基于GNU Radio的單邊帶解調(diào)方式的研究

張　曉，孫運強，姚愛琴

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原030051)

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基于GNU Radio的單邊帶解調(diào)方式的研究

張曉，孫運強，姚愛琴

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原030051)

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

關(guān)鍵詞:GNU Radio; RTL-SDR;軟件無線電;單邊帶解調(diào)

0引言

在無線電通信領(lǐng)域中，單邊帶調(diào)制解調(diào)方式由于其頻帶利用率高以及功耗低等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各種通信設(shè)備中，對于單邊帶的解調(diào)方式，傳統(tǒng)的單邊帶解調(diào)方式多采用相干解調(diào)法和包絡(luò)檢波法[1]，相干解調(diào)法對本地載波及濾波器有嚴(yán)格的要求，且技術(shù)要求高，設(shè)備復(fù)雜，多應(yīng)用于模擬通信設(shè)備中;而隨著微電子及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，軟件無線電概念提出了正交調(diào)制解調(diào)方式，不同調(diào)制方式都可以采用這種其解調(diào)方式解調(diào)，對于單邊帶解調(diào)，這種調(diào)制方式在原理上和模擬相干解調(diào)相同，只是它主要在數(shù)字域中進(jìn)行解調(diào)，并且可以用軟件來實現(xiàn)這種解調(diào)功能。本文主要利用RTL-SDR硬件和GNU Radio軟件對單邊帶數(shù)字相干解調(diào)方式進(jìn)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(xué)習(xí)、構(gòu)建和部署軟件定義無線電系統(tǒng)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(yīng)的參數(shù)，了解所需無線發(fā)射系統(tǒng)的原理，便可快速構(gòu)建無線電通信系統(tǒng)，并且它可以和軟件無線電通信設(shè)備構(gòu)成開發(fā)平臺進(jìn)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(diào)用相應(yīng)的模塊，這為建立通信系統(tǒng)節(jié)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(fā)圖是由python編寫的。

RTL-SDR是由RTL2832U和R280T組成的，R280T作為調(diào)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(shù)字信號到PC。本文主要對短波單邊帶解調(diào)方式進(jìn)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(jìn)行改造使它能接收到短波信號，具體改造方法可參考文獻(xiàn)[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(jīng)低通濾波器濾除噪音及干擾，輸入混頻器進(jìn)行混頻變?yōu)橹蓄l，在這里本振頻率為40～100 MHz，然后經(jīng)高通濾波器濾除各種低頻成分干擾即各次諧波，最后經(jīng)過三擲開關(guān)來選擇是否介入短波( HF)頻段，可以通過雙色發(fā)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(jīng)由R280T變?yōu)橹行念l率3．8 MHz左右的中頻信號，經(jīng)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(yīng)的專用天線，在此采用轉(zhuǎn)換頭進(jìn)行連接。

圖1 RTL-SDR內(nèi)部構(gòu)造模塊圖

2單邊帶解調(diào)算法

2．1軟件無線電正交解調(diào)算法

軟件無線電解調(diào)算法不像傳統(tǒng)無線電，不同的解調(diào)方式由于不同的解調(diào)算法對應(yīng)不同的硬件解調(diào)模塊，其對于不同的解調(diào)方式都是用統(tǒng)一的硬件模塊，只是在連接pc時采用不同的解調(diào)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(diào)制的解調(diào)算法進(jìn)行研究，任何已調(diào)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(jìn)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(jìn)行解調(diào)，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(diào)出相應(yīng)的信號。

2．2 SSB解調(diào)算法

SSB信號在雙邊帶的基礎(chǔ)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(dá)式可由式( 2)變?yōu)?

式中，“-”是上邊帶，“+”是下邊帶，m( n)為調(diào)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(diào)方式仿真測試研究

3．1 GNU Radio + RTL-SDR開發(fā)平臺的搭建

在Ubuntu14．04系統(tǒng)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(quán)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(dāng)然再輸入這些指令前要安裝RTL-SDR 的Ubuntu系統(tǒng)驅(qū)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(xiàn)[7]。

3．2 ssb解調(diào)仿真測試研究及結(jié)果分析

根據(jù)第1小節(jié)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(fù)數(shù)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(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)，由于RTL-SDR輸出的是復(fù)數(shù)形式，而復(fù)數(shù)的實部和虛部分別對應(yīng)的是同相和正交分量，因此只需要把復(fù)數(shù)變?yōu)閷崝?shù)，就可以得到相應(yīng)的調(diào)制信號，complex to real模塊實現(xiàn)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(shè)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(dāng)于一個低通濾波器，在此模塊中主要設(shè)置抽取率Decimation默認(rèn)為1，因為數(shù)據(jù)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(shù)，中心頻率主要是將信號頻率調(diào)整到中心處，帶通濾波器模塊主要設(shè)置抽取率Decimation為默認(rèn)值1，增益Gain設(shè)為10，通帶最低截止頻率Low cutoff freq設(shè)為200 Hz，通帶最高截止頻率Hign cutoff freq設(shè)為2．8 kHz，Transition width傳輸帶寬設(shè)為500，窗函數(shù)window選擇Hamming; AGC2模塊主要是維持輸入基帶信號電壓的穩(wěn)定，由于短波信號經(jīng)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(huán)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(shè)置相關(guān)的參數(shù)，將合適的增益設(shè)置反饋給模擬可變增益放大器．此模塊中Attack Rat設(shè)為0．1eDecay Rate設(shè)為50* 10-6，Reference設(shè)為0．8，Gain設(shè)為1;乘以常數(shù)模塊中參數(shù)constant設(shè)為5。具體實現(xiàn)圖及各個模塊后的波形如圖3和圖4所示。

圖3正交解調(diào)結(jié)構(gòu)圖

圖4正交解調(diào)頻譜圖

3結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

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引用格式:劉欣然．老人跌倒監(jiān)測定位裝置的研究[J]．無線電通信技術(shù)，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(shù)及儀器、通信與信息系統(tǒng)、信號與信息處理。

收稿日期:2015-09-18

中圖分類號:U675．75

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1003-3114( 2016) 01-79-3