基于HackRF的TDMA通信系统设计

（陆军工程大学通信工程学院，南京 210007）

1 引言

近几十年来，卫星移动通信经历了几个阶段的发展，在几年的短暂沉寂之后，又由马斯克的SpaceX计划重新引起了大众的关注。与地面移动通信有诸多不同，卫星成本高昂、资源宝贵、功率受限、时延大等特殊性，决定了它在技术上必须要采取一些方式来节约资源和保证传输质量。时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技术就是这样一种广泛应用于卫星通信当中的技术。

在卫星移动通信中使用TDMA通信方式，能够充分发挥无线通信多址连接的特长。使用一个调制解调器就可以与多个站点同时通信，高效利用了卫星有效载荷，可以使转发器工作在饱和状态（线性区），而多个站共用一个转发器也有效避免了通信电路之间的干扰。系统容量大，卫星功率利用率高，同时信号传输质量也得到了提高。但是，这要求各地球站之间、地球站和卫星之间都做到严格的时间同步，才能达到所有用户实现共享卫星资源的目的。

本文选择了一种成本低、易入门的硬件平台HackRF，以GNU Radio软件无线电平台作为开发工具实现了一个采用TDMA技术的通信收发系统，并实验证明了其可靠性。

2 软硬件平台

GNU Radio是一款开源软件无线电开发平台，旨在给普通的学习研究人员提供探索电磁波的机会，鼓励他们在这一领域的创新与研究。GNU Radio基于Linux操作系统，其应用主要是由Python语言编写，但核心信号处理模块由C++构建[2]。C++具有较高的执行效率，用于编写各种信号处理模块，如信号发生器、滤波器、调制解调器等。而对于面向对象的Python语言，它的语法简单，对用户十分友好，被用来编写连接各个模块的脚本。

HackRF是软件无线电外部设备，主要作用为信号的发射、处理与接收，其硬件架构与工作流程如图1所示。当用于信号接收时，天线接收信号进入射频电路，作下变频转换为中频信号，再将中频信号二次下变频为模拟基带信号，然后将模拟基带信号经过采样转换为数字基带信号，最后将数据传送到PC端进行处理。相反流程即为信号发送的过程。

图1 HackRF硬件架构

3 TDMA通信系统

3.1 QPSK调制与解调

正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）是目前卫星通信领域最常用的一种数字信号调制方式，它的频谱利用率高，抗干扰能力强，同时在电路上的实现也较为简单，能够适应星上功率受限、有效载荷不宜过于复杂的外部条件。

QPSK调制技术中，规定了四种载波相位：45°，135°，225°和315°，利用四种相位差来表示输入的信息。二进制数字序列输入到调制器后，需要转换为四进制数据来和四进制的载波相位相匹配。于是，将数字序列中每2bits分为一组，则共有四种组合（00，01，10，11）。其中，每一组由两位二进制信息比特组成，分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输两个信息比特，映射为载波的四种相位来传递。而在接收端，解调器根据载波相位星座图来判断发送端发送的信息比特。QPSK信号的星座图如图2所示。

图2 QPSK信号星座图

由于QPSK信号可以看作是两路正交2PSK信号的合成，所以可以用两路正交的相干载波来解调。将输入信号分成两路，同相支路（I）和正交支路（Q），分别乘以正交相干载波，则能够解调出I路和Q路的基带信号，通过抽样判决器，最后经过并/串变换后即可输出原始的数字信息。

3.2 TDMA技术概述

TDMA是通信技术中的基本多址方式之一，它的基本思想是把时间分成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙分配给各基站。若满足了时钟同步的条件，则各基站可以分别在各时隙内收发信息而互相不干扰。同时，基站发送给多个用户的信号都按顺序安排在规定的时隙中传输，各用户只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发送给它的信号分离并接收下来。在TDMA中，以区别不同时隙的方法来区分不同的用户。用户请求服务的数据传输速率取决于时隙分割的长度，时隙越长，传输速率则会降低。

在卫星通信系统中，卫星供电主要依靠太阳能电池板以及星载蓄电池。当卫星运行到无法采集到太阳能的位置，就需要靠蓄电池供电，而这种供电能力是大大受限的。于是，星上的功率资源相当宝贵，有效载荷数量有限、耗能要低。在使用TDMA技术的卫星通信系统中，每一个分帧时隙只允许一个地球站发送的载波通过卫星转发器，有效避免了频分复用带来的互调干扰，也最大效能的利用了卫星转发器的带宽和功率。在实际应用中，TDMA技术的优势可以使系统在单一平台上支持多种业务，如数据、话音、图像、视频等，是一种可靠而又经济的方案，同时这样灵活的结构使用户可以在各网络节点根据实际业务来设置需要的接口。

4 软件设计与实现

本文基于ubuntu系统中的GNU Radio平台开发，选择使用平台中可视化、易操作的信号处理模块直接搭建系统流图，并搭载HackRF硬件平台运行。

图3 用户1发送文本

图4 用户2发送文本

4.1 发送端流程设计

本文设置两个发送用户来体现TDMA的实现，用户1和用户2发送的文本由图3和图4给出。在设计过程中，考虑到利用GNU Radio平台现有模块以及简化模型的思想，采用了等间隔划分时隙的方法，并以每30位符号的长度作为一个时隙的长度，交替分配给用户1和用户2来使用。

由于硬件设备的限制，难以做到精准的时间同步与定时，所以本系统的同步采用设置与提取同步位的方式来实现。在发送端，在每个时隙的起始部位加入（0，0，0，0，0，19，20，30，20，19）作为同步标志位，合路信号经过QPSK调制之后发送出去，频率设为400MHz。发送端整体框图如图5所示。

图5 发送端设计框图

4.2 接收端流程设计

在接收端，接收频率设为400MHz。先对接收到的信号作QPSK解调（如图7上半部分），而后对TDMA作解复用（如图7下半部分）。本文采用了一系列逻辑模块的组合来输出取样脉冲，从而实现同步标志位的提取。取样脉冲波形如图6所示。

图6 取样脉冲时域波形

由于本文采用的是等间隔划分时隙，用户1和用户2交替分配的方式，所以提取同步标志位之后便能够按时隙长度很容易地将用户1和用户2发送的数据接收下来。用户接收文本如图8和图9所示。

图7 接收端设计框图

图8 用户1接收文本

图9 用户2接收文本

5 结束语

卫星移动通信系统不同于地面通信系统的特殊性，决定了使用TDMA技术能够更加高效经济。本文通过学习研究QPSK和TDMA的基本原理，基于GNU Radio和HackRF硬件平台搭建了一个使用QPSK调制解调的TDMA通信系统，实现了文本的正确传输与良好接收。但本实验只是利用简化的思想完成了原理论证，并未加入信道噪声等误差，实验时通信双方距离很近，这也是接收端能够完全恢复并分离出两用户发送文本的原因之一。在后续的研究中可以考虑如何增加系统鲁棒性，加入一些干扰项来研究如何减小系统误差等。本文提供了一个良好的思路，结合GNU Radio的开放性与HackRF硬件平台的成本优势，能够在此基础上开展更深入的研究，实现更完善灵活的系统。