基于HackRF的TDMA通信系統設計

（陸軍工程大學通信工程學院，南京 210007）

1 引言

近幾十年來，衛星移動通信經歷了幾個階段的發展，在幾年的短暫沉寂之后，又由馬斯克的SpaceX計劃重新引起了大眾的關注。與地面移動通信有諸多不同，衛星成本高昂、資源寶貴、功率受限、時延大等特殊性，決定了它在技術上必須要采取一些方式來節約資源和保證傳輸質量。時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技術就是這樣一種廣泛應用于衛星通信當中的技術。

在衛星移動通信中使用TDMA通信方式，能夠充分發揮無線通信多址連接的特長。使用一個調制解調器就可以與多個站點同時通信，高效利用了衛星有效載荷，可以使轉發器工作在飽和狀態（線性區），而多個站共用一個轉發器也有效避免了通信電路之間的干擾。系統容量大，衛星功率利用率高，同時信號傳輸質量也得到了提高。但是，這要求各地球站之間、地球站和衛星之間都做到嚴格的時間同步，才能達到所有用戶實現共享衛星資源的目的。

本文選擇了一種成本低、易入門的硬件平臺HackRF，以GNU Radio軟件無線電平臺作為開發工具實現了一個采用TDMA技術的通信收發系統，并實驗證明了其可靠性。

2 軟硬件平臺

GNU Radio是一款開源軟件無線電開發平臺，旨在給普通的學習研究人員提供探索電磁波的機會，鼓勵他們在這一領域的創新與研究。GNU Radio基于Linux操作系統，其應用主要是由Python語言編寫，但核心信號處理模塊由C++構建[2]。C++具有較高的執行效率，用于編寫各種信號處理模塊，如信號發生器、濾波器、調制解調器等。而對于面向對象的Python語言，它的語法簡單，對用戶十分友好，被用來編寫連接各個模塊的腳本。

HackRF是軟件無線電外部設備，主要作用為信號的發射、處理與接收，其硬件架構與工作流程如圖1所示。當用于信號接收時，天線接收信號進入射頻電路，作下變頻轉換為中頻信號，再將中頻信號二次下變頻為模擬基帶信號，然后將模擬基帶信號經過采樣轉換為數字基帶信號，最后將數據傳送到PC端進行處理。相反流程即為信號發送的過程。

圖1 HackRF硬件架構

3 TDMA通信系統

3.1 QPSK調制與解調

正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）是目前衛星通信領域最常用的一種數字信號調制方式，它的頻譜利用率高，抗干擾能力強，同時在電路上的實現也較為簡單，能夠適應星上功率受限、有效載荷不宜過于復雜的外部條件。

QPSK調制技術中，規定了四種載波相位：45°，135°，225°和315°，利用四種相位差來表示輸入的信息。二進制數字序列輸入到調制器后，需要轉換為四進制數據來和四進制的載波相位相匹配。于是，將數字序列中每2bits分為一組，則共有四種組合（00，01，10，11）。其中，每一組由兩位二進制信息比特組成，分別代表四進制四個符號中的一個符號。QPSK中每次調制可傳輸兩個信息比特，映射為載波的四種相位來傳遞。而在接收端，解調器根據載波相位星座圖來判斷發送端發送的信息比特。QPSK信號的星座圖如圖2所示。

圖2 QPSK信號星座圖

由于QPSK信號可以看作是兩路正交2PSK信號的合成，所以可以用兩路正交的相干載波來解調。將輸入信號分成兩路，同相支路（I）和正交支路（Q），分別乘以正交相干載波，則能夠解調出I路和Q路的基帶信號，通過抽樣判決器，最后經過并/串變換后即可輸出原始的數字信息。

