基于GNU Radio 的230 MHz 多通道主站電臺的設(shè)計

基于GNURadio的230MHz多通道主站電臺的設(shè)計0、引言230MHz無線電臺通信系統(tǒng)在電力負荷管理系統(tǒng)和用戶用電信息采集系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。然而，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，在不同時期投入應(yīng)用的無線電臺，雖然基本結(jié)構(gòu)類似，但調(diào)制方式、波形結(jié)構(gòu)、調(diào)制速率都有較大差別，不同的設(shè)備占用不同頻段單獨組網(wǎng)，獨立運行，十分不利于系統(tǒng)的維護，而且，隨著對高速通信電臺設(shè)備需求的增加[1]，使得通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。為了解決上述問題，本文基于GNURadio

系統(tǒng)提出了一種多信道、多傳輸速率、多調(diào)制方式的軟件無線電多通道主站電臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)在調(diào)制方式上與現(xiàn)有的無線電臺設(shè)備全面兼容，覆蓋整個電力系統(tǒng)230MHz

全雙工頻段，可以同時在多個頻點運行，以不同的速率、調(diào)制方式進行通信，很好地保證了現(xiàn)有業(yè)務(wù)的正常運營。此外，基于軟件無線電的系統(tǒng)具有極強的可配置性，為將來的業(yè)務(wù)拓展和設(shè)備升級提供了可靠保障，降低了系統(tǒng)的維護和升級成本。1、230MHz

無線通信系統(tǒng)分析230MHz無線通信系統(tǒng)由主站電臺和從站電臺組成，主站采用全雙工電臺，從站采用半雙工電臺。無線電管理委員會將230MHz

頻段的15

對雙頻頻點分配給電力系統(tǒng)專用[2]，頻點分配如表1

所示。每個頻點帶寬為25kHz，相鄰頻點間隔為50～150kHz，15

個接收/發(fā)送頻點總帶寬約為2MHz，上下行頻率間隔為7MHz。目前電力行業(yè)中使用的大部分是模擬調(diào)頻電臺，電臺內(nèi)增加調(diào)制解調(diào)模塊后進行數(shù)據(jù)傳輸。早期的低速電臺采用FSK，MSK

等調(diào)制方式，傳輸速率為600~2400bps；高速電臺采用GMSK

調(diào)制方式，實現(xiàn)9600bps

的信號收發(fā)。此外，部分地區(qū)運行著230MHz

頻段的Mobitex

系統(tǒng)，它直接采用GMSK

調(diào)制，避免了第二級FM

調(diào)制對信道資源的浪費，僅占用12.5kHz

的射頻帶寬，實現(xiàn)了8kbps數(shù)據(jù)傳輸。2、GNURadio

主站電臺總體設(shè)計GNURadio

系統(tǒng)是一種運行于通用處理器（GPP）上的開放的軟件無線電平臺，并配以USRP（UniversalSoftwareRadioPeripheral）作為硬件射頻前端。GNU（GNU’sNotUnix）是一個推進軟件開放源代碼的著名項目，由FSF（FreeSoftwareFoundation）提供支持。GNURadio

運行于Linux操作系統(tǒng)，其軟件代碼和硬件設(shè)計完全公開，其設(shè)計的核心思想是：基帶信號處理過程由通用處理器而不是DSP

實現(xiàn)；基帶信號通過USB2.0

接口與USRP

系統(tǒng)相連，由USRP

上的FPGA

實現(xiàn)數(shù)字上下變頻，然后通過AD/DA

芯片與射頻子板連接；覆蓋不同頻段的射頻子板將模擬信號變換到射頻進行信號收發(fā)。本文設(shè)計的多通道主站電臺系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1

所示，由基帶信號處理部分、USRP

主板、230MHz

射頻子板三個部分組成。(1)基帶信號處理部分基帶信號處理部分包括數(shù)據(jù)緩存、編解碼、調(diào)制解調(diào)等模塊。這部分的主要工作是基帶信號處理模塊和信號收發(fā)流圖（FlowGraph）的設(shè)計。此外，可使用WxPython

