基于GNU Radio 的230 MHz 多通道主站電臺(tái)的設(shè)計(jì)

基于GNURadio的230MHz多通道主站電臺(tái)的設(shè)計(jì)0、引言230MHz無(wú)線電臺(tái)通信系統(tǒng)在電力負(fù)荷管理系統(tǒng)和用戶(hù)用電信息采集系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。然而，隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，在不同時(shí)期投入應(yīng)用的無(wú)線電臺(tái)，雖然基本結(jié)構(gòu)類(lèi)似，但調(diào)制方式、波形結(jié)構(gòu)、調(diào)制速率都有較大差別，不同的設(shè)備占用不同頻段單獨(dú)組網(wǎng)，獨(dú)立運(yùn)行，十分不利于系統(tǒng)的維護(hù)，而且，隨著對(duì)高速通信電臺(tái)設(shè)備需求的增加[1]，使得通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。為了解決上述問(wèn)題，本文基于GNURadio

系統(tǒng)提出了一種多信道、多傳輸速率、多調(diào)制方式的軟件無(wú)線電多通道主站電臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)在調(diào)制方式上與現(xiàn)有的無(wú)線電臺(tái)設(shè)備全面兼容，覆蓋整個(gè)電力系統(tǒng)230MHz

全雙工頻段，可以同時(shí)在多個(gè)頻點(diǎn)運(yùn)行，以不同的速率、調(diào)制方式進(jìn)行通信，很好地保證了現(xiàn)有業(yè)務(wù)的正常運(yùn)營(yíng)。此外，基于軟件無(wú)線電的系統(tǒng)具有極強(qiáng)的可配置性，為將來(lái)的業(yè)務(wù)拓展和設(shè)備升級(jí)提供了可靠保障，降低了系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)成本。1、230MHz

無(wú)線通信系統(tǒng)分析230MHz無(wú)線通信系統(tǒng)由主站電臺(tái)和從站電臺(tái)組成，主站采用全雙工電臺(tái)，從站采用半雙工電臺(tái)。無(wú)線電管理委員會(huì)將230MHz

頻段的15

對(duì)雙頻頻點(diǎn)分配給電力系統(tǒng)專(zhuān)用[2]，頻點(diǎn)分配如表1

所示。每個(gè)頻點(diǎn)帶寬為25kHz，相鄰頻點(diǎn)間隔為50～150kHz，15

個(gè)接收/發(fā)送頻點(diǎn)總帶寬約為2MHz，上下行頻率間隔為7MHz。目前電力行業(yè)中使用的大部分是模擬調(diào)頻電臺(tái)，電臺(tái)內(nèi)增加調(diào)制解調(diào)模塊后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。早期的低速電臺(tái)采用FSK，MSK

等調(diào)制方式，傳輸速率為600~2400bps；高速電臺(tái)采用GMSK

調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)9600bps

的信號(hào)收發(fā)。此外，部分地區(qū)運(yùn)行著230MHz

頻段的Mobitex

系統(tǒng)，它直接采用GMSK

調(diào)制，避免了第二級(jí)FM

調(diào)制對(duì)信道資源的浪費(fèi)，僅占用12.5kHz

的射頻帶寬，實(shí)現(xiàn)了8kbps數(shù)據(jù)傳輸。2、GNURadio

主站電臺(tái)總體設(shè)計(jì)GNURadio

系統(tǒng)是一種運(yùn)行于通用處理器（GPP）上的開(kāi)放的軟件無(wú)線電平臺(tái)，并配以USRP（UniversalSoftwareRadioPeripheral）作為硬件射頻前端。GNU（GNU’sNotUnix）是一個(gè)推進(jìn)軟件開(kāi)放源代碼的著名項(xiàng)目，由FSF（FreeSoftwareFoundation）提供支持。GNURadio

運(yùn)行于Linux操作系統(tǒng)，其軟件代碼和硬件設(shè)計(jì)完全公開(kāi)，其設(shè)計(jì)的核心思想是：基帶信號(hào)處理過(guò)程由通用處理器而不是DSP

實(shí)現(xiàn)；基帶信號(hào)通過(guò)USB2.0

接口與USRP

系統(tǒng)相連，由USRP

上的FPGA

實(shí)現(xiàn)數(shù)字上下變頻，然后通過(guò)AD/DA

芯片與射頻子板連接；覆蓋不同頻段的射頻子板將模擬信號(hào)變換到射頻進(jìn)行信號(hào)收發(fā)。本文設(shè)計(jì)的多通道主站電臺(tái)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1

