2024年4月4日发(作者：)

第38卷第5期

文章编号：1006 -9348(2021)05 -0158 -05

计算机仿真

2021年5月

基于GNU - Radio + USRP的MCSS通信设计与实现

陈盈，窦高奇，王青波，邓冉

(海军工程大学电子工程学院，湖北武汉430033)

摘要：多码组合扩频是一种载荷更高、带宽占用率更低、保密性更好的新型扩频模式，但由于实际应用依赖复杂的硬件电路，

极大限制了通信模式的灵活性。基于

GNU

-

Radio

+

USRP

构建多码组合扩频通信硬件平台，完成多码组合扩频通信算法设

计和收发仿真测试，系统可根据实际需求调整扩频码周期、星座图映射方式、收发速率和载波频率等通信参数，并对接收载

波和定时同步进行算法设计，实现系统连续和猝发通信需求，通过实时在线测试，验证了系统设计的灵活性和方案设计的有

效性。

关键

词：多码组合扩频;软件定义无线电；同步算法联合设计

中图分类号

:

TN

919.6

文献标识码：B

Design and Implementation of Multicode Combined Spread Spectrum

Communication Based on GNU - Radio + USRP

CHEN Ying,D0U Gao-qi,WANG Qing-bo,DENG Ran

(Institute

of

Electronic

Engineering

,

Naval

University

of

Engineering

,

Wuhan

Hubei

430033,

China

)

ABSTRACT

：

Multi

—

code

combined

spread

spectrum

is

a

new

type

of

spread

spectrum

mode

with

higher

load

,

lower

bandwidth

occupancy

and

better

confidentiality

.

However

,

the

practical

application

relies

on

complex

hardware

cir

­

cuits

,

which

greatly

limits

the

flexibility

of

the

communication

mode

.

This

paper

built

a

multi

-

code

combined

spread

spectrum

communication

hardware

platform

based

on

GNU

-

Radio

+

USRP

,

and

completed

multi

-

code

combined

spread

spectrum

communication

algorithm

design

and

transceiver

simulation

test

.

The

system

can

adjust

the

communi

­

cation

parameters

such

as

spreading

code

period

,

constellation

mapping

mode

,

transmission

and

reception

rate

,

and

carrier

frequency

,

according

to

actual

needs

.

And

algorithm

design

of

receiving

carrier

and

timing

synchronization

was

carried

out

to

realize

system

continuous

and

burst

communication

requirements

.

The

flexibility

of

system

design

and

the

effectiveness

of

scheme

design

were

verified

through

real

-

time

online

tests

.

KEYWORDS

：

MCSS

；

SDR；Synchronous

algorithm

joint

design

和验证。

i引言

软件无线电

（Software

Defined

Radio

,

SDR

)技术是一种新

多码组合扩频

（Multi

-

code

combined

spread

spectrum

,

MCSS

),也称为并行组合扩频。是在多进制扩频基础上改进

型的无线电体系结构，通过软硬结合，使无线网络和用户终

端具有可重配置能力[13。其目的在于减少模拟环节、缩短开

发周期、提升通信设备兼容性。从理论上说，在同一软件无

线电平台上任何一种无线通信制式都是兼容的[2]。由于

SDR

具有模块化、系统化及开源化的开发环境，以及极强的

而来的一种新型直接扩频方案，它不仅继承了直接扩频序列

抗多径性能好、隐蔽性强以及便于码分多址的优点，同时拥

有更高的扩频增益以及频带利用率，如今大多数的研究仅仅

停留在软件仿真阶段而缺少实验支撑，但若想通过硬件电路

完成多码组合扩频设计复杂、开发周期长、投人成本和精力

较高。本文旨在通过

SDR

通用平台搭建一个能实现

MCSS

通信收发系统，并通过实际的数据收发验证各个模块的可

可拓展性、可重构性，常被运用于无线通信领域的快速开发

基金项目：抗干扰国防重点实验室基金（.61421020405 ),海军工程大

学科研发展基金（.425317

Q

024)