跨平臺GUI

工具庫編寫人機交互界面，采用MySQL

作為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。(2)USRP

主板USRP主板實現(xiàn)了信號的中頻處理，主要為數(shù)字上下變頻操作。板載FPGA

芯片采用了Altera

公司生產(chǎn)的Cyclone

系列芯片EP1C12Q240C8，設(shè)計開發(fā)工具為QuartusII7.2，各模塊邏輯采用Verilog語言描述。(3)230MHz

射頻子板目前

USRP

配套的全雙工子板沒有覆蓋到230MHz

頻段，本文根據(jù)USRP

主板與子板連接的接口說明，設(shè)計了收發(fā)頻率覆蓋200～250MHz

的射頻子板。同時，由于子板輸出功率過小，發(fā)送信號需外接至大功率天線設(shè)備輸出。3、GNURadio

主站電臺基帶信號處理GNURadio

的基帶信號處理編程基于C++和Python

腳本語言的混合方式。C++執(zhí)行效率較高，用于編寫各種底層信號處理模塊。Python

是一種新型的腳本語言，用來編寫連接各個信號處理模塊的腳本，最終使之成為完整的信號收發(fā)流圖。3.1GNURadio

基帶信號處理模塊設(shè)計GNURadio

提供一個基帶信號處理的底層模塊庫，含有100

多種信號處理模塊，如：濾波器，F(xiàn)FT

變換、調(diào)制解調(diào)器、時頻同步模塊等[3]。本系統(tǒng)同時支持多種無線通信電臺，而不同電臺的調(diào)制方式、信號速率可以不相同。通過分析可知，電臺系統(tǒng)中基帶信號所用的數(shù)字調(diào)制方式如FSK、MSK、GMSK

等均屬于恒包絡(luò)調(diào)制方式，這些信號都可以通過FM

調(diào)制器輸出。下面以

GMSK

調(diào)制模塊為例簡要說明GNURadio

信號處理模塊的實現(xiàn)原理及實現(xiàn)方法。從

Python

的角度來講，GNURadio

提供了一種信號流圖的抽象，用戶可以方便地使用底層信號處理模塊連接各種通信模塊，最終組成完整的無線通信系統(tǒng)。首先從gnuradio

包中導(dǎo)入gr

和modulation_utils

模塊，并在__init__（）方法的參數(shù)中定義模塊中每符號的采樣點個數(shù)、BT值和程序調(diào)試接口等。定義完這些參數(shù)之后，方法調(diào)用其父類gr_hier_block2

的__init__（）方法設(shè)定該模塊的輸入輸出接口類型，本模塊輸入為要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)，輸出為GMSK

的調(diào)制波形。GMSK調(diào)制模塊由三個底層信號處理模塊構(gòu)成，分別是字節(jié)到NRZ

編碼變換器，高斯濾波器和FM

調(diào)制器（FM

調(diào)制器模塊需自行編寫，系統(tǒng)提供的FM

調(diào)制器輸出為復(fù)采樣信號，本調(diào)制器輸出為實采樣信號）。配置好這些模塊之后，調(diào)用connect函數(shù)將這些模塊連接，就形成了新的GMSK

調(diào)制模塊。其結(jié)構(gòu)圖如圖2

所示。其他調(diào)制方式如FSK、MSK

調(diào)制模塊與之十分類似，不再贅述。通過

Python

語言構(gòu)造信號處理模塊非常靈活，大幅提高了代碼的復(fù)用度。但由于底層模塊庫并不完備，在執(zhí)行某些數(shù)據(jù)處理時還需采用C++語言編寫對應(yīng)的底層模塊，如糾錯編碼、多相濾波發(fā)送、多相濾波接收等，編寫底層模塊的具體方法可參考文獻[4]。3.2基帶信號收發(fā)流圖設(shè)計本系統(tǒng)同時覆蓋了230MHz

