基于GNU-Radio+USRP的MCSS通信設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

姚勁松

摘 要：多碼組合擴(kuò)頻（Multi-code combined spread spectrum ， MCSS），也叫做并行組合擴(kuò)頻，是一種高負(fù)荷、低寬帶占用率、強(qiáng)保密性的新型擴(kuò)頻模式，由于其實(shí)際應(yīng)用中需要復(fù)雜的硬件電路的配合，并需要專業(yè)通信模式支持，限制了其靈活性，因此如何構(gòu)建MCSS通信新模式，增強(qiáng)其靈活性是通信設(shè)計研究的新方向?；贕NU-Radio+USRP的平臺，通過多碼組合擴(kuò)頻通信算法設(shè)計和模擬測試等手段來調(diào)試實(shí)際需求的載波頻率、擴(kuò)頻碼周期等通信所需參數(shù)，再通過實(shí)時在線測試來驗(yàn)證MCSS通信設(shè)計的靈活性和設(shè)計方案的實(shí)用性，是近些年來MCSS通信設(shè)計研究方向之一。

關(guān)鍵詞：多碼組合擴(kuò)頻;軟件無線電;通信設(shè)計

引言：

軟件無線電（Software Defined Radio ， SDR）技術(shù)是無線電工程中的新方法，是一種新的設(shè)計理念，也是一種新的思想體系。它是通過運(yùn)用通信技術(shù)把網(wǎng)絡(luò)軟件和物理電路硬件相結(jié)合，使終端用戶能夠利用無線網(wǎng)絡(luò)配置自己所需要的設(shè)計方案。目的就是為了減少模擬實(shí)驗(yàn)、縮短方案設(shè)計開發(fā)周期、提高設(shè)備通信性能兼容性。理論上來說軟件無線電平臺上所有的通信模式都是互相兼容的，由于其具備開源化、系統(tǒng)化和模塊化的的開發(fā)環(huán)境和可重構(gòu)性、可拓展性的性能，因此經(jīng)常被用作通信領(lǐng)域的開發(fā)和驗(yàn)證基礎(chǔ)平臺。MCSS是一種新的直接擴(kuò)頻方案，是在多進(jìn)制擴(kuò)頻基礎(chǔ)上深化改進(jìn)而來。直接擴(kuò)頻序列的優(yōu)點(diǎn)包含抗多徑性能好、隱蔽性強(qiáng)、便于碼分多址，這些都被MCSS繼承下來，并且還擁有了更高的擴(kuò)頻增益和更好的頻帶利用率。本文結(jié)合目前軟件無線電技術(shù)的發(fā)展對GNU Radio 進(jìn)行認(rèn)知，通過SDR基礎(chǔ)平臺搭建一個能實(shí)現(xiàn)MCSS通信收發(fā)系統(tǒng)，驗(yàn)證各個模塊的可行性。

一、GNU Radio簡介

GNU Radio是一款開源軟件無線電庫，是一款完全公開的免費(fèi)的，當(dāng)其與USRP相結(jié)合一起后就構(gòu)成了一款開發(fā)平臺，可以根據(jù)自我需求輕松的靈活開發(fā)無線設(shè)備應(yīng)用。由于其免費(fèi)開放性，并且使用成本低等特點(diǎn)，已經(jīng)在中國及全世界廣泛應(yīng)用。GNU Radio應(yīng)用程序平臺是以Python語言為基礎(chǔ)語言來編寫的，并且處理過程是用C++語言來實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)擴(kuò)展。這些語言都是公共的可復(fù)用開發(fā)的語言環(huán)境，因此來說后期開發(fā)者可以根據(jù)需求獲得實(shí)時高效的應(yīng)用環(huán)境。GNU Radio不是主要應(yīng)用于仿真的平臺，但可以不需要真實(shí)電路硬件，根據(jù)原有平臺數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)參數(shù)來從新開發(fā)信號處理算法。GNURadio提供的通用軟件無線電庫含有：糾錯碼（維特比碼、R-S 碼、Turbo 碼）、信號處理模塊（均衡器、最優(yōu)濾波器、定時恢復(fù)、FFT）、調(diào)制方式（PSK、GMSK、OFDM、QAM）、調(diào)度庫。因此來說GNURadio是一個非常靈活的系統(tǒng)平臺，終端使用客戶可以用C++或者Python靈活開發(fā)應(yīng)用。并且GNU Radio 提供了完美的圖形界面GRC，其中包括的數(shù)字處理模塊資源，為學(xué)習(xí)者提供良好的工作環(huán)境，也更方便調(diào)試測試，GRC也提供多種工具配合調(diào)試使用[1]。

二、GNU Radio和USRP平臺的應(yīng)用

對于廣泛應(yīng)用的無線電平臺，專家們已經(jīng)在GNU Radio和USRP平臺上做過很多種研究。

如調(diào)制方式和通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)手段研究包括：WIMAX、OFDM、802.11、GSM、WBAN、PSK、MIMO、TETRA、LTE、蜂窩網(wǎng)等。

實(shí)際應(yīng)用中或教學(xué)實(shí)驗(yàn)用包括：斷層掃描、醫(yī)療監(jiān)測、專用短程通信、 無線傳感、邊遠(yuǎn)地區(qū)通信、雷達(dá)探測、連續(xù)視頻語音等傳輸、RFID、災(zāi)后通信恢復(fù)重建、衛(wèi)星通信、GPS定位和飛行導(dǎo)航、地鐵和汽車等高速移動通信等[2]。

通信可靠性及安全性研究包括：突發(fā)無線網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)攻擊、秘鑰協(xié)議、授權(quán)認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)的共存和切換、網(wǎng)絡(luò)擁堵、干擾抑制、延時等。

