調算法進行研究，任何已調信號都可以用如下公式表示:

式中，wc表示載波的角頻率。

對式( 1)進行分解可得;

式( 2)中: xI( n) = A( n) cosφ( n)，

則式( 2)可以表示成:

式中，xI( n)為同相分量，xQ( n)為正交分量。

要對信號進行解調，其信號信息如載頻同步、載波相位同步、碼流頻率同步、I/Q提取基帶信號都包含在同相分量和正交分量里了，因此只需知道正交分量和同相分量就可解調出相應的信號。

2．2 SSB解調算法

SSB信號在雙邊帶的基礎上又抑制了一個邊帶，雙邊帶只是抑制了載波分量，因此其信號表達式可由式( 2)變為:

式中，“-”是上邊帶，“+”是下邊帶，m( n)為調制信號，m∧( n)是m( n)的Hilbert變換。

由式( 3)可得:

同相分量

正交分量

因此，對于單邊帶信號同相分量就是輸出信號。

3基于GNU Radio的SSB解調方式仿真測試研究

3．1 GNU Radio + RTL-SDR開發平臺的搭建

在Ubuntu14．04系統界面按Ctrl + Alt + T鍵打開終端，然后輸入指令rtl_eeprom，可能會提示錯誤，再輸入sudo modprobe -r dvb_usb_rtl28xxu指令，輸入root權限密碼，最后輸入指令sudo gnuradio-companion，并按enter鍵。則會打開GRC窗口界面如圖2所示。當然再輸入這些指令前要安裝RTL-SDR 的Ubuntu系統驅動包，并且保證不會丟包或者缺少依賴包。具體的安裝方法可參考文獻[7]。

3．2 ssb解調仿真測試研究及結果分析

根據第1小節介紹可知RTL-SDR輸出的是兩路8 bit的I/Q信號，在GRC窗口的右邊是信號處理模塊，拖出RTL-SDR源，它以復數的形式輸出兩路I/Q信號，其波形圖和頻譜圖如圖2所示。

由式( 6)可知，只需要知道信號的同相分量就可以進行相應的解調，由于RTL-SDR輸出的是復數形式，而復數的實部和虛部分別對應的是同相和正交分量，因此只需要把復數變為實數，就可以得到相應的調制信號，complex to real模塊實現了這一功能。

圖2 RTL-SDR波形圖及頻譜圖

在RTL-SDR信源模塊中主要設置采樣率sample rate為2．5 MHz，頻道選擇frequency為14．05 MHz，射頻增益RF Gain為30 dB，中頻增益IF Gain為20 dB，基帶增益BB Gain為20 dB，而頻率校正FIR濾波器模塊相當于一個低通濾波器，在此模塊中主要設置抽取率Decimation默認為1，因為數據速率并不高，所以不需要通過抽取來降低傳輸速率，采樣率Sample Rate為2．4 MHz、中心頻率Center Frequency為這3個參數，中心頻率主要是將信號頻率調整到中心處，帶通濾波器模塊主要設置抽取率Decimation為默認值1，增益Gain設為10，通帶最低截止頻率Low cutoff freq設為200 Hz，通帶最高截止頻率Hign cutoff freq設為2．8 kHz，Transition width傳輸帶寬設為500，窗函數window選擇Hamming; AGC2模塊主要是維持輸入基帶信號電壓的穩定，由于短波信號經過電離層反射及多徑快衰落的影響，使接收到的信號很微弱，因此AGC環路是不可缺少的電路，在此采用模擬可變增益放大器( VGA)，通過軟件來設置相關的參數，將合適的增益設置反饋給模擬可變增益放大器．此模塊中Attack Rat設為0．1eDecay Rate設為50* 10-6，Reference設為0．8，Gain設為1;乘以常數模塊中參數constant設為5。具體實現圖及各個模塊后的波形如圖3和圖4所示。

圖3正交解調結構圖

圖4正交解調頻譜圖

3結束語

基于GNU Radio + RTL-SDR平臺上對SSB的數字正交解調算法進行了仿真測試研究，為研究短波數字通信提供了一種簡易的軟件無線電開發平臺。相比最通用的GNU Radio + USRP平臺，其優點是容易入門，且成本很低，適用于GNU Radio初學者，只是其AD采樣率和數據傳輸率較低，且分辨率不高。

參考文獻

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[2]李紅娟，胡圣波．基于USRP + GNU Radio的RFID平臺的研究[J]．貴州師范大學學報:自然科學版，2013，31( 5) :87-90．

[3]林永春．RTL2832U電視棒改造[J]．電子制作，2014 ( 01) :34-36．

[4]王奇．基于GNU Radio的軟件無線電平臺研究[D]．哈爾濱:哈爾濱工業大學，2011:34-36．

[5]栗欣，許希斌．軟件無線電原理及應用[M]．北京:人民郵電出版社，2010．

[6]閆龍，王志海，祁兵．基于GNU Radio的230 MHz多通道主站電臺的設計[J]．電力系統保護與控制，2010，38( 9) :100-104．

[7]Eric Blossom．Exploring GNU Radio: Tools for Exploring the RF spectrum[J]．inux Journal，2004，122:57-61．

[8]王向鴻，孫浩，關曉東．基于matlab單邊帶系統仿真[J]．現代電子技術，2013，36( 18) :27-28．

引用格式:劉欣然．老人跌倒監測定位裝置的研究[J]．無線電通信技術，2016，42( 1) : 82-85．

Research on SSB Demodulation Methods Based on GNU Radio

ZHANG Xiao，SUN Yun-qiang，YAO Ai-qin

( Information and Communication Engineering Institute，North University of China，Taiyuan Shaanxi 030051，China)

Abstract:The software defined radio ( SDR) platform is built based on GNU Radio software platform and RTL-SDR hardware equipment to perform simulation research on shortwave single sideband demodulation algorithm．This paper introduces the functions and structure of GNU Radio platform and RTL-SDR．Based on SDR idea，the digital orthogonal demodulation algorithm is used to perform simulation test research on shortwave single sideband demodulation method at GRC platform．The simulation test results show that this demodulation algorithm has feasibility，high real-time performance compared with analog demodulation and simple platform construction convenient for simulation test research．

Key words:GNU Radio; RTL-SDR; software defined radio;SSB demodulation

doi:book=82,ebook=1410．3969/j．issn．1003-3114．2015．06．22

作者簡介:張曉( 1990—)，女，碩士研究生，主要研究方向:電子與通信工程。孫運強( 1963—)，男，博士，主要研究方向:測試計量技術及儀器、通信與信息系統、信號與信息處理。

收稿日期:2015-09-18

中圖分類號:U675．75

文獻標識碼:A

文章編號:1003-3114( 2016) 01-79-3