頻段的15

個雙工頻點，如果將這15

個支路的信號分別通過獨立的載波調(diào)制解調(diào)，系統(tǒng)將過于復(fù)雜。因此，本文采用了信道化收發(fā)機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即一部收發(fā)機同時處理信道帶寬內(nèi)所有信道上的信號。圖

3

是主站電臺信道化發(fā)射機基本調(diào)制原理框圖?；鶐盘柕奶幚矸譃榱藘刹糠止ぷ鳎旱谝徊绞怯蒒

個單通道基頻發(fā)射機產(chǎn)生N

個基帶數(shù)字信號。對于普通數(shù)傳電臺，首先根據(jù)不同的基帶調(diào)制方式（FSK、MSK、GMSK

等）輸出基帶信號，再由FM

基帶正交調(diào)制器進行復(fù)合調(diào)制，調(diào)制完成后的基帶信號數(shù)字譜帶寬為25kHz。對于Mobitex

電臺，直接輸出速率為8kbps

的GMSK

基帶正交信號，數(shù)字譜帶寬為12.5kHz。第二步將調(diào)制完成的各路基帶信號進行插值濾波，并分別根據(jù)各路占用的不同頻點，用移頻因子ejωkt

搬移到虛頻點ωk（即射頻頻點相差230MHz的基帶頻點）處，最后將所有支路上的信號整合，得到覆蓋0～2MHz

的整合基帶信號，其頻譜結(jié)構(gòu)如圖4

所示。在具體實現(xiàn)時，本文采用了基于多相結(jié)構(gòu)的信道化發(fā)射機模型以提高計算效率和實時處理能力，實現(xiàn)細節(jié)請參閱文獻[5]。合路器輸出的整合基帶信號的復(fù)采樣頻率為6MHz，精度為8bit，這樣每個復(fù)采樣點占據(jù)2

個字節(jié)，通過USB2.0

接口傳輸?shù)経SRP，雙向收發(fā)占用的USB

帶寬為24MByte/s。在USRP

中，基帶信號再通過插值和濾波變換為固定速率的中頻信號并送到D/A

轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，最后在射頻子板轉(zhuǎn)換為射頻信號發(fā)射。4、USRP

