基于OFDM原理的SDR干擾信號研究

安 明，竺小松

(國防科技大學，安徽 合肥 230037)

0 引 言

隨著電子信息技術在各個領域的廣泛應用與快速發展，電子信息領域的對抗愈加激烈，傳統電子對抗面臨更多挑戰。在復雜電磁環境條件下，信號頻率范圍更寬，通信樣式更為復雜，通信手段更為靈活[1]；而傳統噪聲干擾主要是以單載波調制為主，例如包括噪聲調幅干擾、噪聲調頻干擾、噪聲調相干擾等，通常功耗大，效率低，靈活性差，頻率穩定度差，影響干擾效果。因此，具有寬帶、多目標干擾的靈活便捷干擾成為研究的熱點[2]。

本文通過采用正交頻分復用調制，根據目標信號的頻譜特征對干擾信號的頻帶進行控制，產生具有相應功率譜的干擾信號，實現多目標干擾；同時，基于GNU Radio軟件無線電平臺開發信號處理模塊及噪聲干擾系統，結合通用硬件外設，替代傳統硬件電路的信號處理部分，提高了系統的通用性和靈活性。

1 GNU Radio軟件無線電平臺

軟件無線電(SDR)是一種多頻段無線電，由天線、射頻前端、模數/數模轉換模塊等構成，可以滿足多種不同的空中接口和協議，具有靈活性和開放性[3]。軟件無線電通過軟件與硬件相結合的方式，實現根據不同用戶需求、通信協議甚至某個算法來對通用硬件平臺和搭載的開源軟件進行相應的編程配置，從而實現相應的功能[4]。軟件無線電提供了能夠滿足多模式、多頻段、多功能的無線通信解決方案[5]，用軟件編程對通用硬件平臺的可重新配置實現傳統硬件電路的功能，所以軟件無線電開發不只是電路設計，更多地是對搭載到通用硬件平臺的軟件開發與設計，從而降低對硬件資源的依賴，具有靈活性。同時，軟件無線電支持模塊化設計，通過對搭載的開源軟件包提供信號處理模塊進行不同組合配置，能夠實現不同無線電業務需求(包括頻段、調制方式等等)，具有開放性[6]。

軟件無線電系統主要包括3個部分：基于天線、收發子板等的射頻前端模塊、數模/模數(AD/DA)轉換模塊以及基于通用處理器的數字信號處理模塊(DSP)，如圖1所示。其中，射頻前端模塊主要用來完成射頻信號的接收與發送；AD/DA轉換模塊作為聯系模擬信號與數字信號的紐帶，用來連接射頻前端模塊和數字信號處理模塊；最后是DSP模塊，主要用于實現基帶信號的調制/解調以及編碼/解碼等等。

圖1 GNU Radio軟件無線電架構

GNU Radio是常見軟件無線電平臺之一，是由麻省理工學院(MIT)開發的一個開源軟件開發工具包，能夠提供豐富的信號處理模塊，使用通用軟件無線電外圍設備(USRP)，基于射頻硬件及通用處理器開發相應功能[7]。它既能應用于創建軟件無線電平臺，也可以用于仿真環境中。GNU Radio支持多種多樣的信號處理，利用不同信號處理模塊的組合創建應用程序并通過硬件設備發送或接收數據，實現不同的信號處理功能。GNU Radio具有豐富的元件庫，同時它也能支持這些元件相互連接，將數據從一個模塊傳遞到另一個模塊，支持流圖式設計，從而有利于軟件部分開發。如果需要特定功能的模塊，也支持擴展GNU Radio元件庫，創建并添加所需功能的模塊。GNU Radio應用程序主要使用Python編程語言編寫，一些復雜的信號處理也可以使用C ++語言來實現。基于以上特點，GNU Radio軟件無線電平臺得到廣泛應用。

2 基于正交頻分復用(OFDM)的噪聲干擾系統

2.1 OFDM基本原理

(1)

