基于GNU-Radio+USRP的MCSS通信設計與實現

陳 盈，竇高奇，王青波，鄧 冉

(海軍工程大學電子工程學院，湖北 武漢 430033)

1 引言

軟件無線電(Software Defined Radio，SDR)技術是一種新型的無線電體系結構，通過軟硬結合，使無線網絡和用戶終端具有可重配置能力[1]。其目的在于減少模擬環節、縮短開發周期、提升通信設備兼容性。從理論上說，在同一軟件無線電平臺上任何一種無線通信制式都是兼容的[2]。由于SDR具有模塊化、系統化及開源化的開發環境，以及極強的可拓展性、可重構性，常被運用于無線通信領域的快速開發和驗證。

多碼組合擴頻(Multi-code combined spread spectrum，MCSS)，也稱為并行組合擴頻。是在多進制擴頻基礎上改進而來的一種新型直接擴頻方案，它不僅繼承了直接擴頻序列抗多徑性能好、隱蔽性強以及便于碼分多址的優點，同時擁有更高的擴頻增益以及頻帶利用率，如今大多數的研究僅僅停留在軟件仿真階段而缺少實驗支撐，但若想通過硬件電路完成多碼組合擴頻設計復雜、開發周期長、投入成本和精力較高。本文旨在通過SDR通用平臺搭建一個能實現MCSS通信收發系統，并通過實際的數據收發驗證各個模塊的可行性。

2 多碼組合擴頻基本原理

多碼組合擴頻系統由多進行擴頻優化而來，不同之處在于多碼組合擴頻并非PN碼的簡單替換，其中涉及PN碼的選擇[3]、數據映射算法[6]、星座圖映射規則[5]以及軟硬判決算法[6]等由于多碼組合擴頻的特殊性，調制解調方式與多碼組合擴頻的具體參數相關。

多碼組合擴頻的傳輸的核心在于：從總數為M的PN碼中選取r個來表示k比特信息，而后進行等幅疊加并調制發送，用公式表述為

(1)

其中?·」表示向下取整，在接收端使用M個相關器進行相關接收，選取最大的r個值進行逆映射從而恢復發送數據。當r=1時，系統退化為傳統的多進制擴頻。其收發原理如圖1所示。

圖1 多碼組合擴頻系統擴頻解擴原理圖

多進制擴頻與多碼組合擴頻的區別在于數據映射算法。本文采用r-組合算法，在數學中的表述為：從M個不同的元素中任取個r元素組合，如果已知按大小排序的組合序號為N時，該組合的元素ai(1

(2)

反之，逆映射由式(3)確定

(3)

多碼組合擴頻系統以擴頻解擴方案選擇為中心，不同參數的選取決定了調制模式、系統帶寬以及系統性能。多參數選擇為其帶來了極大的靈活性，因此一個易于重構的通用型SDR平臺不僅能方便的觀察不同參數下的擴頻效果、測試系統系能，更能通過實際信道論證MCSS應用的實際意義。

3 實驗平臺的系統設計

3.1 GNU-Radio 與 USRP

GNU-Radio為SDR的常用軟件，包括通用框架、調度器、C++和Python 工具、數字信號處理(DSP)模塊、用戶接口界面、硬件前端的接口6個部分[7]。DSP模塊包括編解碼、調制解調、數據組幀、數據濾波等大量的波形處理單元，用戶通過拖拽和連接模塊可方便的構建各類通信系統框架流圖(flow graph)，而下層的數據流動和處理由調度器完成，如圖2所示。此外，GNU開源社區提供了大量的拓展模塊，當然用戶也可以通過C++或Python進行模塊定制，并利用簡易組幀和封裝工具(SWIG)將其封裝。目前GNU-Radio可以通過個人電腦對音視頻、移動通信、衛星雷達系統進行設計和模擬。

圖2 GNU-Radio組成示意圖

通用軟件無線電外設(The Universal Software Radio Peripheral，USRP)由子板、母板和射頻天線3部分組成，如圖3。從本質上講，USRP相當于數字化基帶以及射頻通訊系統的中頻部分。 本文選用的硬件為USRP N210，其主ADC的最高采樣頻率為105MS/s，提供14位的數模轉換精度；而主DAC最高采樣頻率為100MS/s，提供16位的量化精度。子板選用SBX-40，提供400M-4.4GH的載波以支持頻段內的通信應用。