所示，由基帶信號(hào)處理部分、USRP

主板、230MHz

射頻子板三個(gè)部分組成。(1)基帶信號(hào)處理部分基帶信號(hào)處理部分包括數(shù)據(jù)緩存、編解碼、調(diào)制解調(diào)等模塊。這部分的主要工作是基帶信號(hào)處理模塊和信號(hào)收發(fā)流圖（FlowGraph）的設(shè)計(jì)。此外，可使用WxPython

跨平臺(tái)GUI

工具庫(kù)編寫(xiě)人機(jī)交互界面，采用MySQL

作為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。(2)USRP

主板USRP主板實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的中頻處理，主要為數(shù)字上下變頻操作。板載FPGA

芯片采用了Altera

公司生產(chǎn)的Cyclone

系列芯片EP1C12Q240C8，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具為QuartusII7.2，各模塊邏輯采用Verilog語(yǔ)言描述。(3)230MHz

射頻子板目前

USRP

配套的全雙工子板沒(méi)有覆蓋到230MHz

頻段，本文根據(jù)USRP

主板與子板連接的接口說(shuō)明，設(shè)計(jì)了收發(fā)頻率覆蓋200～250MHz

的射頻子板。同時(shí)，由于子板輸出功率過(guò)小，發(fā)送信號(hào)需外接至大功率天線設(shè)備輸出。3、GNURadio

主站電臺(tái)基帶信號(hào)處理GNURadio

的基帶信號(hào)處理編程基于C++和Python

腳本語(yǔ)言的混合方式。C++執(zhí)行效率較高，用于編寫(xiě)各種底層信號(hào)處理模塊。Python

是一種新型的腳本語(yǔ)言，用來(lái)編寫(xiě)連接各個(gè)信號(hào)處理模塊的腳本，最終使之成為完整的信號(hào)收發(fā)流圖。3.1GNURadio

基帶信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)GNURadio

提供一個(gè)基帶信號(hào)處理的底層模塊庫(kù)，含有100

多種信號(hào)處理模塊，如：濾波器，F(xiàn)FT

變換、調(diào)制解調(diào)器、時(shí)頻同步模塊等[3]。本系統(tǒng)同時(shí)支持多種無(wú)線通信電臺(tái)，而不同電臺(tái)的調(diào)制方式、信號(hào)速率可以不相同。通過(guò)分析可知，電臺(tái)系統(tǒng)中基帶信號(hào)所用的數(shù)字調(diào)制方式如FSK、MSK、GMSK

等均屬于恒包絡(luò)調(diào)制方式，這些信號(hào)都可以通過(guò)FM

調(diào)制器輸出。下面以

GMSK

調(diào)制模塊為例簡(jiǎn)要說(shuō)明GNURadio

信號(hào)處理模塊的實(shí)現(xiàn)原理及實(shí)現(xiàn)方法。從

Python

的角度來(lái)講，GNURadio

提供了一種信號(hào)流圖的抽象，用戶(hù)可以方便地使用底層信號(hào)處理模塊連接各種通信模塊，最終組成完整的無(wú)線通信系統(tǒng)。首先從gnuradio

包中導(dǎo)入gr

和modulation_utils

模塊，并在__init__（）方法的參數(shù)中定義模塊中每符號(hào)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)、BT值和程序調(diào)試接口等。定義完這些參數(shù)之后，方法調(diào)用其父類(lèi)gr_hier_block2

的__init__（）方法設(shè)定該模塊的輸入輸出接口類(lèi)型，本模塊輸入為要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字節(jié)，輸出為GMSK

的調(diào)制波形。GMSK調(diào)制模塊由三個(gè)底層信號(hào)處理模塊構(gòu)成，分別是字節(jié)到NRZ

編碼變換器，高斯濾波器和FM

調(diào)制器（FM

調(diào)制器模塊需自行編寫(xiě)，系統(tǒng)提供的FM

調(diào)制器輸出為復(fù)采樣信號(hào)，本調(diào)制器輸出為實(shí)采樣信號(hào)）。配置好這些模塊之后，調(diào)用connect函數(shù)將這些模塊連接，就形成了新的GMSK

調(diào)制模塊。其結(jié)構(gòu)圖如圖2

所示。其他調(diào)制方式如FSK、MSK

調(diào)制模塊與之十分類(lèi)似，不再贅述。通過(guò)