專業(yè)的通信技術(shù)性研究包括： MAC層協(xié)議、路由協(xié)議、編碼等

無線電認(rèn)知和軟件的開發(fā)包括：頻譜感知、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、頻譜泄露、頻譜接入、調(diào)頻、中繼協(xié)同等。

三、實(shí)驗(yàn)平臺的系統(tǒng)設(shè)計

1.GNU-Radio與USRP

GNU-Radio為軟件無線電提供六部分常用軟件：硬件前端的接口、用戶接口界面、數(shù)字信號處理（DSP）模塊、C++和Python工具、通用框架、調(diào)度器。而常用的軟件無線電由三部分組成：母板、子板和射頻天線。如圖1

2.系統(tǒng)總體功能設(shè)計

基于GNU-Radio+USRP的MCSS原理框圖構(gòu)建SDR平臺設(shè)計時候，必須要考慮幾個問題：環(huán)境與硬件配置選擇的思考、各功能模塊框架設(shè)計與功能分析的設(shè)計、模塊自定義的算法編程和封裝需求、GNU-Radio流圖構(gòu)建和組件參數(shù)設(shè)定[3]。

如圖2是GNU-Radio系統(tǒng)流圖，在系統(tǒng)流圖中，自定義幾個模塊用以完成多碼組合擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻、解擴(kuò)、同步等波變換等功能。如圖3是各個模塊的功能說明

3.自定義模塊的設(shè)計

1）擴(kuò)頻解擴(kuò)模塊

在模塊設(shè)計實(shí)施過程中可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理流程，把模塊映射關(guān)系作流程表處理，如圖4

在后期實(shí)際處理中，為了節(jié)約運(yùn)算時間和費(fèi)用，可以直接通過查表處理，方便快捷。而且使用者還可以自定義PN碼長度、映射規(guī)則等模塊功能，提高系統(tǒng)編程靈活性。

2）同步模塊

試驗(yàn)?zāi)K設(shè)計的同步算法有定時同步算法和幀同步算法，為了滿足接收端USRP的數(shù)據(jù)采集，因此在數(shù)據(jù)前端會加入同步頭，從而實(shí)現(xiàn)同步算法和信道估計。

此次設(shè)計應(yīng)用算法為定時同步與幀同步聯(lián)合設(shè)計，定時同步是為了防止丟失或錯位，而對過采樣的信號點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)抽樣;幀同步則是常用的滑動相關(guān)法，是在信息流中為了定位有用信號的起始位置而設(shè)計算法。如圖5是在同步的基礎(chǔ)上進(jìn)行的相位補(bǔ)償算法流程。

在數(shù)據(jù)輸入時候，當(dāng)滿足相關(guān)值和硬判決數(shù)目數(shù)據(jù)時候，模塊就會跳出搜索狀態(tài)，同時會顯示相位補(bǔ)償后的信息。

四、系統(tǒng)測試

1.仿真測試

仿真數(shù)據(jù)是通過模塊顯示實(shí)際信道里面的數(shù)據(jù)，是由USRP發(fā)送和并接收，再經(jīng)過信道數(shù)據(jù)存儲后與MATLAB仿真。

為了檢測同步模塊的捕獲性能，在發(fā)送端連續(xù)發(fā)送信號，由于多碼組合擴(kuò)頻的擴(kuò)頻倍數(shù)為N/k ， 96比特信源數(shù)據(jù)擴(kuò)頻為1024比特，通過圖6可知每相隔1024比特，出現(xiàn)一個很大的相關(guān)峰值即為同步點(diǎn)，表示幀同步正確。

在相位補(bǔ)償算法驗(yàn)證時，圖7中（a）為USRP接收到的數(shù)據(jù)星座圖，（b）為相位補(bǔ)償后的星座圖，由于此數(shù)據(jù)經(jīng)過成型濾波器，星座圖還顯示了各個星座點(diǎn)之間的跳轉(zhuǎn)路徑。

2.硬件實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)用Ubuntu 16.04 LTS操作系統(tǒng)，GRC 3.7.9的GNU-Radio軟件版本， C++和UHD使用常用版本就可以，RF子板載波為500MHz[4]。

圖8和圖9顯示了設(shè)計系統(tǒng)平臺的GUI界面，我們可以根據(jù)圖形顯示，直觀的比較擴(kuò)頻前后的序列、觀察發(fā)送信號波形及對比收發(fā)比特信息等信息。

如果需要測試擴(kuò)頻性能時，可以選取128長度的PN碼作為擴(kuò)頻序列。從圖9可以看到擴(kuò)頻前帶寬約為10kHz ，擴(kuò)頻后帶寬約100kHz ，信噪比和信號的功率都下降，與多碼擴(kuò)頻的數(shù)據(jù)理論相吻合。

五、結(jié)語

本文通過對GNU Radio和USRP平臺的認(rèn)知，利用SDR搭建了系統(tǒng)設(shè)計，并簡單介紹了設(shè)計實(shí)現(xiàn)結(jié)果，通過簡單的數(shù)據(jù)驗(yàn)證和時序圖分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)通信的靈活性和可靠性，為后續(xù)學(xué)習(xí)者提供理論基礎(chǔ)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]王奇.基于GNURadio的軟件無線電平臺研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[2]楊培消，竇高奇，高俊，等.基于軟件無線電平臺的DDST傳輸技術(shù)研究[J]通信技術(shù)，2018 ， 51（5） ： 31-35.

[3]郭黎利，姜曉斐，竇崢.并行組合擴(kuò)頻超寬帶通信系統(tǒng)建模與仿真哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2011 ， 32（4） ： 499-503 .

[4] 基于軟件無線電的數(shù)字化中頻處理平臺的硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].杭州電子科技大學(xué)，2010.