摘 要

软件无线电破除了传统无线电台的局限，放弃采用专用定制电路、灵活性差的硬件，转而选取开放的、模块化的通用硬件平台，通过升级更新软件来实现功能的便捷增删与改善，甚至能够通过软件实时在线配置无线电台的通信频率，调制解调方式等参数，凭借这样的思想将使无线电台的设计具有非常大的灵活性与扩展性。因此软件无线电自1992年首先由Joseph Mitola博士明确提出后，就引起了世界各国的广泛关注，并有多国的多个机构展开相应研究，并分别沉淀了累累硕果。

本文设计并实现了一套简单的体现软件无线电思想的，计划最终用于无人机与地面平台的，相比传统数传模块具有更强环境适应能力的通信系统。本设计采用GMSK（Gaussian Minimum Shift Keying、高斯最小频移键控）调制解调方式，使用GRC（GNU Radio Companion、GNU无线电伴侣）软件搭建通信系统流图，首先通过GRC的单机仿真，验证了流图设计的正确，且通信系统能够正常收发。之后借助2台电脑，2部HackRF 实现真实的双机单向通信，收发功能正常。

研究测试初步表明，本文实现的简单通信系统能够正常实现收发功能，并能够便捷修改通信频率等参数，体现了软件无线电的思想。

关键词：软件无线电；GMSK；无人机与地面平台通信；

Abstract

Software radio breaks through the limitation of traditional radio stations that use special customized circuits and hardware with poor flexibility as the core. It is suggested to select an open and modular general hardware platform, upgrade and update the software to realize the convenient addition, deletion and improvement of functions, and even configure the radio station#39;s communication frequency, modulation and demodulation mode online through software. The idea will make the design of radio station have great flexibility and expansibility. As a result, software radio has attracted worldwide attention since it was first proposed by Dr. Joseph Mitola in 1992. Many organizations in many countries have carried out corresponding research and accumulated fruitful results.

This paper designs and implements a simple software radio communication system for UAV and terrestrial platform, which has better environmental adaptability than traditional data transmission module. This design uses GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying) modulation and demodulation mode, and uses GRC(GNU Radio Companion) software to build communication system flow chart. Firstly, through GRC single computer simulation, it verifies that the flow chart design is correct, and the communication system can send and receive normally. After that, two computers and two HackRF are used to realize the real one-way communication between two computers, and the function of sending and receiving is normal.

The preliminary test results show that the simple communication system implemented in this paper can work normally, and can easily modify the communication frequency and other parameters, which embodies the idea of software radio..

Keywords: Software Defined Radio; GMSK; the communication between Drone and ground station;;

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究的发展与现状 2

1.3 作者工作与本文结构 3

第2章 软件无线电理论基础 4

2.1 软件无线电的定义 4

2.2 信号采样理论 5

2.3 软件无线电的体系结构 6

2.4 小结 7

第3章 软件无线电硬件平台方案 8

3.1 硬件平台分类 8

3.2 软件无线电系统外设分类 8

3.3 整体硬件选型 9

3.3 小结 10

第4章 软件无线电软件设计方案 11

4.1 GNU Radio平台综述 11

4.2 通信系统的设计以及仿真验证 12

4.3 双机实际通信设计与收发测试 12

4.4 小结 14

第5章 总结与展望 15

5.1 本文总结 15

5.2 展望 15

参考文献 17

致谢 18

第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

现代无线通信在多种不同实际需求和应用场景的驱动下持续快速发展，产生了众多的不同技术与制式，形成了多种体系、多种标准^[1]。这样的形势对采用不同制式的系统间的通信造成了困难与不便，这一缺点在海湾战争时期，美国为首的军团间通信实践中暴露得较为突出，因为不同电台采用的工作频段、调制方式等差异较大，导致协同作战受阻，没有做到真正的“联合作战”。软件无线电(Software Radio)的概念正是在这样的背景下，于1992年由MITRE公司的Joseph Mitola博士在美国的全国电信系统会议上提出，旨在解决军事通信中美国不同军种以及盟军间互联互通困难的问题^[2]。软件无线电带来的是通信体制的改革，它摆脱了传统过于面向用途、囿于硬件的无线电系统，避免了几乎微小的功能改变就需要升级硬件的不便，转向这样一种无线电系统，它使用一种通用硬件平台，借助软件定义来重配置工作模式、工作频段、调制解调方式，或者基于新需求添加新功能^[3]。值得指出的是，虽然虽然软件无线电的概念最早来自军事领域的通信方面，但实际上目前它已经延伸到了其他众多领域，比如民用移动通信，电视广播等等^[4]。

