基于HackRF的文本文件收发系统实现

李 苗，付宝君，熊 睿，徐 芸，李志豪

（哈尔滨师范大学 计算机科学与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

0 引 言

随着数字信息传输技术在互联网时代的深入与飞速发展，数字信号的传输与处理变得尤为重要。传统的无线通信系统在传输速率与传输成本方面面临着极大挑战。

软件无线电技术对传统无线通信系统进行了兼容继承和属性拓展，以灵活性和开放性作为其主要输出特性，通过改变通信频率和通信接口协议等，实现无线电对信号的发送和接收。

作为当今无线通信领域的新技术，软件无线电引起了国内外越来越多的关注。

国际上，美国作为第一个进行软件无线电技术研究的国家，成立了MMITS国际论坛，推动软件无线电的研究以及产业化发展，处于当今世界军用软件无线电网络通信技术和应用领域的前沿。为了推广软件无线电技术在无线通信技术领域的应用，微软研究院软件无线电项目Sora通过在软硬件平台上的创新，使其完成了在PC上的高性能无线信号处理。

国内，TD-SCDMA是我国科研工作者利用软件无线电技术设计完成的第三代国际数字移动通信系统方案。继美国爱立信和摩托罗拉手机公司后，华为等通信技术公司研制出基于软件无线电架构的4G/LTE通信基站，为无线通信技术的发展做出了重要贡献。2015年，联芯发布的SoC智能手机芯片平台使SDR技术应用于红米2A，软件无线电在手机上的成功应用意味着无线电新时代的到来。通信产品的迭代周期逐渐缩短，4G通信技术已被广泛商用，5G时代悄然而至。传统的硬件定义无线电技术已无法满足通信产品的需求，物联网以及5G时代的来临将会带给软件无线电新的发展空间。

本文设计了基于GNU Radio和HackRF的软件无线电收发系统，阐述了GNU Radio的编程语言环境和HackRF的基本功能及主要软件构成，在建立基于GMSK调制解调器仿真系统的计算机实验模拟的基础上，以GNU Radio+HackRF为模型，进一步研究设计并成功实现了文本文件的无线传输，从而实现了以数字信号处理技术为基础的软件无线电平台的无线通信。

1 软硬件平台介绍

1.1 GNU Radio平台介绍

GNU Radio是由Eric Blossom发起的、开源的且基于Linux系统的软件无线电项目，主要由不同功能的封装模块组成。

作为核心功能之一的信号处理模块主要使用实时数据处理效率较高的C++语言，模块之间的连接由解释型脚本语言Python完成。GNU Radio采用软件编程的方式定义无线电波的发射与接收，实现了最小程度上的硬件结合。GNU Radio平台提供信源模块、调制解调模块、图形调试模块等，用户在开发时可以通过调用已有信号处理模块或编写自定义模块构建灵活高效的应用环境。GNU Radio安装完成后，在终端命令行键入GNU Radio-companion，通过模块选择及连接，运行后形成相应的.grc文件和.py文件。

1.2 软件无线电介绍

HackRF是由美国工程师Michael Ossmann发起的开源软件无线电外设。通过其无线电接口与电脑端接口相连进行信息传输，GNU Radio软件通过编程实现对无线通信的控制。HackRF One实物如图1所示。

图1 HackRF One实物

信号进入接收端后，射频信号选通部件决定是否由14 dB的放大器将信号进行放大，镜像抑制滤波器对信号进行低通或高通滤波，信号经过宽频合成器混频到2.6 GHz固定中频[1]，通过射频收发器混频到模拟基带信号，并以差分信号形式输出，将输出基带信号数字化后传送到CPLD和单片机，最后由处理器将采样数据送入PC端处理。工作流程如图2所示。

