基于OFDM原理的SDR干扰信号研究

安 明，竺小松

(国防科技大学，安徽 合肥 230037)

0 引 言

随着电子信息技术在各个领域的广泛应用与快速发展，电子信息领域的对抗愈加激烈，传统电子对抗面临更多挑战。在复杂电磁环境条件下，信号频率范围更宽，通信样式更为复杂，通信手段更为灵活[1]；而传统噪声干扰主要是以单载波调制为主，例如包括噪声调幅干扰、噪声调频干扰、噪声调相干扰等，通常功耗大，效率低，灵活性差，频率稳定度差，影响干扰效果。因此，具有宽带、多目标干扰的灵活便捷干扰成为研究的热点[2]。

本文通过采用正交频分复用调制，根据目标信号的频谱特征对干扰信号的频带进行控制，产生具有相应功率谱的干扰信号，实现多目标干扰；同时，基于GNU Radio软件无线电平台开发信号处理模块及噪声干扰系统，结合通用硬件外设，替代传统硬件电路的信号处理部分，提高了系统的通用性和灵活性。

1 GNU Radio软件无线电平台

软件无线电(SDR)是一种多频段无线电，由天线、射频前端、模数/数模转换模块等构成，可以满足多种不同的空中接口和协议，具有灵活性和开放性[3]。软件无线电通过软件与硬件相结合的方式，实现根据不同用户需求、通信协议甚至某个算法来对通用硬件平台和搭载的开源软件进行相应的编程配置，从而实现相应的功能[4]。软件无线电提供了能够满足多模式、多频段、多功能的无线通信解决方案[5]，用软件编程对通用硬件平台的可重新配置实现传统硬件电路的功能，所以软件无线电开发不只是电路设计，更多地是对搭载到通用硬件平台的软件开发与设计，从而降低对硬件资源的依赖，具有灵活性。同时，软件无线电支持模块化设计，通过对搭载的开源软件包提供信号处理模块进行不同组合配置，能够实现不同无线电业务需求(包括频段、调制方式等等)，具有开放性[6]。

软件无线电系统主要包括3个部分：基于天线、收发子板等的射频前端模块、数模/模数(AD/DA)转换模块以及基于通用处理器的数字信号处理模块(DSP)，如图1所示。其中，射频前端模块主要用来完成射频信号的接收与发送；AD/DA转换模块作为联系模拟信号与数字信号的纽带，用来连接射频前端模块和数字信号处理模块；最后是DSP模块，主要用于实现基带信号的调制/解调以及编码/解码等等。

图1 GNU Radio软件无线电架构

GNU Radio是常见软件无线电平台之一，是由麻省理工学院(MIT)开发的一个开源软件开发工具包，能够提供丰富的信号处理模块，使用通用软件无线电外围设备(USRP)，基于射频硬件及通用处理器开发相应功能[7]。它既能应用于创建软件无线电平台，也可以用于仿真环境中。GNU Radio支持多种多样的信号处理，利用不同信号处理模块的组合创建应用程序并通过硬件设备发送或接收数据，实现不同的信号处理功能。GNU Radio具有丰富的元件库，同时它也能支持这些元件相互连接，将数据从一个模块传递到另一个模块，支持流图式设计，从而有利于软件部分开发。如果需要特定功能的模块，也支持扩展GNU Radio元件库，创建并添加所需功能的模块。GNU Radio应用程序主要使用Python编程语言编写，一些复杂的信号处理也可以使用C ++语言来实现。基于以上特点，GNU Radio软件无线电平台得到广泛应用。

2 基于正交频分复用(OFDM)的噪声干扰系统

2.1 OFDM基本原理

(1)

图2 多载波调制原理

通常采用离散傅里叶变换来实现OFDM调制，设Xk(k=0,2,…,N-1)表示待传输信号，经过逆向傅里叶变换后则得到信号序列xn，其中xn与Xk满足：

(2)

因此，OFDM调制可采用离散傅里叶逆变换(IDFT)实现，将待发送数据Xk分别映射到对应的子载波作为频域数据，经过IDFT运算后即得到时域信号xn。在应用过程中，也可以采用IFFT运算来实现，从而有效降低算法复杂度。

OFDM子载波间是相互正交的，一个OFDM符号的周期是每个子载波周期的整数倍，且相邻子载波之间相差1个周期，即：

(3)

所以，在每个子载波上可以根据不同背景环境对子信道采用相应的调制方式或控制[9]。利用这一特点，可在侦察目标的频谱特征后，通过对干扰信号子信道的幅度控制，产生相应频带范围和功率的干扰信号，从而灵活控制干扰信号功率谱。

2.2 基于GNU Radio的噪声干扰设计

噪声干扰信号产生原理如图3所示，首先根据频谱感知侦察周围电磁环境信息，并根据侦察得到的情报选择噪声序列，在串并转换后通过频谱干扰控制模块设置产生对应的干扰信号频谱控制参数，在经过快速傅里叶逆变换(IFFT)模块以及并串转换后即得到具有特定频谱的时域干扰信号。