软件无线电因采用软硬件结合的思路而具备高度的灵活性和重配置能力，不仅可以解决军事领域的多体制并存所导致的通信不便问题，而且可以让民用通信领域的升级换代因不必更换硬件而降低成本，还便于科研工作中的算法、体制等方便的测试验证^[5]。它的优势在实际应用的热度方面可见一斑，不论3G还是4G，还是美军的MBMMR(多频段多模式电台)，抑或是JIRS(联合战术无线电系统)，都是采用了软件无线电的概念和思想实现设计开发的，甚至功能较为单一的GPS模块也要借用软件无线电实现软件化^[6]。

回到与本毕设内容更贴近的方面。随着电子机械器件小型化技术的提升、控制效果的提升、大众消费能力的提升等原因，无人机已经从最初的军事专属，渗透延伸到农业、地质等众多领域，特别是航拍与专业无人机表演等应用日渐增多，让许多普通人不仅对无人机有了许多认识，甚至还能亲身体验使用到无人机。不过毕竟是比较新鲜的事物，在诸多方面还存在不完善，比如无人机与地面的通信系统现在普通使用的是数传电台，考虑到小型化、低功耗等目标，数传电台一般采用较多定制电路，灵活性和可配置性较差，尽管有不少数传电台也采用了软件无线电技术来避免这一点，但其升级扩展的能力依然不足够。这样就导致某些情况下不能灵活配置电台参数以达到更好通信质量。

综上所述，软件无线电本身是一个有光明前途的技术，无人机与地面通信的数传模块又存在灵活性不够的问题，所以采用软件无线电技术尝试增强其灵活性不仅在增强无人机与地面通信质量与适应性上具有一定的价值，对软件无线电技术的实际应用也具有一定的参考意义。

1.2 国内外研究的发展与现状

如前所述，软件无线电的概念最早由Joseph Mitola博士明确提出。这之后不久的1995年，美国军方国防部也提出了一项名为SPEAKeasy(“易通话”)计划，该计划意在分2个阶段的研究，首先证明多频段多模式电台(即MBMMR)的可行性，这是初步的概念验证阶段，接着是研制软件无线电样机，努力形成一个较为规范完善的软件无线电体系结构^[7][8]。继SPEAKeasy计划基本完成之后，美国军方于1997年构想了JTRS(联合战术无线电系统)，目的是完成一种具备真正的联合通信能力的电台，最终取代传统电台，实现理想中的各军种互联互通联合作战能力。相比SPEAKeasy实现的较窄的频段(30~400MHz)，JTRS的目标显然更高，它计划覆盖2MHz~3GHz，并开发适用于所有军种要求的电台系统。不过实际上，该计划在执行过程中遇到许多技术问题，发展过程可以说是一波三折。鉴于计划实施中遭遇的众多问题，JTRS联合计划执行办公室于2006年3月对项目进行了重组，更多得从当时技术水平和最终可行性出发，确定了新的计划目标。随着JTRS计划的不断推进，最初的蓝图从代替传统电台转为开发可支持GIG(全球信息栅格)概念的网络系统。