圖2 多載波調制原理

通常采用離散傅里葉變換來實現OFDM調制，設Xk(k=0,2,…,N-1)表示待傳輸信號，經過逆向傅里葉變換后則得到信號序列xn，其中xn與Xk滿足：

(2)

因此，OFDM調制可采用離散傅里葉逆變換(IDFT)實現，將待發送數據Xk分別映射到對應的子載波作為頻域數據，經過IDFT運算后即得到時域信號xn。在應用過程中，也可以采用IFFT運算來實現，從而有效降低算法復雜度。

OFDM子載波間是相互正交的，一個OFDM符號的周期是每個子載波周期的整數倍，且相鄰子載波之間相差1個周期，即：

(3)

所以，在每個子載波上可以根據不同背景環境對子信道采用相應的調制方式或控制[9]。利用這一特點，可在偵察目標的頻譜特征后，通過對干擾信號子信道的幅度控制，產生相應頻帶范圍和功率的干擾信號，從而靈活控制干擾信號功率譜。

2.2 基于GNU Radio的噪聲干擾設計

噪聲干擾信號產生原理如圖3所示，首先根據頻譜感知偵察周圍電磁環境信息，并根據偵察得到的情報選擇噪聲序列，在串并轉換后通過頻譜干擾控制模塊設置產生對應的干擾信號頻譜控制參數，在經過快速傅里葉逆變換(IFFT)模塊以及并串轉換后即得到具有特定頻譜的時域干擾信號。

圖3 噪聲干擾系統原理

首先，進行系統控制部分設計。系統控制主要分4個部分：系統參數配置、噪聲類型選擇、干擾信號配置類型、噪聲序列及干擾頻譜顯示。首先是系統參數配置，可設置子載波個數，選擇干擾信號配置類型以及USRP終端射頻中心頻率；其次是噪聲序列類型選擇，包括均勻噪聲、高斯噪聲以及混沌噪聲；第三部分是干擾信號配置類型，包括音頻干擾以及部分頻帶干擾(多音干擾即使用單個或多個正弦波的干擾信號，當使用單個正弦波時即為單音干擾，相對地使用多個正弦波時則為多音干擾。在音頻干擾模式下，可根據目標信號頻譜特征選擇相應的一個或多個相應的子信道映射噪聲序列，從而產生相應的干擾信號；部分頻帶干擾將頻帶劃分為一個或多個子頻帶，從而使得干擾能量更為集中，提高干擾效果，在部分頻帶干擾模式下，可分別設置多個具有不同帶寬的干擾頻帶)；最后是顯示部分，實時顯示當前輸出的時域噪聲干擾信號及其頻譜，從而可根據目標信號的頻譜特征對干擾信號作相應調整。

根據系統設計，在GNU Radio開發平臺中開發噪聲干擾信號產生系統。系統信號處理模塊的基帶信號處理在GNU Radio軟件平臺完成，主要包括3個方面，即流圖、信號處理模塊以及作為流圖與信號處理模塊間接口的SWIG(Simplified Wrapper and Interface Generator)。GNU Radio軟件平臺主要基于Python語言和C++語言編程實現，其中C++編程執行效率較高，主要用于底層的GNU Radio信號處理模塊；Python編程更為簡單且具有面向對象的特點，用于信號處理模塊相互組合連接，得到不同基帶信號處理功能的應用設計。由于信號處理模塊采用C++語言編程，而流圖采用Python語言來連接信號處理模塊，因此需要接口(SWIG)實現Python和C++之間的轉換。GNU Radio軟件平臺包含豐富的信號處理模塊庫，因此可以通過直接調用這些模塊并連接得到流圖，最后作為應用程序運行，實現相應的信號處理功能，這樣一定程度上避免了直接底層C++編程細節，提高了開發效率。