主板FPGA

配置USRP主板上可支持兩路信號并行收發(fā)，結(jié)構(gòu)框圖如圖5

所示，本文中只使用其中一路。FPGA芯片處于USRP

主板中的核心位置，內(nèi)部邏輯通過Verilog

語言描述。它的主要功能是將ADC

采來的中頻信號進行數(shù)字下變頻（DDC），并將基帶信號進行插值濾波、速率匹配、輸出到DAC

進行數(shù)字上變頻（DUC），同時還要控制子板信號收發(fā)，適配各路ADC，DAC

與PC

機之間的數(shù)據(jù)交換。USRP提供了標準系統(tǒng)的Verilog

代碼供用戶使用，但需要針對不同的信號帶寬，信號精度和外插子板情況對Verilog

文件進行改寫并重新編譯后，下載到FPGA

中運行。本系統(tǒng)中，AD采樣輸出的數(shù)據(jù)為兩路12bits、64MSample/s的正交中頻信號，F(xiàn)PGA要首先對其中有用的信號進行下變頻。數(shù)字下變頻的第一步是對信號進行混頻，這部分主要由乘法器和DCO組成。USRP采用坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算（CORDIC）算法生成正弦和余弦信號[6]，與常規(guī)的查表法不同，CORDIC算法不占用存儲器空間，僅使用移位寄存器和加法器就可產(chǎn)生正余弦信號，具有很好的NCO的精度。數(shù)字下變頻的第二個環(huán)節(jié)是對混頻后的信號進行抽取濾波，以便降低軟件解調(diào)的計算復(fù)雜度。USRP使用了由一個4級CIC抽取濾波器和一個31階半帶濾波器組成的混合濾波器結(jié)構(gòu)。CIC濾波器為整系數(shù)濾波器，濾波時無需乘法運算，而半帶濾波器有一半系數(shù)為零，這樣在濾波時大大減少了計算量[7]。濾波的同時，在CIC濾波器實現(xiàn)了4倍的數(shù)據(jù)抽取，在半帶濾波器實現(xiàn)了2倍的數(shù)據(jù)抽取，這樣就得到了帶寬為2MHz的兩路8bits，8MSample/s的正交基帶信號。對于發(fā)送信號，F(xiàn)PGA將USB傳輸?shù)牡退俾驶鶐盘栠M行插值并濾波，變換為32MSample/s的采樣信號并輸出到DAC單元的數(shù)字上變頻模塊中，最終以兩路14bits，128MSample/s的速度轉(zhuǎn)換為模擬信號。5、230MHz

射頻子板的實現(xiàn)USRP的子板有很多種規(guī)格，分別針對了基帶信號處理、廣播電視接收、移動通信信號處理等領(lǐng)域。但由于在230MHz

頻段沒有可用的全雙工子卡，本文根據(jù)USRP

與子卡的接口說明，設(shè)計了針對230MHz

頻段應(yīng)用的全雙工子卡，實現(xiàn)信號收發(fā)。其硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖6

所示。230MHz

子板采用AD8345

和AD8348

分別作為調(diào)制器和解調(diào)器。AD8345

是ANALOGDEVICES公司推出的正交調(diào)制器，其工作頻率為140～1000MHz，在數(shù)字通信系統(tǒng)中可用作中頻調(diào)制器或直接上變頻器。AD8348

是ANALOGDEVICES

公司推出的正交解調(diào)器，其工作頻率為50～1000MHz，解調(diào)帶寬75MHz，內(nèi)部集成中頻可變增益放大器。AD8345和AD8348

輸入的本振頻率是兩塊ADF4360-7

鎖相環(huán)輸出的，本振頻率分別為460MHz和446MHz。460MHz

的信號在ADF4360-7

內(nèi)部二分頻輸出至AD8345，446MHz

信號在AD8348

內(nèi)部進行二分頻。芯片內(nèi)部VCO

的中心頻率設(shè)為460MHz，這個中心振蕩頻率值是由外部電感設(shè)置的，它們之間的對應(yīng)關(guān)系為：通過計算可得，外部電感的值為3.84nH。子板系統(tǒng)中晶振輸出的參考頻率為10MHz，通過SPI總線控制配置ADF4360中的14

位R

計數(shù)器值為200，再配置N

計數(shù)器數(shù)值，就可以以50kHz

的步長，覆蓋420~500MHz

的頻率范圍。此外，由于USRP

的板載電源功率過小，子板的天線接口只能提供了100MW

的功率輸出，而一般的230MHz

主站電臺的功率為15W

左右，因此，還需要在另外加裝高增益的外接天線。6

結(jié)束語本文提出了一種基于GNURadio

的多速率、多種調(diào)制方式、多信道的軟件無線電主站電臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)基于通用硬件平臺，成本較低，既充分的利用了現(xiàn)有的無線電臺資源，實現(xiàn)多種電臺的全面兼容，又為將來的業(yè)務(wù)拓展和設(shè)備升級提供了保證。該系統(tǒng)使用純軟件的信號處理具有很大的靈活性，采用高級語言（C/C++、Python）進行系統(tǒng)開發(fā)，擴展性和可移植性強，開發(fā)周期短，并且隨著CPU

處理能力的不斷提高以及軟件技術(shù)的進步，系統(tǒng)性能還有進一步提升的空間。參考文獻[1]周立巖，孫毅，馮小安.

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