GOES卫星信号解调-GNUradio

2018 / 11 / 3

技术记录

本文翻译自Let’s hack it -GOES Satellite Hunt (Part 2 – Demodulator), 仅供学习参考。

关于BPSK

首先，我们已经成功从GOES卫星得到了LRIT信号。解调的第一步为使用SDR(Software Defined Radio)，例如Airspy或RTLSDR，将基带信号转化为符号流。这里我们将使用GNU Radio来制作我们的解调器。

LRIT信号详细参数

由参数表可知，LRIT信号使用BPSK(Binary Phase Shift Keying,双相相移键控)调制，符号率为293883符号/秒。我们面临的第一个问题是，BPSK调制是如何工作的？

首先，我们有两个信号：载波和我们想要发送的二进制流。载波是一个正弦信号，它将沿路径传送调制数据。它的频率通常y远高于比特率或符号率。在BPSK调制中，我们基本上是通过改变信号的相位来达到调制的目的。由于它是二进制相移，我们基本上只反转信号的相位，即反转信号的局部极性。可以在下图中看到，当我们改变极性时，我们会在载波上产生“陷波”。这就是使用二进制相移调制比特到载波中的方法。改变相位的优点是我们只需要在接收端中得到相同的相位，而不需要很高的信号幅值。

BPSK调制

因此：

  • 当传输值为**“1”,载波相移为0**度。
  • 当传输值为**“0”,载波相移为180**度(反相)。

其实很简单对吧？所以我们可以在相位图中表示出我们的数据。以下是一些PSK调制的相位图(BPSK,QPSK,8-PSK)

因此对于相位图中的BPSK，我们基本上有：

  • 对于正I（象限0和3），代表**“0”**。
  • 对于负I（象限1和2），代表**“1”**。

仅供参考，在**QPSK（b）**中我们将使用_格雷编码_的二进制值：00，01，11，10。

这同样适用于8-PSK，但8-PSK使用3比特来组成数据。通常二进制代码是从0开始的_格雷码_并逆时针增加。

解调BPSK信号

那么，反向进行这一调制过程，也就是我们将要研究的解调信号方法。

首先，我们需要确保我们的载波位于基带（频谱中心）。你可能认为只需在1691MHz进行调谐即可确保这一点，但我们需要考虑以下因素：

  • SDR调频晶体不是100％精确，并且会与实际信号有一些偏差。
  • SDR上的温度变化也会导致信号偏差。
  • 风,大气和其他因素会导致信号产生多普勒频移。

怎么办呢？我们需要找到信号的真实位置，并转换到基带（频谱中心）。但是我们遇到了一个问题：

LRIT信号实际上并不包含载波，只包含调制信号（因此它的信号是调制载波的结果）。

如果信号中包含载波，我们可以使用简单的PLL（锁相环）来跟踪载波并转换信号。但是由于载波会消耗传输功率，为了达到跟踪信号的目的，来自卫星的传输功率将被“浪费”在信号中。对于像LRIT这样的无载波信号，我们需要使用更复杂的PLL系统。有几种系统可以做到这一点，但我将使用Trango在_#hearsat_中建议的著名的Costas循环。

Costas Loop Basic Diagram

Costas Loop基本上是一个双PLL系统。主要思想是：如果我们假设的载波没有居中，则会出现相位误差，该误差会在正交信号中累积。使用此误差可以将我们的信号转换为基带信号。关于Costas循环如何工作的实际细节将不在这里讨论，因为有很多文档解释它的工作原理。对于BPSK，我们将使用二阶Costas循环，同时还存在对于QPSK的3阶Costas循环和8-PSK的4阶Costas循环。

好的，在将信号移到基带之后，我们需要恢复第二个信息：符号时钟。问题是：我们在载波上调制了一个二进制信号，但如果我们有一个10位的字符串，我们怎么知道字符串有10位，而不是5位或7位？我们需要使用**M＆M（Mueller和Müller）**算法恢复原始时钟。

为什么我们可以恢复原始数据时钟？

因为我们有两个信息：

  • 估计的符号率（在这种情况下为293883个符号/秒）
  • 载波相位在0到1和1到0之间转换

我们怎样才能用这些信息恢复？很简单，我们可以用估计的符号率做一个振荡器（时钟发生器），并与一个载波相位转换同步，之后我们可以认为找到了一个同步的时钟。另外由于数据的随机化（将在本文中进一步展示），二进制数据几乎是随机的，这意味着我们将具有基本相同的几率来获得位1或0.这将使我们的时钟同步随着时间推移更加一致。此外，M＆M算法还做了一个额外的事情，即时钟频率校正。由于符号率只是一个估计假设，这意味着其取值可能会随着时间的推移而变化，M＆M算法可以为我们纠正。