收稿日期:2019-07-01 修回日期:2019-07 -03

行性。

—158 —

2多码组合扩频基本原理

多码组合扩频系统由多进行扩频优化而来，不同之处在

3实验平台的系统设计

GNU-Radio

3.1

GNU

-

Radio

与

USRP

为

SDR

于多码组合扩频并非

PN

码的简单替换，其中涉及

PN

码的

选择[3]、数据映射算法[6]、星座图映射规则[5]以及软硬判决

算法[6]等由于多码组合扩频的特殊性,调制解调方式与多码

组合扩频的具体参数相关。

多码组合扩频的传输的核心在于:从总数为

M

的

PN

码

中选取^个来表示

k

比特信息，而后进行等幅叠加并调制发

送，用公式表述为

k = r +Ll

〇

g2C^J(6i

〇

(1)

其中

L

•」表示向下取整，在接收端使用

M

个相关器进行相

关接收，选取最大的

r

个值进行逆映射从而恢复发送数据。

当

r

=

l

时，系统退化为传统的多进制扩频。其收发原理如

图1所示。

的常用软件，包括通用框架、调度

模块包括编解

器、

C+

+和

Python

工具、

数字信号处理

（

DSP)

模块、用户接

口界面、硬件前端的接口

6

个部分

[7]。

DSP

码、调制解调、数据组帧、数据滤波等大量的波形处理单元,

用户通过拖拽和连接模块可方便的构建各类通信系统框架

流图

（flow

graph)

,而下层的数据流动和处理由调度器完成，

如图

2

所示

。此外,

GNU

开源社区提供了大量的拓展模块,

Python

进行模块定制，并利用

当然用

户也可以通过

C

+ +或

WIG)

简易组帧和封装工具

（

S

将其封装。目前

GNU - Radio

可以通过个人电脑对音视频、移动通信、卫星雷达系统进行

设计和模拟。

信

源

串

并

转

换

~■数据一序

列映射器

序

列

组

合

伪随机序列

码集

(a

)发送端原理示意图

IPN

,

~~

H

相关器

—

H

相关器

解调

~相关器

最

大

值

判

决

器

1

2 ,

数据一序

_2_

列逆映射

器

r

,

k

串

并

转

换

信宿

图

2

-Radio

组成示意图

通用软件无线电外设

（The

Universal

Software

Radio

Pe

-

ripheml

，

USRP

)由子板、母板和射频天线3部分组成，如图3。

(

b

)

MCSS

原理示意图

从本质上讲，

USRP

相当于数字化基带以及射频通讯系统的

中频部分。本文选用的硬件为

USRP

N

210,其主

ADC

的最高

采样频率为105

MS

/

S

，提供14位的数模转换精度；而主

DAC

最高采样频率为

lOOMS

/

s

，提供16位的量化精度。子板选用

SBX

-40,提供400

M

图

1

多码组合扩频系统扩频解扩原理图

多进制扩频与多码组合扩频的区别在于数据映射算法。

本文采用

r

-组合算法，在数学中的表述为:从

A

/个不同的

元素中任取个

r

元素组合，如果已知按大小排序的组合序号

为

W

时，该组合的元素

A

(1 <

i

<

r

)，由式(2)确定

-4.4

GH

的载波以支持频段内的通信应

用。

j

minC

-：；；

XQ

射麯子板

|本地振荡器丨

'-：

(

2

)

—

I

BPF

低噪声放大器

~M

BPF

I

PGA

|

反之，逆映射由式(3)确定

N

ar ~ ar-l +

天线

j

~

X

1=0

+ 1 )

(3)

多码组合扩频系统以扩频解扩方案选择为中心，不同参

数的选取决定了调制模式、系统带宽以及系统性能。多参数

选择为其带来了极大的灵活性，因此一个易于重构的通用型

SDR

平台不仅能方便的观察不同参数下的扩频效果、测试系

L.