Python

語(yǔ)言構(gòu)造信號(hào)處理模塊非常靈活，大幅提高了代碼的復(fù)用度。但由于底層模塊庫(kù)并不完備，在執(zhí)行某些數(shù)據(jù)處理時(shí)還需采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的底層模塊，如糾錯(cuò)編碼、多相濾波發(fā)送、多相濾波接收等，編寫(xiě)底層模塊的具體方法可參考文獻(xiàn)[4]。3.2基帶信號(hào)收發(fā)流圖設(shè)計(jì)本系統(tǒng)同時(shí)覆蓋了230MHz

頻段的15

個(gè)雙工頻點(diǎn)，如果將這15

個(gè)支路的信號(hào)分別通過(guò)獨(dú)立的載波調(diào)制解調(diào)，系統(tǒng)將過(guò)于復(fù)雜。因此，本文采用了信道化收發(fā)機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即一部收發(fā)機(jī)同時(shí)處理信道帶寬內(nèi)所有信道上的信號(hào)。圖

3

是主站電臺(tái)信道化發(fā)射機(jī)基本調(diào)制原理框圖?；鶐盘?hào)的處理分為了兩部分工作：第一步是由N

個(gè)單通道基頻發(fā)射機(jī)產(chǎn)生N

個(gè)基帶數(shù)字信號(hào)。對(duì)于普通數(shù)傳電臺(tái)，首先根據(jù)不同的基帶調(diào)制方式（FSK、MSK、GMSK

等）輸出基帶信號(hào)，再由FM

基帶正交調(diào)制器進(jìn)行復(fù)合調(diào)制，調(diào)制完成后的基帶信號(hào)數(shù)字譜帶寬為25kHz。對(duì)于Mobitex

電臺(tái)，直接輸出速率為8kbps

的GMSK

基帶正交信號(hào)，數(shù)字譜帶寬為12.5kHz。第二步將調(diào)制完成的各路基帶信號(hào)進(jìn)行插值濾波，并分別根據(jù)各路占用的不同頻點(diǎn)，用移頻因子ejωkt

搬移到虛頻點(diǎn)ωk（即射頻頻點(diǎn)相差230MHz的基帶頻點(diǎn)）處，最后將所有支路上的信號(hào)整合，得到覆蓋0～2MHz

的整合基帶信號(hào)，其頻譜結(jié)構(gòu)如圖4

所示。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本文采用了基于多相結(jié)構(gòu)的信道化發(fā)射機(jī)模型以提高計(jì)算效率和實(shí)時(shí)處理能力，實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[5]。合路器輸出的整合基帶信號(hào)的復(fù)采樣頻率為6MHz，精度為8bit，這樣每個(gè)復(fù)采樣點(diǎn)占據(jù)2

個(gè)字節(jié)，通過(guò)USB2.0

接口傳輸?shù)経SRP，雙向收發(fā)占用的USB

帶寬為24MByte/s。在USRP

中，基帶信號(hào)再通過(guò)插值和濾波變換為固定速率的中頻信號(hào)并送到D/A

轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，最后在射頻子板轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)發(fā)射。4、USRP

主板FPGA

配置USRP主板上可支持兩路信號(hào)并行收發(fā)，結(jié)構(gòu)框圖如圖5

所示，本文中只使用其中一路。FPGA芯片處于USRP

主板中的核心位置，內(nèi)部邏輯通過(guò)Verilog

語(yǔ)言描述。它的主要功能是將ADC

采來(lái)的中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻（DDC），并將基帶信號(hào)進(jìn)行插值濾波、速率匹配、輸出到DAC

進(jìn)行數(shù)字上變頻（DUC），同時(shí)還要控制子板信號(hào)收發(fā)，適配各路ADC，DAC

與PC

機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。USRP提供了標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的Verilog