以上的论述均为军事领域相关的发展，不过实际上软件无线电的概念和思想对各个领域的影响和渗透都颇为广泛，下面就民用移动通信领域软件无线电的发展和现状做出说明。第一代移动通信(1G)商用化的时间是20世纪80年代，移动通信技术发展时间虽然并不长，但是其更新迭代的发展速度还是让人感受颇深。在短短的30多年时间里，我们已经经历了4代移动通信，而且马上即将迎来5G这一令人振奋的一代通信：20世纪80年代以TACS和AMPS为代表的模拟体制，20世纪90年代以GSM/CDMA/TDMA为代表的2G，21世纪初以TD-SCDMA、CDMA200以及WCDMA为代表的3G，21世纪10年代以LTE为代表的4G，目前以超高速度、超低延迟为特点开展地如火如荼的5G。移动通信技术的快速迭代由此可见一斑，这样的情况会让通信产品生存周期不断缩短，对于运营商甚至有可能上一代的设备投入还没有盈利回本，就不得不考虑投资下一代技术并购置部署相应设备。这样无疑会使开发运行的费用大幅上升。另一方面新旧通信体质共存会导致不同通信系统间的互通互联变得复杂和困难，而这样的问题恰好可以用软件无线电的来解决。实际上，实际各国也在商用移动通信中应用了软件无线电技术。比如欧洲的ACT(高级通信技术和服务)计划，该计划系统研究了硬件平台、终端、接入等软件无线电关键技术。ACT计划中有3项将软件无线电技术应用到3G通信系统中，其中FIRST(灵活集成电台系统技术)的目标与普通人的生活关系更是密切，即在设计多频多模可编程手机时应用软件无线电技术。而美国麻省理工学院启动的SpectrumWare计划也从事了多频段多模式手机及基站的研究，该研究是基于软件无线电的3G通信系统，而且还特意融合了计算机技术，以期为3G通信系统提供更好的用户操作性。

上文主要谈到了国外软件无线电领域研究的发展历史和研究现状，在这方面国内研究虽然相对落后，但国家对此也早已提起重视，并有许多机构从事研究并取得一定成果^[9]。例如清华大学于1999到2001年承担并完成了国家自然科学基金重点项目“软件无线电理论与技术及其在个人通信中的应用”，实现了能够兼容4种移动通信体制的试验平台；大唐公司提出了以软件无线电为核心的TD-SCDMA标准，成为被国际电信联盟采用的3G移动通信标准中的一个。

1.3 作者工作与本文结构

研究比较了目前主流的3种软件无线电体系结构，并结合本毕设的目的以及个人能力等因素，最终选定宽带中频带通采样结构。接着在在此结构指导下下一步的硬件购置。

最终设计并实现了一套简单的体现软件无线电思想的，计划最终用于无人机与地面平台的，相比传统数传模块具有更强环境适应能力的通信系统。其中环境适应能力具体指，能够更方便的通过软件配置或修改的方式来调整工作频段、调制解调方式等来达到更好的通信效果。

本文共5章，各个章节内容安排如下：

第1章“绪论”，首先介绍了软件无线电的出现背景以及研究意义，并针对本毕设题目说明了软件无线电技术对于无人机与地面通信系统的意义。接着从军事、民用、国外、国内的角度分别对软件无线电的发展历程和研究现状做了较为充分的介绍。

第 2 章“软件无线电理论基础”，首先给出了2种主流的对于软件无线电的定义，并对容易产生歧义的命名作了说明。接着列出了对于软件无线电的3种关键理论，并着重阐述了其中的信号采样理论，这些理论对于深入研究与开发软件无线电是必不可少的。最后根据采样结构的不同，介绍了当前3种主流的体系结构，分析了其各自利弊，并从本毕设的需求以及实现难度等方面出发，最终选定一种结构——宽带中频带通采样结构。

第 3 章“软件无线电硬件平台方案”，本章先阐述了当前最常见的3类硬件平台，并就开发难度，性能高低等方面进行了对比说明。然后总结了4种最受欢迎的软件无线电系统外设，还从价格高低、性能优劣等方面做了介绍。最后基于以上的讨论，确定了硬件选型。