圖3 USRP 框架及信號處理流程

3.2 系統總體功能設計

基于MCSS原理框圖構建SDR平臺時，要考慮如下幾個方面：

1) 硬件選擇與環境配置；

2) 模塊功能分析與框圖設計；

3) 自定義模塊的算法編程和封裝；

4) 流圖構建與參數設定；

多碼組合擴頻系統的GNU-Radio流圖，如圖4所示。在流圖中基于C++自定義5個模塊，完成多碼組合擴頻系統的擴頻解擴、調制解調以及同步等波形變換。各個模塊的功能說明如表1所示。

圖4 GNU-Radio系統流圖

表1 模塊功能描述

3.3 自定義模塊的設計

1) 擴頻解擴模塊

在式(2)和式(3)中每輸入k比特輸入就要計算一次循環迭代，但r-組合映射算法具有一一映射關系，因此本文自定義模塊時，直接將映射關系作查表處理，具體流程如圖5。

圖5 映射算法流程圖

在實時的數據處理過程中，通過查表方案可以極大節省運算開銷，縮減數據處理時延，此外用戶可自動義映射規則、PN碼長度和類型，從而提升系統可編程性。

2) 同步模塊

該模塊定義的同步算法包括幀同步與定時同步。由于接收端USRP不區分信號與噪聲進行無差別的數據采集，數據發射前端加入同步頭以同步算法和信道估計。

本文采用定時同步與幀同步聯合設計算法，幀同步的作用是在數字信息流中定位有用信號的起始位置，常用滑動相關法；而定時同步則是對過采樣的信號點進行最佳抽樣，防止缺失或錯位。在同步的基礎上進行相位補償，步驟如圖5所示。

圖6 同步算法流程

當輸入數據同時滿足相關值和硬判決數目要求時，模塊跳出同步搜索狀態開始輸出相位補償后的信息。

4 系統測試

4.1 仿真測試

仿真測試所用數據為實際信道中的數據：由USRP發送和接收，并將經過信道之后的數據儲存交與MATLAB仿真。設置比特速率為9600bps，同步頭的長度為63，數據包長度為96bit，滾降系數為0.35，M=16，r=3，N=64。

為了檢測同步模塊的捕獲性能，在發送端連續發送信號，由于多碼組合擴頻的擴頻倍數為N/k，96比特信源數據擴頻為1024比特，通過圖可知每相隔1024比特，出現一個很大的相關峰值即為同步點，表示幀同步正確。

圖7 幀同步滑動相關值

驗證相位補償算法，其中圖(a)為接收端USRP接收到的數據，圖(b)為相位補償后的星座圖，由于此數據經過成型濾波器，星座圖同時顯示了各個星座點間的跳轉路徑。

圖8 星座圖

4.2 硬件實驗

硬件實驗基于Ubuntu 16.04 LTS操作系統， GNU-Radio軟件版本為GRC 3.7.9， UHD版本為003.009.002，C++版本為5.3.1，其中RF子板載波為500MHz。

圖9和圖10顯示了系統平臺的GUI界面，用戶可根據圖形直觀的觀察擴頻前后的序列、對比收發比特信息、觀察發送信號波形等。

圖9 GUI界面

圖10 擴頻前后時頻圖的對比

測試擴頻性能時，選取長度為128 的PN碼作為擴頻序列。由上圖可看到擴頻前帶寬約為10kHz，擴頻后帶寬約為100kHz，同時信噪比，同時信號的功率在也下降了20dB，與多碼擴頻的理論分析相吻合。

5 結語

結合多碼組合擴頻的原理，本文利用SDR搭建了系統，既可以軟件仿真也能硬件實現。自定義模塊時多采用查表方案，不僅優化了數據的實時處理效果，更提升模塊的拓展性。通過數據驗證、時頻圖分析和硬件調試充分論證了系統通信的可靠性。