0、引言

230MHz無線電臺通信系統在電力負荷管理系統和用戶用電信息采集系統中有著廣泛的應用。然而，隨著無線通信技術的發展，在不同時期投入應用的無線電臺，雖然基本結構類似，但調制方式、波形結構、調制速率都有較大差別，不同的設備占用不同頻段單獨組網，獨立運行，十分不利于系統的維護，而且，隨著對高速通信電臺設備需求的增加[1]，使得通信系統結構更加復雜。

為了解決上述問題，本文基于GNU Radio 系統提出了一種多信道、多傳輸速率、多調制方式的軟件無線電多通道主站電臺的系統結構。該系統在調制方式上與現有的無線電臺設備全面兼容，覆蓋整個電力系統230 MHz 全雙工頻段，可以同時在多個頻點運行，以不同的速率、調制方式進行通信，很好地保證了現有業務的正常運營。此外，基于軟件無線電的系統具有極強的可配置性，為將來的業務拓展和設備升級提供了可靠保障，降低了系統的維護和升級成本。

1、230 MHz 無線通信系統分析

230MHz無線通信系統由主站電臺和從站電臺組成，主站采用全雙工電臺，從站采用半雙工電臺。無線電管理委員會將230 MHz 頻段的15 對雙頻頻點分配給電力系統專用[2]，頻點分配如表1 所示。每個頻點帶寬為25 kHz，相鄰頻點間隔為50～150 kHz，15 個接收/發送頻點總帶寬約為2 MHz，上下行頻率間隔為7 MHz。

目前電力行業中使用的大部分是模擬調頻電臺，電臺內增加調制解調模塊后進行數據傳輸。早期的低速電臺采用FSK，MSK 等調制方式，傳輸速率為600~2 400 bps；高速電臺采用GMSK 調制方式，實現9 600 bps 的信號收發。此外，部分地區運行著230 MHz 頻段的Mobitex 系統，它直接采用GMSK 調制，避免了第二級FM 調制對信道資源的浪費，僅占用12.5 kHz 的射頻帶寬，實現了8 kbps數據傳輸。

2、GNU Radio 主站電臺總體設計

GNURadio 系統是一種運行于通用處理器（GPP）上的開放的軟件無線電平臺，并配以USRP（Universal Software RadioPeripheral）作為硬件射頻前端。GNU（GNU’s Not Unix）是一個推進軟件開放源代碼的著名項目，由FSF（Free SoftwareFoundation）提供支持。GNU Radio 運行于Linux操作系統，其軟件代碼和硬件設計完全公開，其設計的核心思想是：基帶信號處理過程由通用處理器而不是DSP 實現；基帶信號通過USB 2.0 接口與USRP 系統相連，由USRP 上的FPGA 實現數字上下變頻，然后通過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變換到射頻進行信號收發。

本文設計的多通道主站電臺系統的系統結構如圖1 所示，由基帶信號處理部分、USRP 主板、230 MHz 射頻子板三個部分組成。

(1)基帶信號處理部分

基帶信號處理部分包括數據緩存、編解碼、調制解調等模塊。這部分的主要工作是基帶信號處理模塊和信號收發流圖（Flow Graph）的設計。此外，可使用WxPython 跨平臺GUI 工具庫編寫人機交互界面，采用MySQL 作為數據庫系統。

(2)USRP 主板

USRP主板實現了信號的中頻處理，主要為數字上下變頻操作。板載FPGA 芯片采用了Altera 公司生產的Cyclone 系列芯片EP1C12Q240C8，設計開發工具為Quartus II 7.2，各模塊邏輯采用Verilog語言描述。

(3)230 MHz 射頻子板

目前 USRP 配套的全雙工子板沒有覆蓋到230MHz 頻段，本文根據USRP 主板與子板連接的接口說明，設計了收發頻率覆蓋200～250 MHz 的射頻子板。同時，由于子板輸出功率過小，發送信號需外接至大功率天線設備輸出。

3、GNU Radio 主站電臺基帶信號處理

GNURadio 的基帶信號處理編程基于C++和Python 腳本語言的混合方式。C++執行效率較高，用于編寫各種底層信號處理模塊。Python 是一種新型的腳本語言，用來編寫連接各個信號處理模塊的腳本，最終使之成為完整的信號收發流圖。