以太

网口

H

CLC

ADC

1

CLC

h~I

LPF

K

NOC

母板

图

3 USRP

框架及信号处理流程

统系能，更能通过实际信道论证

MCSS

应用的实际意义。

159 —

3.2系统总体功能设计

基于

MCSS

原理框图构建

SDR

平台时，要考虑如下几个

方面：

1) 硬件选择与环境配置；

2) 模块功能分析与框图设计；

3) 自定义模块的算法编程和封装；

4)流图构建与参数设定；

多码组合扩频系统的

GNU

-

Radio

流图，如图4所示。

在流图中基于

C

+ +自定义5个模块,完成多码组合扩频系

统的扩频解扩、调制解调以及同步等波形变换。各个模块的

功能说明如表1所示。

⑷发送端

GRC

流图

(b)

接收端

GRC

流图

图

4 GNU-Radio

系统流图

表1

模块名称

信源模块

横块功能描述

模块功能描述

产生信源数据

从空中采集信号作为数据输人

储存数据

向空中发射已接收的数据

采用

1

•-组合算法

使用硬判决算法

将叠加后的数据进行星座图（逆）映射

将调制后的数据进行过采样和成型滤波

匹配滤波（不降采样）

帧同步、定时同步联合设计

对数据进行帧结构设计

备注

可手动输入或随机产生

采样率、波段、增益可控

用于

MATLAB

分析

采样率、波段、增益可控

可更改参数

M、r、N

可更改参数

M

、

r、N

映射规则可控

过采样率、滤波器阶数可控

过采样率、滤波器阶数可控

包含相位估计和将采样

添加同步头、保护数据、发送间隔等

Block

Random source Vector source

USRP Source

输入输出比

—

—

—

—

k：N

N：k

1:1

1 ：m

1:1

m

：

1

1:1

信宿模块

File sink

USRP sink

MCSS

扩频

MCSS

解扩

调制/解调

成型滤波器

匹配滤波器

同步模块

数据组合模块

spread

despread

ModforMCSS DemodforMCSS

Interpolating FIR Filter

Decimating FIR Filter

Farme and elk sync

Stream mux

3.3自定义模块的设计

1)扩频解扩模块

在式(2)和式(3)中每输入

k

比特输人就要计算一次循

环迭代，但

r

-组合映射算法具有一一映射关系，因此本文自

定义模块时，直接将映射关系作査表处理,具体流程如图5。

在实时的数据处理过程中，通过査表方案可以极大节省

运算开销，缩减数据处理时延，此外用户可自动义映射规则、

PN

码长度和类型，从而提升系统可编程性。

该模块定义的同步算法包括帧同步与定时同步。由于

接收端

USRP

不区分信号与噪声进行无差别的数据采集，数

据发射前端加人同步头以同步算法和信道估计。

本文采用定时同步与帧同步联合设计算法，帧同步的作

用是在数字信息流中定位有用信号的起始位置，常用滑动相

关法;而定时同步则是对过采样的信号点进行最佳抽样，防

止缺失或错位。在同步的基础上进行相位补偿，步骤如图5

所示。

当输人数据同时满足相关值和硬判决数目要求时，模块

2)同步模块

—160 —

输人数据

査询映射规

则表

<

---

映射规则表

根据映射规

则表査找PN

PN码表

码表

^

7

将选取的PN

系列进行叠

加

i '

