衛(wèi)星通信軟件無(wú)線電系統(tǒng)方案研究

李銀

四川大學(xué)電子信息學(xué)院 四川 成都 610065

1 OQPSK通信系統(tǒng)原理

1.1 OQPSK調(diào)制原理

OQPSK調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法是正交調(diào)制，使用兩個(gè)余弦相干載波，兩個(gè)載波的頻率保持一致，相位相差90°，將基帶數(shù)據(jù)序列分成I、Q兩路，分別乘上兩路載波，其中Q路延遲半個(gè)碼元周期再傳輸。

OQPSK調(diào)制信號(hào)可以表示為：

式中，g(t)代表高度是1，寬度是sT的門函數(shù)，代表基帶碼元數(shù)據(jù)，cw為載波角頻率[2]。

1.2 OQPSK解調(diào)原理

OQPSK解調(diào)可采用相干解調(diào)法，調(diào)制信號(hào)分別與調(diào)制階段同頻同相的載波相乘處理，其中Q路信號(hào)要延遲半個(gè)碼元周期再進(jìn)行抽樣判決，解調(diào)系統(tǒng)的組成如圖1所示。

2 GNURadio和USRP平臺(tái)

2.1 軟件無(wú)線電平臺(tái)

GNURadio是一個(gè)開源的軟件定義無(wú)線電（SDR）平臺(tái)，使用C++語(yǔ)言進(jìn)行編寫，可以獲得較高的數(shù)字處理效率和運(yùn)行速度。USRP系列是高性能的通用軟件無(wú)線電外設(shè)硬件產(chǎn)品，USRP N210由母板和射頻子板組成，子板模塊主要有射頻開關(guān)、雙工器、低噪聲信號(hào)放大器、射頻功率放大器、本地?cái)?shù)控振蕩器等[3]。

2.2 基于GNURadio平臺(tái)的外部模塊

外部模塊不存在于源代碼樹的外部組件，是用戶擴(kuò)展的信號(hào)處理功能模塊，使用平臺(tái)提供的gr_modtool工具，這個(gè)工具的作用是自動(dòng)編輯配置文件，減少開發(fā)人員的工作量。開發(fā)者只需根據(jù)該工具的使用方法來創(chuàng)建模塊代碼包，該工具在新增包中添加的模塊代碼的具體結(jié)構(gòu)，都已被開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)好了，之后開發(fā)者重點(diǎn)針對(duì)核心函數(shù)進(jìn)行編碼即可，本文根據(jù)外部模塊方法設(shè)計(jì)了OQPSK的模塊，具體流程：首先設(shè)置模塊的輸入輸出接口數(shù)量，然后確定流入模塊的數(shù)據(jù)類型，接著匹配輸出數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)的數(shù)量，然后進(jìn)入核心功能將輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制，進(jìn)行調(diào)制處理后完成復(fù)數(shù)類型數(shù)據(jù)的輸出，解調(diào)模塊的設(shè)計(jì)步驟與調(diào)制模塊一樣[4]。

3 基于軟件無(wú)線電的OQPSK通信系統(tǒng)方案

3.1 發(fā)射機(jī)與接收機(jī)設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用GNURadio軟件平臺(tái)搭配通用硬件外設(shè)USRP N210進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。發(fā)射機(jī)部分，首先信源模塊是用于獲取信息數(shù)據(jù)的模塊，這里使用文件信源的作用是從輸入文件中讀取數(shù)據(jù)流，然后使用封裝成包模塊對(duì)信源輸出的數(shù)據(jù)打包封裝，OQPSK調(diào)制模塊是通過外部模塊的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)OQPSK調(diào)制的功能。經(jīng)過調(diào)制之后的基帶信號(hào)帶寬較高，為了保證更好的傳輸，需要成型濾波器模塊對(duì)其進(jìn)行低通濾波處理，降低基帶信號(hào)的帶寬。最后是將基帶信號(hào)發(fā)送給USRP模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻和數(shù)模轉(zhuǎn)換并通過天線進(jìn)行發(fā)射。

接收機(jī)部分是由USRP模塊接收機(jī)接收空中信號(hào)，通過高頻放大器、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字下變頻。然后經(jīng)過增益控制模塊，把信號(hào)幅值控制在一定的范圍內(nèi)。再經(jīng)過鎖相環(huán)時(shí)鐘同步模塊和載波同步模塊，恢復(fù)同頻同相的載波信號(hào)。接著經(jīng)過OQPSK解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)，最后是解包模塊，把有效的信息數(shù)據(jù)從包中取出來，再將數(shù)據(jù)流寫進(jìn)文件信宿[5]。

3.2 系統(tǒng)收發(fā)功能驗(yàn)證

通過上述分析，通過兩臺(tái)主機(jī)和兩臺(tái)USRP連接搭建綜合測(cè)試環(huán)境，一個(gè)USRP負(fù)責(zé)搭建發(fā)送系統(tǒng)信號(hào)，另一個(gè)USRP負(fù)責(zé)搭建接收系統(tǒng)接收信號(hào)。宿主機(jī)與虛擬機(jī)進(jìn)行通信的方式被設(shè)置為橋接模式。然后在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)，將Ubuntu的IP地址設(shè)置為一個(gè)網(wǎng)段。然后分別搭載發(fā)射機(jī)框圖和接收機(jī)框圖，使用文件信源來測(cè)試數(shù)據(jù)文檔的收發(fā)。保持發(fā)射功率不變的情況下，傳輸距離變化，針對(duì)不同的傳輸距離進(jìn)行測(cè)試，發(fā)射功率保持在0dBm左右，通過USRP進(jìn)行接收后，在接收端進(jìn)行解調(diào)和解包處理后，將數(shù)據(jù)寫入文本文件。每一次改變距離均傳輸10次，分別記錄每一次的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)目，得到每一次的誤碼率和平均值。設(shè)置傳輸距離為1m、2m、5m、8m、10m，再次測(cè)試并記錄每一次的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)目，得到誤碼率后，將數(shù)據(jù)繪成誤碼率曲線[6]。

圖2 不同傳輸距離的誤碼率

4 結(jié)束語(yǔ)

通過以上仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，基于軟件無(wú)線電技術(shù)搭建的OQPSK通信系統(tǒng)模型與理論上OQPSK系統(tǒng)是一致的，本文給出了OQPSK的數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)和調(diào)制解調(diào)原理，通過軟件無(wú)線電工具GNURadio和USRP N210硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)OQPSK外部模塊，實(shí)現(xiàn)了OQPSK通信收發(fā)機(jī)，并通過實(shí)際的收發(fā)數(shù)據(jù)，可以完全正確地解調(diào)出原始數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了基于軟件無(wú)線電技術(shù)的OQPSK通信系統(tǒng)方案的性能。上述的測(cè)試結(jié)果表明，基于軟件無(wú)線電技術(shù)和通用的硬件平臺(tái)構(gòu)建數(shù)字通信系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可重構(gòu)性、可擴(kuò)展性和靈活性。而且可以根據(jù)實(shí)際工程部署，使用GNURadio搭載USRP N210通用的硬件平臺(tái)，搭建各種調(diào)制方式的通信系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)的基于定制硬件的通信技術(shù)無(wú)法靈活升級(jí)，在硬件設(shè)計(jì)、制造上產(chǎn)生大量浪費(fèi)的缺陷。