3.1GNU Radio 基帶信號處理模塊設計

GNURadio 提供一個基帶信號處理的底層模塊庫，含有100 多種信號處理模塊，如：濾波器，FFT 變換、調制解調器、時頻同步模塊等[3]。

本系統同時支持多種無線通信電臺，而不同電臺的調制方式、信號速率可以不相同。通過分析可知，電臺系統中基帶信號所用的數字調制方式如FSK、MSK、GMSK 等均屬于恒包絡調制方式，這些信號都可以通過FM 調制器輸出。

下面以 GMSK 調制模塊為例簡要說明GNURadio 信號處理模塊的實現原理及實現方法。

從 Python 的角度來講，GNU Radio 提供了一種信號流圖的抽象，用戶可以方便地使用底層信號處理模塊連接各種通信模塊，最終組成完整的無線通信系統。首先從gnuradio 包中導入gr 和modulation_utils 模塊，并在__init__（）方法的參數中定義模塊中每符號的采樣點個數、BT值和程序調試接口等。定義完這些參數之后，方法調用其父類gr_hier_block2 的__init__（）方法設定該模塊的輸入輸出接口類型，本模塊輸入為要傳輸的數據字節，輸出為GMSK 的調制波形。

GMSK調制模塊由三個底層信號處理模塊構成，分別是字節到NRZ 編碼變換器，高斯濾波器和FM 調制器（FM 調制器模塊需自行編寫，系統提供的FM 調制器輸出為復采樣信號，本調制器輸出為實采樣信號）。配置好這些模塊之后，調用connect函數將這些模塊連接，就形成了新的GMSK 調制模塊。其結構圖如圖2 所示。其他調制方式如FSK、MSK 調制模塊與之十分類似，不再贅述。

通過 Python 語言構造信號處理模塊非常靈活，大幅提高了代碼的復用度。但由于底層模塊庫并不完備，在執行某些數據處理時還需采用C++語言編寫對應的底層模塊，如糾錯編碼、多相濾波發送、多相濾波接收等，編寫底層模塊的具體方法可參考文獻[4]。

3.2基帶信號收發流圖設計

本系統同時覆蓋了230 MHz 頻段的15 個雙工頻點，如果將這15 個支路的信號分別通過獨立的載波調制解調，系統將過于復雜。因此，本文采用了信道化收發機的系統結構，即一部收發機同時處理信道帶寬內所有信道上的信號。

圖 3 是主站電臺信道化發射機基本調制原理框圖。基帶信號的處理分為了兩部分工作：

第一步是由N 個單通道基頻發射機產生N 個基帶數字信號。對于普通數傳電臺，首先根據不同的基帶調制方式（FSK、MSK、GMSK 等）輸出基帶信號，再由FM 基帶正交調制器進行復合調制，調制完成后的基帶信號數字譜帶寬為25 kHz。對于Mobitex 電臺，直接輸出速率為8 kbps 的GMSK 基帶正交信號，數字譜帶寬為12.5 kHz。

第二步將調制完成的各路基帶信號進行插值濾波，并分別根據各路占用的不同頻點，用移頻因子ejωk t 搬移到虛頻點ωk（即射頻頻點相差230 MHz的基帶頻點）處，最后將所有支路上的信號整合，得到覆蓋0～2 MHz 的整合基帶信號，其頻譜結構如圖4 所示。在具體實現時，本文采用了基于多相結構的信道化發射機模型以提高計算效率和實時處理能力，實現細節請參閱文獻[5]。

合路器輸出的整合基帶信號的復采樣頻率為6 MHz，精度為8 bit，這樣每個復采樣點占據2 個字節，通過USB2.0 接口傳輸到USRP，雙向收發占用的USB 帶寬為24 MByte/s。在USRP 中，基帶信號再通過插值和濾波變換為固定速率的中頻信號并送到D/A 轉換器轉換為模擬信號，最后在射頻子板轉換為射頻信號發射。

4、USRP 主板FPGA 配置

USRP主板上可支持兩路信號并行收發，結構框圖如圖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，內部邏輯通過Verilog 語言描述。它的主要功能是將ADC 采來的中頻信號進行數字下變頻（DDC），并將基帶信號進行插值濾波、速率匹配、輸出到DAC 進行數字上變頻（DUC），同時還要控制子板信號收發，適配各路ADC，DAC 與PC 機之間的數據交換。