基于GNU Radio平臺開發混沌噪聲產生模塊，并安裝到GNU Radio信號處理庫。混沌現象介于確定與隨機關系之間，是客觀存在的一種重要的形式，看似沒有規則的非周期的運動現象，但對初始條件很敏感，微小的變化也會產生無法確定的結果，具有很強的復雜性和奇異性，因而相對其他偽隨機序列得到了更多關注[10-11]。本文采用Logistic混沌模型產生混沌序列，其方程為xn+1=μ·xn·(1-xn)，取初值x0為0.22，μ取值為4。第1步，在Linux系統下，利用gr_modtoolnewmod命令生成新的模塊gr-mymodle，在新生成的模塊gr-mymodle中用gr_modtool add -t sync -l python 命令生成新的信號處理模塊(block)，-t source選擇其類型為source，-l python編程語言為Python，并設置模塊屬性(初始值，模塊名等)；第2步，在新建模塊中用Python編程，通過Logistic混沌模型產生混沌序列，由outputitems[0]端口輸出；第3步，修改xml文件，設置模塊輸出以及參量屬性，執行“make install”命令安裝模塊。

最后，基于GNU Radio平臺實現干擾系統。采用隨機序列模塊Random Source及混沌噪聲模塊作為信源輸入，經過子載波映射模塊(OFDM Carrier Allocator)分配到各子載波，并通過信道控制模塊來控制子信道，產生不同帶寬的干擾信號頻譜，然后通過快速傅里葉變換(FFT)模塊進行IFFT運算(這里FFT模塊的Forward/Reverse設置為Reverse，實現IFFT功能)，同時增加QT模塊來顯示輸入的噪聲序列以及輸出干擾信號的頻譜，最后通過USRP Sink模塊由硬件平臺進行輸出，系統界面如圖4所示。

圖4 噪聲干擾系統控制界面

3 系統測試

將PC端通過網線與硬件前端USRP連接，從而將GNU Radio平臺產生的基帶噪聲干擾傳輸到USRP；同時將USRP輸出端與頻譜分析儀連接，通過頻譜分析儀觀察USRP輸出的噪聲干擾信號頻譜，如圖5所示。運行噪聲干擾系統頂層模塊，選擇不同的頻譜控制參數配置類型并觀察相應的噪聲干擾信號頻譜。

圖5 系統演示

首先，選擇噪聲干擾信號配置類型為部分頻帶干擾，FFT長度為64，硬件前端USRP中心頻率為850 MHz，設置信號采樣率為10 MHz，則相鄰子載波頻率間隔為0.156 MHz，選擇2個子頻帶對應的子載波編號分別為20～40，53～55，則對應的頻帶寬度分別為3.276 MHz和0.468 MHz，如圖6所示。圖7為通過頻譜分析儀測得的部分頻帶噪聲干擾信號頻譜。

圖6 部分頻帶干擾

圖7 部分頻帶干擾測試

選擇噪聲干擾信號配置類型為音頻干擾，FFT長度為64，硬件前端USRP中心頻率為850 MHz，信號采樣率為10 MHz，選擇子載波編號分別為27，33，40和50，則對應的頻率分別為849.062 MHz，850.00 MHz，851.094 MHz，852.656 MHz，如圖8所示。圖9為通過頻譜分析儀測得的音頻噪聲干擾信號頻譜。

圖8 多音干擾

圖9 多音干擾測試

通過測試，基于OFDM的GNU Radio噪聲干擾信號產生系統可通過配置頻譜控制參數選擇相應的子載波，實現對噪聲干擾信號頻譜的靈活控制，能夠產生具有不同帶寬的部分頻帶噪聲干擾信號以及多音干擾信號。

4 結束語

本文應用OFDM調制方式基于GNU Radio平臺開發了噪聲干擾信號產生系統，OFDM具有頻譜控制靈活的優勢，可根據目標信號的頻譜特征產生具有不同帶寬的干擾信號，從而實現對干擾信號功率譜的靈活控制。最后，基于GNU Radio軟件無線電平臺結合USRP開發了噪聲干擾信號產生系統，較傳統信號產生方式更為靈活高效，節省了硬件資源，提高了系統的適應性。