基于GNU Radio的单边带解调方式的研究

张　晓，孙运强，姚爱琴

(中北大学信息与通信工程学院，山西太原030051)



基于GNU Radio的单边带解调方式的研究

张晓，孙运强，姚爱琴

(中北大学信息与通信工程学院，山西太原030051)

摘要:通过GNU Radio软件平台和RTL-SDR硬件设备搭建软件无线电开发平台，对短波单边带解调算法进行仿真研究。介绍了GNU Radio平台及RTL-SDR的功能及结构，基于软件无线电的思想，利用其数字正交解调算法，在GRC平台上对短波频段单边带解调方法进行了仿真测试研究。测试结果表明了此解调算法的可行性，并且与模拟解调相比其实时性好，且平台搭建简单方便。

关键词:GNU Radio; RTL-SDR;软件无线电;单边带解调

0引言

在无线电通信领域中，单边带调制解调方式由于其频带利用率高以及功耗低等优点被广泛应用于各种通信设备中，对于单边带的解调方式，传统的单边带解调方式多采用相干解调法和包络检波法[1]，相干解调法对本地载波及滤波器有严格的要求，且技术要求高，设备复杂，多应用于模拟通信设备中;而随着微电子及数字信号处理技术的发展，软件无线电概念提出了正交调制解调方式，不同调制方式都可以采用这种其解调方式解调，对于单边带解调，这种调制方式在原理上和模拟相干解调相同，只是它主要在数字域中进行解调，并且可以用软件来实现这种解调功能。本文主要利用RTL-SDR硬件和GNU Radio软件对单边带数字相干解调方式进行了仿真测试研究。

1软硬件介绍

开源软件无线电( GNU Radio)是一个对学习、构建和部署软件定义无线电系统的免费软件工具包。它是一个模块化软件，提供信号运行和处理模块，只要知道相应的参数，了解所需无线发射系统的原理，便可快速构建无线电通信系统，并且它可以和软件无线电通信设备构成开发平台进行实时传输。和MATLAB的simulink相比，它的很多功能都已封装成模块，要用时只需调用相应的模块，这为建立通信系统节省了很多时间。Gnuradio的信号处理模块是由C + +编写的，连接各个模块的信号流发图是由python编写的。

RTL-SDR是由RTL2832U和R280T组成的，R280T作为调谐器(高频头)，主要由低噪声放大器( LAN)和混频器组成，其工作频率范围为25～1 750 MHz，RTL2832U作为A/D采样器，理论采样率最高为3．2 MHz，实际中测试采样率最高为2．56 MHz，输出两路I/Q的8 bit数字信号到PC。本文主要对短波单边带解调方式进行研究，而短波频段为2～30 MHz，显然对于很多短波信号没法接受到，因此需对其进行改造使它能接收到短波信号，具体改造方法可参考文献[3]。

改造后的模块如图1所示，主要是从短波天线接收到的信号经低通滤波器滤除噪音及干扰，输入混频器进行混频变为中频，在这里本振频率为40～100 MHz，然后经高通滤波器滤除各种低频成分干扰即各次谐波，最后经过三掷开关来选择是否介入短波( HF)频段，可以通过双色发光管来表示，若显示绿色则表示接通HF频段，若显示红色则表示接通UV频段，而后信号经由R280T变为中心频率3．8 MHz左右的中频信号，经RTL2832U的I通道采样，最后通过USB接口连接pc电脑。此外短波连接天线是需要匹配相应的专用天线，在此采用转换头进行连接。

图1 RTL-SDR内部构造模块图

2单边带解调算法

2．1软件无线电正交解调算法

软件无线电解调算法不像传统无线电，不同的解调方式由于不同的解调算法对应不同的硬件解调模块，其对于不同的解调方式都是用统一的硬件模块，只是在连接pc时采用不同的解调算法，这很符合软件无线电尽量用软件来代替更多的硬件功能的思想。

在此主要对基于正交调制的解调算法进行研究，任何已调信号都可以用如下公式表示:

式中，wc表示载波的角频率。

对式( 1)进行分解可得;

式( 2)中: xI( n) = A( n) cosφ( n)，

则式( 2)可以表示成:

式中，xI( n)为同相分量，xQ( n)为正交分量。

要对信号进行解调，其信号信息如载频同步、载波相位同步、码流频率同步、I/Q提取基带信号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调出相应的信号。

2．2 SSB解调算法

SSB信号在双边带的基础上又抑制了一个边带，双边带只是抑制了载波分量，因此其信号表达式可由式( 2)变为:

式中，“-”是上边带，“+”是下边带，m( n)为调制信号，m∧( n)是m( n)的Hilbert变换。

由式( 3)可得:

