一種基于通用軟件無線電平臺的短波跳頻通信系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于通信技術領域。特別涉及短波跳頻通信系統，靈活性強，支持多制式， 適用于0-30MHZ短波信號發射與接收。
【背景技術】
[0002] 傳統的的跳頻信號主要基于硬件系統DDS或其他專用硬件來實現，以及對應的跳 頻信號調制與解調的算法也都是在相關硬件上實現，所以他的靈活性受限，可拓展性差，通 用性不強。而通用軟件無線電平臺（UniversalSoftwareRadioPeripheral，USRP)是通 用的軟件無線電硬件平臺，它的主要信號處理模塊FPGA可在電腦上對他進行重配置，基帶 信號的處理可完全轉移到軟件平臺，可支持0到6G射頻信號的發射與接收，信號傳輸帶寬 最大可支持50MHZ。頻率在3MHz到30MHz范圍的短波通過電離層發射傳播信號，在沒有轉 發器的情況下，傳播距離也可以達到上千公里。而短波跳頻通信電臺利用短波通信這一特 性，在短波頻段范圍內，設置某些頻點隨機發射信號，達到保密通信的目的。
[0003] 隨著科學技術的不斷發展，對長距離通信的技術要求也在不斷的提高，特別是軍 事與外交等領域，它們迫切的需要通信電臺能夠高速、安全、穩定、可靠地傳遞信息，在這種 情況下，為了適應當代形勢下的要求，現有的短波通信電臺技術就面臨著必然的革新。而軟 件無線電硬件平臺USRP設計的基本思想是：通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟 件編程來實現無線電臺的各種功能。我們將其應用于短波電臺的設計，從而改變了傳統的 基于硬件、面向用途的電臺設計方法。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是克服現有技術的不足，提出一種基于通用軟件無線電平臺（USRP) 的短波跳頻通信系統。本發明所要解決的技術問題有以下幾點：
[0005] 1、USRP與PC之間信號發射與接收的時間同步，作為發射機的USRP與作為接收機 的USRP之間的時間同步；
[0006] 2、軟件編程實現USRP射頻前端連續在不同的隨機載頻上發射信號；
[0007]3、對跳頻信號進行GMSK調制，并使得空中數據傳輸速率達到了系統所要求的速 率；在接收機上對跳頻信號進行同步解調；
[0008] 本發明主要是基于gnuradio開源軟件無線電平臺，gnuradio提供信號處理與運 行模塊，可讓使用者充分利用射頻、信號處理，通信等相關知識實現無線通信等相關應用， 對信號、信道編碼、調制等相關仿真。開源的Gnuradio腳本語言主要基于python語言編寫， 模塊主要功能基于C++來實現。因此使用者可以很方便的在gnuradio環境下編寫一個我 們自己想要實現某個功能的模塊并導入。在通用的軟件無線電通用平臺下，可以很方便的 搭建自己的通信系統。
[0009] USRP系列硬件可結合gnuradio軟件實現不同的軟件無線電技術相關應用。USRP 結合PC可實現在0-6G載頻上對帶寬最高為50M的信號進行收發。
[0010] 軟件無線電短波跳頻通信系統的設計是充分將軟件無線電技術加載到跳頻通信 系統，可以更有效的降低成本，提高系統的靈活性等特點。軟件無線電短波跳頻通信系統主 要是將傳統的跳頻通信系統的一些硬件設備完成的功能全部轉化到由軟件完成。如：跳頻 信號的形成我們無需專用的偽隨機碼生成器，頻率合成器等硬件，本發明實現跳頻信號只 需要將軟件無線電硬件平臺在軟件上實現參數配置，將跳頻算法形成代碼的形式來控制硬 件平臺對信號的發射；對于調制與解調部分，以往常常是使用專用的調制方式的硬件平臺 來對發射前的信號進行調制，而軟件無線電平臺完全可以把這個硬件部分拋棄，它支持多 種調制與解調方式，可以根據需要任意選擇或者混合調制與解調都是可以實現的。基于這 一基礎，同時也極大的減少了信號的模擬環節處理部分。
[0011] 本發明是通過以下技術方案實現的。
[0012] 本發明所述的基于USRP的短波跳頻通信系統，包括信號發射、信號接收兩大模 塊，其中信號發射模塊包括：信號源模塊、數據包轉換模塊、數字信號調制模塊和USRPTX 模塊，各模塊依次連接；信號接收模塊包括：USRPRX模塊、數字信號解調模塊、數據包解調 模塊和信號波形模塊，各模塊依次連接。
[0013] 所述的信號源模塊可以有以下幾種constantsource，fastnoisesource，noise source，randomsource，signalsource，GLFSRsource，filesource，audiosource等模 塊，每個模塊gnuradio提供了圖形界面對它們進行參數設置。信號源也可以是來自外部的 信號源，但是必須要轉換成文件存儲數據的形式或者音頻的形式才能在gnuradio處理平 臺上調用。然后需要調用gnuradio庫里的filesource與audiosource將我們信號源的 文件導入，方可進行信號調制與發射。