图

7

帧同步滑动相关值

f输出数据

)为接收端

USRP

接收到

图

S

验证相位补偿算法，其中图（

a

映射算法流程图

的数据，图（

b

)为相位补偿后的星座图，由于此数据经过成型

滤波器，星座图同时显示了各个星座点间的跳转路径。

金

(a

)经信道后数据星座图

图

8

星座图

4.2

硬件实验

硬件实验基于

Ubuntu

16. 04

LTS

操作系统

，GNU

-

Ra

­

dio

软件版本为

GRC

3. 7. 9,

UHD

版本为 003. 009. 002,

C

+

+版本为5. 3. 1,其中

RF

子板载波为500

MHz

。

图9和图10显示了系统平台的

GUI

界面，用户可根据

图形直观的观察扩频前后的序列、对比收发比特信息、观察

发送信号波形等。

图

6

同步算法流程

跳出同步搜索状态开始输出相位补偿后的信息。

4系统测试

4.1

仿真测试

仿真测试所用数据为实际信道中的数据：由

USRP

发送

和接收,并将经过信道之后的数据储存交与

MATLAB

仿真。

设置比特速率为9600

bpS

，同步头的长度为63 ,数据包长度为

图

9

GUI界面

%

bit

,滚降系数为 0.35,

M

=16

,r

= 3，

N

=64。

为了检测同步模块的捕获性能,在发送端连续发送信

测试扩频性能时，选取长度为128的

PN

码作为扩频序

号，由于多码组合扩频的扩频倍数为

N

/

k

,%比特信源数据

列。由上图可看到扩频前带宽约为10

kHz

,扩频后带宽约为

扩频为1024比特，通过图可知每相隔1024比特，出现一个

100

kHz

,同时信噪比，同时信号的功率在也下降了 20

dB

,与

很大的相关峰值即为同步点，表示帧同步正确。

多码扩频的理论分析相吻合。

161 —

[2]

杨培消，窦高奇，高俊，等

.

基于软件无线电平台的

DDST

传输

技术研究

[J]•

通信技术，

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图

10

扩频前后时频图的对比

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&

Dissertations, 2012, 63(6)

：

iv.

5结语

[作者简介]

结合多码组合扩频的原理，本文利用

SDR

搭建了系统，

陈盈

（

1994-),

男（汉族），云南省昆明市人，硕

既可以软件仿真也能硬件实现。自定义模块时多采用查表

}

士研究生，主要研究领域为通信系统设计与应用。

方案，不仅优化了数据的实时处理效果，更提升模块的拓展

'

y

窦高奇

（

1981-),

男（汉族），山西长治人，副教授，

性。通过数据验证、时频图分析和硬件调试充分论证了系统

硕士研究生导师，主要研究领域为无线通信与编码

通信的可靠性。

滅

•

技术。

王青波

（1992 -)

，男（汉族），云南昭通人，博士研究生，主要研究领

参考文献：

域为无线通信与编码技术。

[1]

王奇

.

基于

GNURadio

的软件无线电平台研究

[D

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邓冉

（1991 -),

男（汉族），湖北荆门人，博士研究生，主要研究领

业大学，

2011.

域为无线中继网络。

(

上接第

141页）

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张年（

1989 _>,

男（汉族），四川省内江市人，博

[11]

秦焕美，关宏志，龙雪琴.基于决策过程的停车换乘行为研究

士

G

[作者简介]

罗霞

(1962-),

女（汉族

>,

四川乐至人，工学博

士，副院长，教授，博士生导师，综合交通运输智能

化国家地方联合工程实验室，主要研究领域为交通

战

研究生

,

主要研究方向为交通运输系统工程，运输决策理论。

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武汉理工大学学报（交通科学与工程版），

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张可（

1975-),

男（汉族

h

北京市人，工学博士，副主任，研究员

,

1002 -1005.

硕士生导师，主要研究方向为大数据交通信息技术。

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龙雪琴，王建军，周备.基于决策场理论的出行者动态决策行

张奕源（

1996-),

男（汉族），陕西省宝鸡市人，博士研究生，主要研

为研究

[J] •

交通运输系统工程与信息，

2016

，

16(1) :12 - 18.

究方向为交通运输规划与管理，交通信号控制。

—162 —