USRP提供了標準系統的Verilog 代碼供用戶使用，但需要針對不同的信號帶寬，信號精度和外插子板情況對Verilog 文件進行改寫并重新編譯后，下載到FPGA 中運行。

本系統中，AD采樣輸出的數據為兩路12bits、64MSample/s的正交中頻信號，FPGA要首先對其中有用的信號進行下變頻。

數字下變頻的第一步是對信號進行混頻，這部分主要由乘法器和DCO組成。USRP采用坐標旋轉數字計算（CORDIC）算法生成正弦和余弦信號[6]，與常規的查表法不同，CORDIC算法不占用存儲器空間，僅使用移位寄存器和加法器就可產生正余弦信號，具有很好的NCO的精度。

數字下變頻的第二個環節是對混頻后的信號進行抽取濾波，以便降低軟件解調的計算復雜度。USRP使用了由一個4級CIC抽取濾波器和一個31階半帶濾波器組成的混合濾波器結構。CIC濾波器為整系數濾波器，濾波時無需乘法運算，而半帶濾波器有一半系數為零，這樣在濾波時大大減少了計算量[7]。濾波的同時，在CIC濾波器實現了4倍的數據抽取，在半帶濾波器實現了2倍的數據抽取，這樣就得到了帶寬為2MHz的兩路8 bits，8MSample/s的正交基帶信號。

對于發送信號，FPGA將USB傳輸的低速率基帶信號進行插值并濾波，變換為32 MSample/s的采樣信號并輸出到DAC單元的數字上變頻模塊中，最終以兩路14 bits，128 MSample/s的速度轉換為模擬信號。

5、230 MHz 射頻子板的實現

USRP的子板有很多種規格，分別針對了基帶信號處理、廣播電視接收、移動通信信號處理等領域。但由于在230 MHz 頻段沒有可用的全雙工子卡，本文根據USRP 與子卡的接口說明，設計了針對230MHz 頻段應用的全雙工子卡，實現信號收發。其硬件實現結構如圖6 所示。

230MHz 子板采用AD8345 和AD8348 分別作為調制器和解調器。AD8345 是ANALOG DEVICES公司推出的正交調制器，其工作頻率為140～1000MHz，在數字通信系統中可用作中頻調制器或直接上變頻器。AD8348 是ANALOG DEVICES 公司推出的正交解調器，其工作頻率為50～1000 MHz，解調帶寬75 MHz，內部集成中頻可變增益放大器。

AD8345和AD8348 輸入的本振頻率是兩塊ADF4360-7 鎖相環輸出的，本振頻率分別為460 MHz和446 MHz。460 MHz 的信號在ADF4360-7 內部二分頻輸出至AD8345，446 MHz 信號在AD8348 內部進行二分頻。芯片內部VCO 的中心頻率設為460 MHz，這個中心振蕩頻率值是由外部電感設置的，它們之間的對應關系為：

通過計算可得，外部電感的值為3.84 nH。子板系統中晶振輸出的參考頻率為10 MHz，通過SPI總線控制配置ADF4360中的14 位R 計數器值為200，再配置N 計數器數值，就可以以50 kHz 的步長，覆蓋420~500 MHz 的頻率范圍。

此外，由于USRP 的板載電源功率過小，子板的天線接口只能提供了100MW 的功率輸出，而一般的230MHz 主站電臺的功率為15 W 左右，因此，還需要在另外加裝高增益的外接天線。

6 結束語

本文提出了一種基于GNU Radio 的多速率、多種調制方式、多信道的軟件無線電主站電臺的系統結構。該系統基于通用硬件平臺，成本較低，既充分的利用了現有的無線電臺資源，實現多種電臺的全面兼容，又為將來的業務拓展和設備升級提供了保證。該系統使用純軟件的信號處理具有很大的靈活性，采用高級語言（C/C++、Python）進行系統開發，擴展性和可移植性強，開發周期短，并且隨著CPU 處理能力的不斷提高以及軟件技術的進步，系統性能還有進一步提升的空間。

參考文獻

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