[0014] 所述的數據包轉換模塊主要是為后一環節調制準備的，但也不是所有調制之前都 需要先通過packetencode模塊，只有GMSK，DPSK，QAM等數字信號調制方式，才需要我們在 對數字信號進行數字調制前，將它們先進行打包轉化成符號的形式，才能進行正確的調制。
[0015] 所述的數字信號調制模塊（Gnuradio平臺）具有非常豐富的信號調制與解調模塊 庫，可以任意調用，這給系統設計的過程中帶來了極大的方便。而這些庫的源代碼都可以看 到，如果這些模塊庫滿足不了需要，這是被允許的，去修改它們的源代碼滿足設計需要。
[0016] 所述的USRPTX模塊，產生跳頻信號的產生，將信號上變頻到射頻信號然后進行發 射。該模塊可控制發射信號在不同時隙的發射頻率。
[0017] 所述的USRPRX模塊，主要功能是將信號下變頻到基帶信號，對跳頻信號的同步接 收與解跳的一個過程，它與USRPTX模塊的設置參數要保持嚴格一致，才能保證信號接收無 誤。
[0018] 1、跳頻信號產生。
[0019] 跳頻序列的產生，采用混沌序列算法。混沌理論是從有序突然變為無序狀態的一 種演化理論，是非線性動力學系統中的一種確定性的、類似隨機的，有秩序而又無秩序的過 程。因為混沌系統初始條件決定了系統后面的狀態，初始條件有一點點的變化都會導致后 面的狀態發生極大的變化，所以在跳頻系統抗干擾與保密性方面，混沌序列是非常好的選 擇。本系統選擇Logistic映射來產生跳頻序列。Logistic映射稱為蟲口模型，也是目前研 宄較廣泛的一種混沌映射。它的模型可用昆蟲繁殖來解釋，即在某一范圍內，單一昆蟲繁殖 產生的后代數量遠遠大于親帶數量，如此在產生后代之后，親代的數量即可忽略不計。一維 的Logistic映射定義為：
[0020] xn+1=rxn(l-xn) (1)
[0021] 其中，x屬于[0，l]，r是控制參數，范圍（0,4)。只有當3.5699... <r<4時，系 統才開始工作在混沌狀態，迭代生成值這個時候處于偽隨機分布狀態，當r的值卻接近4的 時候迭代生成的值隨機分布性能就越強。Logistic軌道點的概率密度函數表示為：
[0022]
[0023] 需要注意的是，如果我們利用Logistic映射進行迭代時，初值一般建議不要取0、 l、l/r、這幾個值，因為它們是不動點。Logistic映射r取4時，其分岔圖如圖2示，橫坐標 將r取值范圍定義為（3. 1，3. 99)，縱坐標為對應的x值。圖3是logistic-維矩陣記錄的 迭代結果。
[0024] 選擇logistic映射來產生我們的跳頻序列。將logistic產生的混純序列Xn然 后再對它進行線性變化Fn=(2Xn+l)*10~6,便可以得到頻段在10MHz-30MHz之間的發射頻 點。如圖4示，取100個點時，在matlab上使用該算法產生的混沌跳頻信號分布。
[0025] 使用混沌序列算法產生的跳頻序列存入文檔內，然后在我們python執行文件中 讀取該跳頻文件，然后進一步對它進行相關數學運算使其產生的跳頻信號在我們的發射信 號頻帶內。最后將它在終端讀取。
[0026] 具體步驟如下：
[0027] 1)使用logistic映射產生相應的混沌系列，將序列相應的數據存入文檔，放入 gnuradio庫文件目錄下。
[0028] 2)在跳頻系統軟件執行文件下調用混沌序列文檔，并對它進行線性Fn= (2Xn+l) *10~ 6,循環這個過程，得到不同的頻點。
[0029] 3)使用產生的頻點去控制USRPTX發射模塊的發射中心頻率，即完成了跳頻發射 的過程。
[0030] 2、GMSK調制解調。
[0031] 高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK)基本原理是將基帶信號先經過高斯濾波器處理， 再進行最小頻移鍵控（MSK)調制。因為經過高斯濾波器成形后的高斯脈沖包絡沒有邊沿陡 峭情況，故它的頻譜特性較MSK信號的頻譜特性更好。在GNURadio軟件處理模塊上已經有 編寫好的GMSK調制與解調模塊。
[0032] 其中GMSK調制時，參數B表示濾波器為3dB時的帶寬，T(比特寬度），參數設置界 面用BT來表示，它的寬度作為GMSK調制時的參變量，BT值不同，系統響應是不一樣的。因 為BT=BAl/T) =B/R(R為比特速率），所以BT也稱為歸一化3dB帶寬。根據系統的性 能，將BT值設置為0. 35。
[0033] 3、跳頻信號同步接收。
[0034] 保證跳頻信號成功接收，發射與接收系統都需要同時滿足三個條件：跳頻頻率相 同，跳頻序列相同，跳頻時鐘同步。三個條件必須同時滿足，才能成功實現跳頻通信。
[0035]本發明跳頻信號同步接收的方法以精確時鐘法為主，自同步法為輔。為了與發射 方實現接收同步，首先將2臺USRP用MMO線將它們時鐘進行嚴格同步；其次，將發射方跳 頻序列產生的算法同樣用于接收方，保證收發雙方工作在同一時間，即可實現跳頻序列同 步；接著在發射信號時，將發射信號附帶上相應的發射頻點信息與發射時刻等同步信息，待 USRP接收到信號時，第一時間是通過USRPdevice讀取頻點產生的時間信息，進而調整接 收方的相對時間，接收對應的頻點。簡要的說，接收方跳頻信號同步分為以下三步：
[0036] 時鐘同步：USRPN210