基于软件无线电的通信中继平台

武警工程大学 刘志骋 陈任秋

引言

随着科学技术的发展，由于高山建筑物等遮蔽物的阻挡，常常出现弱信号区域和信号盲区，一般用通信中继的方式来解决。而常用的中继方式如基站、转信台等存在着建设成本高，维护不便，移动性差，供电也不方便的问题，而本文利用软件无线电理论组建了一个通信中继平台可有效避免这些缺点。

软件无线电(Sof t war e Radio)，也称为软件定义无线电(Sof t war e Def ined Radio)，是指将模块化、标准化、通用化的硬件单元以总线或交换方式连接起来组成一个通用的无线通信平台，通过在这个平台上加载标准化、模块化、通用化的软件，实现各种无线通信功能的一种开放体系结构和技术。它与原来单纯由硬件电路构成的无线通信系统不同，也与单纯用软件方式控制的数字无线系统不相同的一种新的信息处理和传输的体系结构与技术。

软件无线电以一种崭新的设计、制造和使用无线通信系统与设备的思想，摆脱了单一系统固定电路的传统无线电设计思路，通过一种模块化的通用硬件平台，利用软件编程来确定系统的工作参数(包括可编程的通信频段、信号调制解调和编解码及通信方式等)，完成无线通信系统的各种功能。这种以一个物理平台实现多个无线通信功能的系统，与传统的以硬件为主的无线通信系统相比，不仅降低了产品的开发成本，缩短了产品的更新周期，而且具有系统复用性高、开放性好、维护管理方便的技术优势。

1 系统分析

软件无线电中继平台平台由RTLSDR设备和hackr f组成，RTLSDR负责信号的接收，hackr f负责发送，软件gnur adio负责信号的处理、算法的编程等，如图1所示。

图1 通信中继平台基本架构

(1)RTLSDR设备[1][2]

RTLSDR设备使用的是RTL2832+E4000芯片，俗称电视棒。射频范围为70MHz-1.7GHz，支持USB2.0的2.8 MS/s的高速传输和8bit的IQ数据采样。只需50元人民币，就可以观看数字电视和频谱图，收听广播，追踪飞机轨迹等，同时与gnur adio和SDR#等多款软件无线电软件平台兼容。其主要负责将接收天线的射频信号下变频，然后将模拟信号转换为数字信号，交给gnur adio进行处理。

(2)hackr f[3]

hackr f的射频范围能达到30 MHz- 6 GHz。另外，hackr f还可以外加一个上变频器，就可以将载频降低到300KHz，大大增加了射频范围。使用USB2.0接口，向主机的最高数据传输速率可达到35MB/s，带宽都在16MHz以上。Hackr f集成了CPLD+MCU基带处理方案，大大增加了运算能力。同时，hackrf只需要1000多元，成本相当低，就可实现信号的接收和发射以及通信系统的建立等。系统中hackr f主要用来信号的处理和发射。信号处理和算法可以集成下载到hackr f上。Hackrf主要将基带处理的数字信号转化为模拟信号，经过两次变频后发射出去。

(3)gnur adio[4]-[6]

开源软件无线电(GNU Radio)是一个对学习、构建和部署软件无线电系统的免费软件工具包，是本系统实现的软件平台。它使人们不用购买一大堆射频收发设备，就可以进行信号的接收和发送。它集成了大量的信号运行和处理模块，实现了在低成本易制作的射频硬件和通用微处理器上软处理信号。其主要是通过C++在微处理器上建立核心处理模块，Pyt hon编程语言提供交互应用模块来编写实现的，可通过编程简单高效地建立实时的通信系统。同时，在没有软件无线电的硬件平台的情况下，仍可支持对现成的数据进行数字信号处理算法的研究。系统中gnur adio是通信平台的软件部分，主要负责信号的处理，算法的实现，提供和RTLSDR设备、hackr f的接口交互，以及中间的数据缓冲调度传输等功能。

图2 系统软件结构图

2 系统实现及测试

系统中，RTLSDR和hackr f通过USB端口和PC相连，PC计算机上安装的是Ubunt u系统，软件gnur adio已经安装成功，RTLSDR和hackr f的gnur adio驱动已经编译成功。如图2所示，RTL2832 Sour ce为RTLSDR设备的接收模块；IShor t To Compl ex模块为数据转换模块，因为RTL2832模块输出的数据格式为i shor t格式，而hackr f输出的是compl ex格式，需要进行数据转换；Squar e3 f f为在gnur adio下新编译的信号处理模块，进行算法控制、协议制定等；Osmocom Sink模块为hackr f的发射模块，WX GUI FFT Sink为gnuradio下的GUI，对信号进行FFT变换，可以观察各个频率的频谱图。图中进行的是接收103.6M的调频广播，然后在439.1M频率上中转发射，在439.1M频率上能清楚听到广播的声音，系统测试成功。

3 结论

本文旨在通过软件无线电手段实现通信中继平台的建立，平台中RTLSDR负责信号的接收，hackr f负责发送，软件gnur adio负责信号的处理、算法的编程等，测试效果良好。

[1]Sriram S, Srivasta G, Gandhiraj R,et al.Plug-ins for GNU Radio Companion[J].International Journal of Computer Applications,2012,52(16):11-16.

[2]Sruthi M B,Abirami M, Manikkoth A,et al.Low cost digital transceiver design for Software Defined Radio using RTL-SDR[C]//Automation,Computing,Communication,Control and Compressed Sensing(iMac4s),2013 International Multi-Conference on.IEEE,2013:852-855.

[3]Heinaaro K.Cyber attacking tactical radio networks[C].Military Communications and Information Systems (ICMCIS),2015 International Conference on. IEEE, 2015:1-6.

[4]Fuxjäger P,Costantini A, Valerio D,et al.IEEE 802.11p Transmission Using GNURadio[J].International Journal on Computer Science & Engineering,2010,42(3):112-118.

[5]陈通海,李景春,郑娜,等.基于GNURadio和USRP2的未知信号检测[J].无线电工程,2012,42:16-19.

[6]Zhou W,Villemaud G,Risset T.Full duplex prototype of OFDM on GNURadio and USRPs[C].Radio and Wireless Symposium (RWS),2014 IEEE.IEEE,2014:217-219.