图2 工作流程

2 系统设计

GNU Radio具备多种调制方式，本文采用GMSK（高斯频移键控）的调制方式进行文本文件的无线发送与接收，其设计方案如下。

发送端：生成文本文件；构建GRC流程，选择GMSK调制方式。

接收端：构建GRC流程，选择GMSK解调方式；将接收的数据保存成文本文件。

系统示意图如图3所示。

图3 系统示意图

3 调制解调方案研究

通信系统中调制与解调技术的实施效果直接关系到通信调制系统的质量和性能。已经普遍存在的恒包络通信调制系统技术虽然可以很好地达到非线性恒包络对信道的传输要求，但由于仍存在相位突变问题，导致恒包络频谱的扩展对相邻信道传输造成了干扰。因此，寻找恒包络连续相位的调制技术具有重要意义。MSK和GMSK频谱是恒包络连续相位频谱调制技术的典型代表，具有恒包络、连续相位、频谱尽可能集中在主瓣、旁瓣滚降衰减快的特点[2]。

3.1 MSK调制

MSK是恒包络连续相位频率调制，信号表示式为[3]：

MSK调制框图如图4所示。

图4 MSK调制框图

3.2 MSK解调

MSK信号的解调可以采用相干解调或非相干解调。由于MSK调制指数较小，在对误码率要求较高时多采用相干解调[6]。

相干解调框图如图5所示。

图5 MSK解调框图

3.3 GMSK调制解调原理

GMSK调制流程如图6所示。

图6 GMSK调制流程

GMSK在MSK调制前将矩阵信号脉冲通过一个高斯型低通滤波器，其处理过程如下。

高斯型低通滤波器的传递函数为[8]：

将上式作逆傅里叶变换得此滤波器的冲击响应为[9]：

4 软件无线电下无线收发系统设计

4.1 发送端

发送端流程如图7所示。

图7 发送端流程

模块流程解读：

如图4所示为GIS设备气体泄漏检测报警装置电路连接结构示意图。其中，太阳能电池板可以在日照情况允许时将太阳能转换为电能，并将其储存在蓄电池中；蓄电池作为整套气体泄漏检测报警装置的电源，分别连接至气体传感器和信息处理系统；信息处理系统包含一个单片机，一个A/D转换器，一个信息分析器和一个报警系统，单片机控制抽气泵工作，并将气体传感器采集到的信息传递给A/D转换器，A/D转换器将转换后的数字信号发送至信息分析器，信息分析器对其进行处理判断后，显示在显示屏上；如果测量结果超过设定阈值则触发报警系统，此时报警系统控制的蜂鸣器和警示灯开始工作，提醒工作人员进行检修。

（1）File Source模块读取文件；

（2）Packet Encoder为信源编码模块，将模拟数据转化为数字数据；

（3）GMSK Mod为信道编码模块，将数字数据转化为适合在信道上传输的数字信号，具有抵抗差错的能力；

（4）通过Osmocom Sink模块发送信号。

4.2 接收端

接收端流程如图8所示。

图8 接收端流程

模块流程解读：

（1）通过RTL-SDR模块接收信号，以与发送频率相同的频率接收；

（3）Packet Decoder模块为信源译码，将数字数据转换成模拟数据；

（4）File Sink模块将模拟数据写入文件。

4.3 实验分析

本次实验结果采用Windows系统终端发送，Linux系统终端接收的方式。以发射终端为起点辐射空间内5 m范围，均可实现典型顺序流式文件的无线传输数据，传输误码率大幅下降，符合系统设计要求。

若收发端均采用Windows系统终端，试验结果显示个别有效字符信息传输错误。此外，若将实验置于高斯噪声信号较强的干扰频段下，数据传输误码率显著上升。因此，收发系统空间地理环境、通信空间直线长度、干扰信号强度等均会对典型顺序流式文件的正确传输产生影响。发送文本如图9所示，接收文本如图10所示。

图9 发送文本

图10 接收文本

5 结 语

本文通过GNU Radio与HackRF构建的软件无线电平台实现了典型顺序流式文件在信道中的无线收发，验证了GMSK调制解调技术的可行性。

GNU Radio的开放性和模块化特点有助于使用者建立信号处理流程，HackRF具有半双工收发能力，二者所构建的通信系统性价比较高。通过对其进行深入探究，可以将其应用于雷达的设计研制中，以降低雷达信号处理对硬件的依赖。因此，软件无线电在未来的通信技术领域及军事技术领域将继续发挥明显的优势，应用市场和应用前景广阔。