代碼供用戶(hù)使用，但需要針對(duì)不同的信號(hào)帶寬，信號(hào)精度和外插子板情況對(duì)Verilog

文件進(jìn)行改寫(xiě)并重新編譯后，下載到FPGA

中運(yùn)行。本系統(tǒng)中，AD采樣輸出的數(shù)據(jù)為兩路12bits、64MSample/s的正交中頻信號(hào)，F(xiàn)PGA要首先對(duì)其中有用的信號(hào)進(jìn)行下變頻。數(shù)字下變頻的第一步是對(duì)信號(hào)進(jìn)行混頻，這部分主要由乘法器和DCO組成。USRP采用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算（CORDIC）算法生成正弦和余弦信號(hào)[6]，與常規(guī)的查表法不同，CORDIC算法不占用存儲(chǔ)器空間，僅使用移位寄存器和加法器就可產(chǎn)生正余弦信號(hào)，具有很好的NCO的精度。數(shù)字下變頻的第二個(gè)環(huán)節(jié)是對(duì)混頻后的信號(hào)進(jìn)行抽取濾波，以便降低軟件解調(diào)的計(jì)算復(fù)雜度。USRP使用了由一個(gè)4級(jí)CIC抽取濾波器和一個(gè)31階半帶濾波器組成的混合濾波器結(jié)構(gòu)。CIC濾波器為整系數(shù)濾波器，濾波時(shí)無(wú)需乘法運(yùn)算，而半帶濾波器有一半系數(shù)為零，這樣在濾波時(shí)大大減少了計(jì)算量[7]。濾波的同時(shí)，在CIC濾波器實(shí)現(xiàn)了4倍的數(shù)據(jù)抽取，在半帶濾波器實(shí)現(xiàn)了2倍的數(shù)據(jù)抽取，這樣就得到了帶寬為2MHz的兩路8bits，8MSample/s的正交基帶信號(hào)。對(duì)于發(fā)送信號(hào)，F(xiàn)PGA將USB傳輸?shù)牡退俾驶鶐盘?hào)進(jìn)行插值并濾波，變換為32MSample/s的采樣信號(hào)并輸出到DAC單元的數(shù)字上變頻模塊中，最終以?xún)陕?4bits，128MSample/s的速度轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。5、230MHz

射頻子板的實(shí)現(xiàn)USRP的子板有很多種規(guī)格，分別針對(duì)了基帶信號(hào)處理、廣播電視接收、移動(dòng)通信信號(hào)處理等領(lǐng)域。但由于在230MHz

頻段沒(méi)有可用的全雙工子卡，本文根據(jù)USRP

與子卡的接口說(shuō)明，設(shè)計(jì)了針對(duì)230MHz

頻段應(yīng)用的全雙工子卡，實(shí)現(xiàn)信號(hào)收發(fā)。其硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖6

所示。230MHz

子板采用AD8345

和AD8348

分別作為調(diào)制器和解調(diào)器。AD8345

是ANALOGDEVICES公司推出的正交調(diào)制器，其工作頻率為140～1000MHz，在數(shù)字通信系統(tǒng)中可用作中頻調(diào)制器或直接上變頻器。AD8348

是ANALOGDEVICES

公司推出的正交解調(diào)器，其工作頻率為50～1000MHz，解調(diào)帶寬75MHz，內(nèi)部集成中頻可變?cè)鲆娣糯笃鳌D8345和AD8348

輸入的本振頻率是兩塊ADF4360-7

鎖相環(huán)輸出的，本振頻率分別為460MHz和446MHz。460MHz

的信號(hào)在ADF4360-7

內(nèi)部二分頻輸出至AD8345，446MHz

信號(hào)在AD8348

內(nèi)部進(jìn)行二分頻。芯片內(nèi)部VCO

的中心頻率設(shè)為460MHz，這個(gè)中心振蕩頻率值是由外部電感設(shè)置的，它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：通過(guò)計(jì)算可得，外部電感的值為3.84nH。子板系統(tǒng)中晶振輸出的參考頻率為10MHz，通過(guò)SPI總線控制配置ADF4360中的14

位R

計(jì)數(shù)器值為200，再配置N

計(jì)數(shù)器數(shù)值，就可以以50kHz

的步長(zhǎng)，覆蓋420~500MHz

的頻率范圍。此外，由于USRP

的板載電源功率過(guò)小，子板的天線接口只能提供了100MW

的功率輸出，而一般的230MHz

主站電臺(tái)的功率為15W

左右，因此，還需要在另外加裝高增益的外接天線。6

結(jié)束語(yǔ)本文提出了一種基于GNURadio

的多速率、多種調(diào)制方式、多信道的軟件無(wú)線電主站電臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)基于通用硬件平臺(tái)，成本較低，既充分的利用了現(xiàn)有的無(wú)線電臺(tái)資源，實(shí)現(xiàn)多種電臺(tái)的全面兼容，又為將來(lái)的業(yè)務(wù)拓展和設(shè)備升級(jí)提供了保證。該系統(tǒng)使用純軟件的信號(hào)處理具有很大的靈活性，采用高級(jí)語(yǔ)言（C/C++、Python）進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，擴(kuò)展性和可移植性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)周期短，并且隨著CPU

處理能力的不斷提高以及軟件技術(shù)的進(jìn)步，系統(tǒng)性能還有進(jìn)一步提升的空間。參考文獻(xiàn)[1]周立巖，孫毅，馮小安.

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