图3 噪声干扰系统原理

首先，进行系统控制部分设计。系统控制主要分4个部分：系统参数配置、噪声类型选择、干扰信号配置类型、噪声序列及干扰频谱显示。首先是系统参数配置，可设置子载波个数，选择干扰信号配置类型以及USRP终端射频中心频率；其次是噪声序列类型选择，包括均匀噪声、高斯噪声以及混沌噪声；第三部分是干扰信号配置类型，包括音频干扰以及部分频带干扰(多音干扰即使用单个或多个正弦波的干扰信号，当使用单个正弦波时即为单音干扰，相对地使用多个正弦波时则为多音干扰。在音频干扰模式下，可根据目标信号频谱特征选择相应的一个或多个相应的子信道映射噪声序列，从而产生相应的干扰信号；部分频带干扰将频带划分为一个或多个子频带，从而使得干扰能量更为集中，提高干扰效果，在部分频带干扰模式下，可分别设置多个具有不同带宽的干扰频带)；最后是显示部分，实时显示当前输出的时域噪声干扰信号及其频谱，从而可根据目标信号的频谱特征对干扰信号作相应调整。

根据系统设计，在GNU Radio开发平台中开发噪声干扰信号产生系统。系统信号处理模块的基带信号处理在GNU Radio软件平台完成，主要包括3个方面，即流图、信号处理模块以及作为流图与信号处理模块间接口的SWIG(Simplified Wrapper and Interface Generator)。GNU Radio软件平台主要基于Python语言和C++语言编程实现，其中C++编程执行效率较高，主要用于底层的GNU Radio信号处理模块；Python编程更为简单且具有面向对象的特点，用于信号处理模块相互组合连接，得到不同基带信号处理功能的应用设计。由于信号处理模块采用C++语言编程，而流图采用Python语言来连接信号处理模块，因此需要接口(SWIG)实现Python和C++之间的转换。GNU Radio软件平台包含丰富的信号处理模块库，因此可以通过直接调用这些模块并连接得到流图，最后作为应用程序运行，实现相应的信号处理功能，这样一定程度上避免了直接底层C++编程细节，提高了开发效率。

基于GNU Radio平台开发混沌噪声产生模块，并安装到GNU Radio信号处理库。混沌现象介于确定与随机关系之间，是客观存在的一种重要的形式，看似没有规则的非周期的运动现象，但对初始条件很敏感，微小的变化也会产生无法确定的结果，具有很强的复杂性和奇异性，因而相对其他伪随机序列得到了更多关注[10-11]。本文采用Logistic混沌模型产生混沌序列，其方程为xn+1=μ·xn·(1-xn)，取初值x0为0.22，μ取值为4。第1步，在Linux系统下，利用gr_modtoolnewmod命令生成新的模块gr-mymodle，在新生成的模块gr-mymodle中用gr_modtool add -t sync -l python 命令生成新的信号处理模块(block)，-t source选择其类型为source，-l python编程语言为Python，并设置模块属性(初始值，模块名等)；第2步，在新建模块中用Python编程，通过Logistic混沌模型产生混沌序列，由outputitems[0]端口输出；第3步，修改xml文件，设置模块输出以及参量属性，执行“make install”命令安装模块。

最后，基于GNU Radio平台实现干扰系统。采用随机序列模块Random Source及混沌噪声模块作为信源输入，经过子载波映射模块(OFDM Carrier Allocator)分配到各子载波，并通过信道控制模块来控制子信道，产生不同带宽的干扰信号频谱，然后通过快速傅里叶变换(FFT)模块进行IFFT运算(这里FFT模块的Forward/Reverse设置为Reverse，实现IFFT功能)，同时增加QT模块来显示输入的噪声序列以及输出干扰信号的频谱，最后通过USRP Sink模块由硬件平台进行输出，系统界面如图4所示。

图4 噪声干扰系统控制界面

3 系统测试

将PC端通过网线与硬件前端USRP连接，从而将GNU Radio平台产生的基带噪声干扰传输到USRP；同时将USRP输出端与频谱分析仪连接，通过频谱分析仪观察USRP输出的噪声干扰信号频谱，如图5所示。运行噪声干扰系统顶层模块，选择不同的频谱控制参数配置类型并观察相应的噪声干扰信号频谱。

图5 系统演示

首先，选择噪声干扰信号配置类型为部分频带干扰，FFT长度为64，硬件前端USRP中心频率为850 MHz，设置信号采样率为10 MHz，则相邻子载波频率间隔为0.156 MHz，选择2个子频带对应的子载波编号分别为20～40，53～55，则对应的频带宽度分别为3.276 MHz和0.468 MHz，如图6所示。图7为通过频谱分析仪测得的部分频带噪声干扰信号频谱。

图6 部分频带干扰

图7 部分频带干扰测试

选择噪声干扰信号配置类型为音频干扰，FFT长度为64，硬件前端USRP中心频率为850 MHz，信号采样率为10 MHz，选择子载波编号分别为27，33，40和50，则对应的频率分别为849.062 MHz，850.00 MHz，851.094 MHz，852.656 MHz，如图8所示。图9为通过频谱分析仪测得的音频噪声干扰信号频谱。

图8 多音干扰

图9 多音干扰测试

通过测试，基于OFDM的GNU Radio噪声干扰信号产生系统可通过配置频谱控制参数选择相应的子载波，实现对噪声干扰信号频谱的灵活控制，能够产生具有不同带宽的部分频带噪声干扰信号以及多音干扰信号。

4 结束语

本文应用OFDM调制方式基于GNU Radio平台开发了噪声干扰信号产生系统，OFDM具有频谱控制灵活的优势，可根据目标信号的频谱特征产生具有不同带宽的干扰信号，从而实现对干扰信号功率谱的灵活控制。最后，基于GNU Radio软件无线电平台结合USRP开发了噪声干扰信号产生系统，较传统信号产生方式更为灵活高效，节省了硬件资源，提高了系统的适应性。