第 4 章“软件无线电软件设计方案”，本章主要分为2部分：单机仿真验证、双机实际通信。前者是后者的准备工作，首先通过GRC流图构建采用GMSK调制解调方式的，包括发射机和接收机的整个通信系统，仿真验证其基本的正确性。接着采用运行在个人PC上的GNR Radio，结合SDR外设HackRF这样的软硬件方案来进行实际的通信，并进行了简单的性能测试。

第 5 章“总结与展望”，从整体的角度分析了整个毕设所做的工作，反思了不足之处，然后对接下来可以进行完善和补充的工作做了展望。

第2章 软件无线电理论基础

2.1 软件无线电的定义

软件无线电这一术语的定义实际上没有业内公认的统一定义，而是有多种定义。该概念的发明者Joseph Mitola博士给出的定义^[10]是：软件无线电应是具备宽带天线、射频前端、ADC/DAC，可以兼容多个空中接口，理想情况下，所有部分都能使用软件定义的多频段无线电。由此可以看出，博士的定义中强调的是多频段、宽频带，能够软件定义这几个方面。

软件无线电论坛给出的定义则是：软件无线电属于一种有别于传统的新型无线电体系结构，它通过软硬件结合使无线网络和用户终端都具有一定的可重配置的能力。软件无线电建立于通用硬件平台的基础上，可以提供多模式、多频段的有效而经济的解决方案，可以借助升级软件而方面地提高功能。

总的来说，虽然不同的机构和学者给出的定义会有所不同，不过也是大同小异，公认的特点还是占大部分，有异议的部分占少数。大家普遍认同软件无线电是具有灵活性和易配置的特点，尽量基于足够通用的硬件，以免在技术更新时频繁更新软件带来的高代价与多不便。

值得一提的是，软件无线电(Software Radio,SR)的概念是在Joseph Mitola提出时，所构想的概念是比较理想化的。他指出所有在ADC/DAC之间的功能，比如无线电发射、接收、信号产生、调制/解调、定时等等功能全部由软件来实现。易见这样的无线电台是难以实现的，这成为了此概念在提出伊始遭到许多人反对的一个主要原因。为此，Joseph Mitola博士在其之后著作《软件无线电体系结构》中开头就特意指出，理想的软件无线电一定程度上是个理想，也许最后也不能完全实现。再到后来，为了避免这个概念上的争论，又产生了“软件定义无线电(Software-Defined Radio，SDR)”的概念。所以事实上，我们现在提到的软件无线电严格来说是软件定义无线电，即SDR，不过也许是习惯问题，也许是为了说起来简便，在实际交流中软件无线电已经成为SDR的代名词，以下不区分地使用软件无线电和SDR两个术语，表达的是同一个含义。

2.2 信号采样理论

对软件无线电来说，较为关键的几个理论包括：信号采样理论、多速率信号处理、数字滤波器等等^[11]。信号采样理论研究的是在模拟信号数字化时，针对信号的频谱分布范围来确定其最低的能够恢复原信号的采样速率，具体得包括低通采样定理(即Nyquist采样定理)和带通信号采样定理。多速率信号处理是对ADC的输出数据进行降速处理的技术，它有利于降低后续器件的计算量，减小负荷，更好地满足实时性要求。多速率信号处理中又包含抽取和内插，而两者都必须由满足相应抗混叠要求的数字滤波器完成，所以数字滤波器也成为了关键理论之一。

这里限于篇幅，而且用于无人机与地面通信的通信带宽一般不需太宽，只有数十KHz的级别，所以采用带通信号采样定理设定采样速率时，一般不需在多速率信号处理技术上花费太多心思，所以这里仅就信号采样理论进行阐述。

软件无线电追求的一点是在接收端尽可能早地进行数字化，以便能够被软件更早处理，来达到更多的灵活性。数字化之后的信号再通过处理变换为适合DSP/FPGA/GPP等处理的数据，最终通过软件来完成各种功能。由上可知，在接收端的首要问题就是怎样对较宽频带的信号进行ADC。所以采样理论无疑对研究开发软件无线电具有重要的意义，下面对奈奎斯特(Nyquist)采样定理和带通信号采样定理做简要介绍，仅对结论做阐述，不进行证明。

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