基于HackRF的文本文件收發系統實現

李 苗，付寶君，熊 睿，徐 蕓，李志豪

（哈爾濱師范大學 計算機科學與信息工程學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

0 引 言

隨著數字信息傳輸技術在互聯網時代的深入與飛速發展，數字信號的傳輸與處理變得尤為重要。傳統的無線通信系統在傳輸速率與傳輸成本方面面臨著極大挑戰。

軟件無線電技術對傳統無線通信系統進行了兼容繼承和屬性拓展，以靈活性和開放性作為其主要輸出特性，通過改變通信頻率和通信接口協議等，實現無線電對信號的發送和接收。

作為當今無線通信領域的新技術，軟件無線電引起了國內外越來越多的關注。

國際上，美國作為第一個進行軟件無線電技術研究的國家，成立了MMITS國際論壇，推動軟件無線電的研究以及產業化發展，處于當今世界軍用軟件無線電網絡通信技術和應用領域的前沿。為了推廣軟件無線電技術在無線通信技術領域的應用，微軟研究院軟件無線電項目Sora通過在軟硬件平臺上的創新，使其完成了在PC上的高性能無線信號處理。

國內，TD-SCDMA是我國科研工作者利用軟件無線電技術設計完成的第三代國際數字移動通信系統方案。繼美國愛立信和摩托羅拉手機公司后，華為等通信技術公司研制出基于軟件無線電架構的4G/LTE通信基站，為無線通信技術的發展做出了重要貢獻。2015年，聯芯發布的SoC智能手機芯片平臺使SDR技術應用于紅米2A，軟件無線電在手機上的成功應用意味著無線電新時代的到來。通信產品的迭代周期逐漸縮短，4G通信技術已被廣泛商用，5G時代悄然而至。傳統的硬件定義無線電技術已無法滿足通信產品的需求，物聯網以及5G時代的來臨將會帶給軟件無線電新的發展空間。

本文設計了基于GNU Radio和HackRF的軟件無線電收發系統，闡述了GNU Radio的編程語言環境和HackRF的基本功能及主要軟件構成，在建立基于GMSK調制解調器仿真系統的計算機實驗模擬的基礎上，以GNU Radio+HackRF為模型，進一步研究設計并成功實現了文本文件的無線傳輸，從而實現了以數字信號處理技術為基礎的軟件無線電平臺的無線通信。

1 軟硬件平臺介紹

1.1 GNU Radio平臺介紹

GNU Radio是由Eric Blossom發起的、開源的且基于Linux系統的軟件無線電項目，主要由不同功能的封裝模塊組成。

作為核心功能之一的信號處理模塊主要使用實時數據處理效率較高的C++語言，模塊之間的連接由解釋型腳本語言Python完成。GNU Radio采用軟件編程的方式定義無線電波的發射與接收，實現了最小程度上的硬件結合。GNU Radio平臺提供信源模塊、調制解調模塊、圖形調試模塊等，用戶在開發時可以通過調用已有信號處理模塊或編寫自定義模塊構建靈活高效的應用環境。GNU Radio安裝完成后，在終端命令行鍵入GNU Radio-companion，通過模塊選擇及連接，運行后形成相應的.grc文件和.py文件。

1.2 軟件無線電介紹

HackRF是由美國工程師Michael Ossmann發起的開源軟件無線電外設。通過其無線電接口與電腦端接口相連進行信息傳輸，GNU Radio軟件通過編程實現對無線通信的控制。HackRF One實物如圖1所示。

圖1 HackRF One實物

信號進入接收端后，射頻信號選通部件決定是否由14 dB的放大器將信號進行放大，鏡像抑制濾波器對信號進行低通或高通濾波，信號經過寬頻合成器混頻到2.6 GHz固定中頻[1]，通過射頻收發器混頻到模擬基帶信號，并以差分信號形式輸出，將輸出基帶信號數字化后傳送到CPLD和單片機，最后由處理器將采樣數據送入PC端處理。工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程