同相分量

正交分量

因此，对于单边带信号同相分量就是输出信号。

3基于GNU Radio的SSB解调方式仿真测试研究

3．1 GNU Radio + RTL-SDR开发平台的搭建

在Ubuntu14．04系统界面按Ctrl + Alt + T键打开终端，然后输入指令rtl_eeprom，可能会提示错误，再输入sudo modprobe -r dvb_usb_rtl28xxu指令，输入root权限密码，最后输入指令sudo gnuradio-companion，并按enter键。则会打开GRC窗口界面如图2所示。当然再输入这些指令前要安装RTL-SDR 的Ubuntu系统驱动包，并且保证不会丢包或者缺少依赖包。具体的安装方法可参考文献[7]。

3．2 ssb解调仿真测试研究及结果分析

根据第1小节介绍可知RTL-SDR输出的是两路8 bit的I/Q信号，在GRC窗口的右边是信号处理模块，拖出RTL-SDR源，它以复数的形式输出两路I/Q信号，其波形图和频谱图如图2所示。

由式( 6)可知，只需要知道信号的同相分量就可以进行相应的解调，由于RTL-SDR输出的是复数形式，而复数的实部和虚部分别对应的是同相和正交分量，因此只需要把复数变为实数，就可以得到相应的调制信号，complex to real模块实现了这一功能。

图2 RTL-SDR波形图及频谱图

在RTL-SDR信源模块中主要设置采样率sample rate为2．5 MHz，频道选择frequency为14．05 MHz，射频增益RF Gain为30 dB，中频增益IF Gain为20 dB，基带增益BB Gain为20 dB，而频率校正FIR滤波器模块相当于一个低通滤波器，在此模块中主要设置抽取率Decimation默认为1，因为数据速率并不高，所以不需要通过抽取来降低传输速率，采样率Sample Rate为2．4 MHz、中心频率Center Frequency为这3个参数，中心频率主要是将信号频率调整到中心处，带通滤波器模块主要设置抽取率Decimation为默认值1，增益Gain设为10，通带最低截止频率Low cutoff freq设为200 Hz，通带最高截止频率Hign cutoff freq设为2．8 kHz，Transition width传输带宽设为500，窗函数window选择Hamming; AGC2模块主要是维持输入基带信号电压的稳定，由于短波信号经过电离层反射及多径快衰落的影响，使接收到的信号很微弱，因此AGC环路是不可缺少的电路，在此采用模拟可变增益放大器( VGA)，通过软件来设置相关的参数，将合适的增益设置反馈给模拟可变增益放大器．此模块中Attack Rat设为0．1eDecay Rate设为50* 10-6，Reference设为0．8，Gain设为1;乘以常数模块中参数constant设为5。具体实现图及各个模块后的波形如图3和图4所示。

图3正交解调结构图

图4正交解调频谱图

3结束语

基于GNU Radio + RTL-SDR平台上对SSB的数字正交解调算法进行了仿真测试研究，为研究短波数字通信提供了一种简易的软件无线电开发平台。相比最通用的GNU Radio + USRP平台，其优点是容易入门，且成本很低，适用于GNU Radio初学者，只是其AD采样率和数据传输率较低，且分辨率不高。

参考文献

[1]杨小牛，楼才义，徐建良．软件无线电原理与应用．北京:电子工业出版社，2010．

[2]李红娟，胡圣波．基于USRP + GNU Radio的RFID平台的研究[J]．贵州师范大学学报:自然科学版，2013，31( 5) :87-90．

[3]林永春．RTL2832U电视棒改造[J]．电子制作，2014 ( 01) :34-36．

[4]王奇．基于GNU Radio的软件无线电平台研究[D]．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2011:34-36．

[5]栗欣，许希斌．软件无线电原理及应用[M]．北京:人民邮电出版社，2010．

[6]闫龙，王志海，祁兵．基于GNU Radio的230 MHz多通道主站电台的设计[J]．电力系统保护与控制，2010，38( 9) :100-104．

[7]Eric Blossom．Exploring GNU Radio: Tools for Exploring the RF spectrum[J]．inux Journal，2004，122:57-61．

[8]王向鸿，孙浩，关晓东．基于matlab单边带系统仿真[J]．现代电子技术，2013，36( 18) :27-28．

引用格式:刘欣然．老人跌倒监测定位装置的研究[J]．无线电通信技术，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

作者简介:张晓( 1990—)，女，硕士研究生，主要研究方向:电子与通信工程。孙运强( 1963—)，男，博士，主要研究方向:测试计量技术及仪器、通信与信息系统、信号与信息处理。

收稿日期:2015-09-18

中图分类号:U675．75

文献标识码:A

文章编号:1003-3114( 2016) 01-79-3