3.2 TDMA技術概述

TDMA是通信技術中的基本多址方式之一，它的基本思想是把時間分成周期性的幀，每一個幀再分割成若干個時隙分配給各基站。若滿足了時鐘同步的條件，則各基站可以分別在各時隙內收發信息而互相不干擾。同時，基站發送給多個用戶的信號都按順序安排在規定的時隙中傳輸，各用戶只要在指定的時隙內接收，就能在合路的信號中把發送給它的信號分離并接收下來。在TDMA中，以區別不同時隙的方法來區分不同的用戶。用戶請求服務的數據傳輸速率取決于時隙分割的長度，時隙越長，傳輸速率則會降低。

在衛星通信系統中，衛星供電主要依靠太陽能電池板以及星載蓄電池。當衛星運行到無法采集到太陽能的位置，就需要靠蓄電池供電，而這種供電能力是大大受限的。于是，星上的功率資源相當寶貴，有效載荷數量有限、耗能要低。在使用TDMA技術的衛星通信系統中，每一個分幀時隙只允許一個地球站發送的載波通過衛星轉發器，有效避免了頻分復用帶來的互調干擾，也最大效能的利用了衛星轉發器的帶寬和功率。在實際應用中，TDMA技術的優勢可以使系統在單一平臺上支持多種業務，如數據、話音、圖像、視頻等，是一種可靠而又經濟的方案，同時這樣靈活的結構使用戶可以在各網絡節點根據實際業務來設置需要的接口。

4 軟件設計與實現

本文基于ubuntu系統中的GNU Radio平臺開發，選擇使用平臺中可視化、易操作的信號處理模塊直接搭建系統流圖，并搭載HackRF硬件平臺運行。

圖3 用戶1發送文本

圖4 用戶2發送文本

4.1 發送端流程設計

本文設置兩個發送用戶來體現TDMA的實現，用戶1和用戶2發送的文本由圖3和圖4給出。在設計過程中，考慮到利用GNU Radio平臺現有模塊以及簡化模型的思想，采用了等間隔劃分時隙的方法，并以每30位符號的長度作為一個時隙的長度，交替分配給用戶1和用戶2來使用。

由于硬件設備的限制，難以做到精準的時間同步與定時，所以本系統的同步采用設置與提取同步位的方式來實現。在發送端，在每個時隙的起始部位加入（0，0，0，0，0，19，20，30，20，19）作為同步標志位，合路信號經過QPSK調制之后發送出去，頻率設為400MHz。發送端整體框圖如圖5所示。

圖5 發送端設計框圖

4.2 接收端流程設計

在接收端，接收頻率設為400MHz。先對接收到的信號作QPSK解調（如圖7上半部分），而后對TDMA作解復用（如圖7下半部分）。本文采用了一系列邏輯模塊的組合來輸出取樣脈沖，從而實現同步標志位的提取。取樣脈沖波形如圖6所示。

圖6 取樣脈沖時域波形

由于本文采用的是等間隔劃分時隙，用戶1和用戶2交替分配的方式，所以提取同步標志位之后便能夠按時隙長度很容易地將用戶1和用戶2發送的數據接收下來。用戶接收文本如圖8和圖9所示。

圖7 接收端設計框圖

圖8 用戶1接收文本

圖9 用戶2接收文本

5 結束語

衛星移動通信系統不同于地面通信系統的特殊性，決定了使用TDMA技術能夠更加高效經濟。本文通過學習研究QPSK和TDMA的基本原理，基于GNU Radio和HackRF硬件平臺搭建了一個使用QPSK調制解調的TDMA通信系統，實現了文本的正確傳輸與良好接收。但本實驗只是利用簡化的思想完成了原理論證，并未加入信道噪聲等誤差，實驗時通信雙方距離很近，這也是接收端能夠完全恢復并分離出兩用戶發送文本的原因之一。在后續的研究中可以考慮如何增加系統魯棒性，加入一些干擾項來研究如何減小系統誤差等。本文提供了一個良好的思路，結合GNU Radio的開放性與HackRF硬件平臺的成本優勢，能夠在此基礎上開展更深入的研究，實現更完善靈活的系統。