2 系統設計

GNU Radio具備多種調制方式，本文采用GMSK（高斯頻移鍵控）的調制方式進行文本文件的無線發送與接收，其設計方案如下。

發送端：生成文本文件；構建GRC流程，選擇GMSK調制方式。

接收端：構建GRC流程，選擇GMSK解調方式；將接收的數據保存成文本文件。

系統示意圖如圖3所示。

圖3 系統示意圖

3 調制解調方案研究

通信系統中調制與解調技術的實施效果直接關系到通信調制系統的質量和性能。已經普遍存在的恒包絡通信調制系統技術雖然可以很好地達到非線性恒包絡對信道的傳輸要求，但由于仍存在相位突變問題，導致恒包絡頻譜的擴展對相鄰信道傳輸造成了干擾。因此，尋找恒包絡連續相位的調制技術具有重要意義。MSK和GMSK頻譜是恒包絡連續相位頻譜調制技術的典型代表，具有恒包絡、連續相位、頻譜盡可能集中在主瓣、旁瓣滾降衰減快的特點[2]。

3.1 MSK調制

MSK是恒包絡連續相位頻率調制，信號表示式為[3]：

MSK調制框圖如圖4所示。

圖4 MSK調制框圖

3.2 MSK解調

MSK信號的解調可以采用相干解調或非相干解調。由于MSK調制指數較小，在對誤碼率要求較高時多采用相干解調[6]。

相干解調框圖如圖5所示。

圖5 MSK解調框圖

3.3 GMSK調制解調原理

GMSK調制流程如圖6所示。

圖6 GMSK調制流程

GMSK在MSK調制前將矩陣信號脈沖通過一個高斯型低通濾波器，其處理過程如下。

高斯型低通濾波器的傳遞函數為[8]：

將上式作逆傅里葉變換得此濾波器的沖擊響應為[9]：

4 軟件無線電下無線收發系統設計

4.1 發送端

發送端流程如圖7所示。

圖7 發送端流程

模塊流程解讀：

如圖4所示為GIS設備氣體泄漏檢測報警裝置電路連接結構示意圖。其中，太陽能電池板可以在日照情況允許時將太陽能轉換為電能，并將其儲存在蓄電池中；蓄電池作為整套氣體泄漏檢測報警裝置的電源，分別連接至氣體傳感器和信息處理系統；信息處理系統包含一個單片機，一個A/D轉換器，一個信息分析器和一個報警系統，單片機控制抽氣泵工作，并將氣體傳感器采集到的信息傳遞給A/D轉換器，A/D轉換器將轉換后的數字信號發送至信息分析器，信息分析器對其進行處理判斷后，顯示在顯示屏上；如果測量結果超過設定閾值則觸發報警系統，此時報警系統控制的蜂鳴器和警示燈開始工作，提醒工作人員進行檢修。

（1）File Source模塊讀取文件；

（2）Packet Encoder為信源編碼模塊，將模擬數據轉化為數字數據；

（3）GMSK Mod為信道編碼模塊，將數字數據轉化為適合在信道上傳輸的數字信號，具有抵抗差錯的能力；

（4）通過Osmocom Sink模塊發送信號。

4.2 接收端

接收端流程如圖8所示。

圖8 接收端流程

模塊流程解讀：

（1）通過RTL-SDR模塊接收信號，以與發送頻率相同的頻率接收；

（3）Packet Decoder模塊為信源譯碼，將數字數據轉換成模擬數據；

（4）File Sink模塊將模擬數據寫入文件。

4.3 實驗分析

本次實驗結果采用Windows系統終端發送，Linux系統終端接收的方式。以發射終端為起點輻射空間內5 m范圍，均可實現典型順序流式文件的無線傳輸數據，傳輸誤碼率大幅下降，符合系統設計要求。

若收發端均采用Windows系統終端，試驗結果顯示個別有效字符信息傳輸錯誤。此外，若將實驗置于高斯噪聲信號較強的干擾頻段下，數據傳輸誤碼率顯著上升。因此，收發系統空間地理環境、通信空間直線長度、干擾信號強度等均會對典型順序流式文件的正確傳輸產生影響。發送文本如圖9所示，接收文本如圖10所示。

圖9 發送文本

圖10 接收文本

5 結 語

本文通過GNU Radio與HackRF構建的軟件無線電平臺實現了典型順序流式文件在信道中的無線收發，驗證了GMSK調制解調技術的可行性。

GNU Radio的開放性和模塊化特點有助于使用者建立信號處理流程，HackRF具有半雙工收發能力，二者所構建的通信系統性價比較高。通過對其進行深入探究，可以將其應用于雷達的設計研制中，以降低雷達信號處理對硬件的依賴。因此，軟件無線電在未來的通信技術領域及軍事技術領域將繼續發揮明顯的優勢，應用市場和應用前景廣闊。