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基于GNU Radio的窄带卫星收发信机研究与实现 基于通用处理器的软件无线电技术,使用高级程序语言实现无线电通信中的信号处理功能,这能够更好地复用硬件平台和提升开发效率。文章基于开源的软件无线电平台GNU Radio,给出了一种软件无线电架构的窄带卫星收发信机的工程实现方案,并通过实际上星测试验证了方案的可行性,可为卫星通信产品的研发提供测试和验证的途径。 软件无线电 GNU Radio 卫星通信 1 引言 卫星通信具有通信范围广、无需建设地面基站等优点,是重要的战略通信手段。随着通信技术的发展,卫星通信从简单的点到点通信,逐步向复杂星状/网状组网、多波束移动通信等方向发展。但由于未能像地面移动通信一样形成统一的空口标准,导致卫星通信的体制和设备种类繁多,终端厂商研发成本巨大。 软件无线电(SDR)[1-2]的基本思想是以通用的硬件平台为依托,通过软件编程实现无线电台的各种功能。因此,将软件无线电技术应用到卫星通信领域,有助于降低卫星设备的硬件升级成本和研发周期。此外,软件无线电的上述特性也可用于实现通用的卫星终端测试和验证设备/平台,支撑卫星通信终端产品的研制。 本文提出了一种软件无线电架构的窄带卫星收发信机实现方案。本文的第2节介绍了一种基于通用处理器的软件无线电平台GNU Radio,并与其它常用的软件无线电架构/平台进行了比较。第3节基于上述平台,提出了一种窄带卫星收发信机的工程实现方案,在第4节通过实际上星测试,验证了方案的可行性。 2 GNU Radio与USRP平台 2.1 GNU Radio软件平台 GNU Radio[3]是一个基于通用处理器(GPP)的软件无线电开发平台。得益于其开放源代码和配套硬件外设价格低廉的特点,GNU Radio在无线电开发社区和教育机构得到了广泛的应用[4-6]。与非GPP SDR的差异在于,GNU Radio在通用处理器上实现绝大部分的信号处理工作,使用高级程序语言进行开发,可以运行在通用PC上。 GNU Radio的软件架构如图1所示。平台运行在Linux操作系统上,信号处理功能由底层的C++和上层的Python代码共同实现[7]。其中,运行效率较高的C++代码实现信号处理的功能,Python脚本则实现各子模块的连接。平台提供了常用的信号处理模块库以及图形化的编辑和仿真界面。但受限于GPP串行执行的特点,GNU Radio更适合对处理速度要求较低的窄带无线通信系统。 2.2 USRP通用硬件外设 USRP[8]的全称是通用软件无线电外设,是由Ettus公司开发,与GNU Radio软件搭配使用的硬件平台。USRP同样为开源项目,可获得其硬件电路图和FPGA源代码。 USRP的组成框图如图2所示,由主板和射频子板组成,主板的核心是Cyclone系列FPGA芯片、多个通道的高速ADC、DAC和千兆以太网控制器(旧型号USRP为USB控制器)。其中,FPGA通过级联积分梳状滤波器实现数字下变频,上变频器DUC则集成在DAC芯片中。射频子板模拟中频和射频的变换,不同型号的射频子板对应不同的频段。因此,通过USRP和PC组成的通用硬件系统,搭配不同的软件代码,就能够实现不同频段、不同体制和不同指标的无线电设备降低硬件成本,提高使用灵活性的功能。 2.3 与SCA等其它软件无线电技术的比较 美军提出的软件通信体系框架(SCA)是软件无线电领域最有名的规范之一。SCA在FPGA、DSP和GPP等器件上构建了可隔离硬件差异的软件编程框架,使设计师可专注于通信组件的软件实现,大大降低了硬件细节对开发过程的影响。GNU Radio则属于GPP-SDR,用高性能的通用处理器取代了DSP和FPGA中的大部分工作(USRP中的FPGA仅用于实现对处理速度要求较高、通用性较强的高速滤波处理)。通用处理器的开发由于采用高级程序语言进行,开发效率和扩展性高于DSP和FPGA,在开发对性能要求不高的原理样机或测试设备时具有优势。 微软开发的SORA[9]是另一款优秀的GPP-SDR平台,运行于Windows系统和兼容Windows的硬件平台,同样提供配套的硬件板卡(RCB)和射频模块,微软在该平台上已实现了802.11a/g标准。但这一平台并不开放源代码,只提供软件SDK。与之相比,GNU Radio和USRP均采用开源模式,便于开发者改进硬件,深入优化定制软件。因此,本文选用GNU Radio和USRP作为窄带卫星收发信机的实现平台。 3 窄带卫星收发信机设计 基于GNU Radio和USRP平台,本文设计了一个窄带卫星收发信机方案,用于验证该平台在卫星通信领域的可行性。目前,国内窄带卫星通信系统体
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