恢复时钟之后，在IQ Sample的I向量中我们将会得到信号对应的符号。

GNU Radio设计流程

让我们打开GNU Radio并构建我们的解调器。在GNU Radio中，我们将在Costas Loop和M＆M Recovery中增加一些额外的块。本设计中参数的值适用于Airspy R2 / Mini，但我很快也会为RTLSDR提供一个版本（仅在第一步中取不同的值）。正如Trango在_#hearsat_中所建议的那样，为了避免USB数据包丢失，最好在airspy中使用较低采样率（说实话我使用时从来没有任何USB数据包丢失，但这将在很大程度上取决于CPU和你的USB控制器。所以我们选择采样率时谨慎一些比较好。对于Airspy R2，我们将使用2.5Msps，而对于Airspy mini，我们可以使用3Msps。我们整个过程的目标采样率是1.25Msps（实际上我们可以使用接近该值的任何值）。那么让我们从osmocom块开始：

Osmocom Source

让我们将采样率设置为3e6，将中心频率设置为1691e6，将所有增益设置为15.对于增益设置，您可以尝试自己的值，但我发现当所有参数使用最大值时我获得了最佳信噪比（这种情况不是很常见）。另外Osmocom Source对于airspy有一个“bug”，就是它没有得到混音器增益可用（因为它不是BB增益,这是愚蠢的）。我做了一个补丁（由于Gain名称而被主动拒绝）将混音器增益映射到BB增益（就像RTLSDR一样）。在将来，我可能会使用正确的名称编写一个新的GRC块与airspy一起使用，不过现在你可以从源代码编译: [gr-osmosdr](https：//github.com/racerxdl/gr- osmosdr) 使用我的fork。

抽取并滤波至理想采样率

下一步是抽取达到2.5e6的采样率。对于airspy mini，在3e6采样率时，为15/18。因此，让我们创建一个Rational Resampler块，并将15作为插值，将18作为抽取值。Taps可以为空，因为GNU Radio会自动生成。这不是最理想的，但至少现在可以使用。我将在未来为每个SDR发布更好的版本。

现在我们有2.5 Msps，我们需要将抽样率降低为二分之一。但我们也会将输入通过低通滤波器以达到我们的抽样率。因此，让我们创建一个低通滤波器，其抽取值为2，采样率为2.5e6，截止频率为symbol_rate * 2（即587766），过渡宽度为50e3。

在这一步之后采样率将变为1.25e6

自动增益控制以及根余弦滤波器

为了获得更好的性能，无论输入信号如何，我们都应将信号保持在恒定水平。为此，我们将使用自动增益控制，它将执行软件增益（基本上只是将信号以乘法的方式放大），不会改变分辨率（因此它不会输出更好的信号），但能够保持我们的电平不变。我们可以使用GNU Radio的AGC模块。

速率为10e-3，参考值为0.5，增益为0.5，最大增益为4000。

另一步是RRC滤波器（根余弦滤波器）。这是针对nPSK调制优化的滤波器，并将其用作符号率的参数。滤波器不是很难生成（它是一个具有一些特定Taps的FIR），但幸运的是GNU Radio为我们提供了一个模块。


RRC filter

对于RRC滤波器的参数，我们将使用1.25e6的采样率，符号率293883，Alpha=0.5，Num Taps=361。Alpha和符号率取自LRIT的参数。Taps的取值可以自由尝试，但我发现取361时能达到质量与性能之间的良好平衡。在滤波之后，我们应该能得到只包含BPSK调制信号（或同一频段的噪声）的信号。然后我们可以进入同步和时钟恢复的步骤。

同步与时钟恢复

正如我之前所说，我们将使用二阶Costas循环作为载波恢复（同步）和M＆M时钟恢复算法来恢复符号时钟。 GNU Radio为这两种算法都提供了对应的模块。让我们从Costas Loop开始吧。

Costas Loop

对于Costas loop的参数，我们只需要设置循环带宽为0.00199，阶数为2。之后我们应该在基带中拥有我们的虚拟载波。现在我们只需要使用M＆M时钟恢复算法将我们的样本与时钟同步。

M&M Clock Recovery

对于M＆M算法的参数，我们将Omega取4.25339，这基本上是每个采样率上传输的符号数量，或sample_rate / symbol_rate。这是对M＆M算法的第一个象征性猜测。对于Gain Omega，我们使用**（alpha ^ 2）/ 4**，即alpha = 3.7e-3，所以我们的增益Omega为3.4225e-6，Mu为0.5，增益Mu为alpha（或3.7e-3），Omega Relative限制为5e-3。

所以你可以注意到我在M＆M算法中调用了一个新的参数alpha，它不是模块的直接参数。该alpha是一个参数，用于调整M＆M时钟恢复算法偏离初始猜测的程度。你可以尝试使用自己的值，但3.7e-3对我来说是最好的选择。

现在，在M＆M的输出中，我们将以正确的速率抽出复符号。现在我们只需要提取其中的数值。

从GNU Radio输出符号

所以我们现在可以直接将所得到的信号映射得到二进制数据，但由于我将在文章的下一部分中解释的原因，我将保持符号不变，仅把他们转换为字节。所以基本上我们GNU Radio的输出将是一个有符号的字节，范围-128到127之间变化，-128为100％几率为0，127为100％有机会为1位。中间值为相应的机会。基本上我将有一个字节代表一个位为0或1的概率。我将在本文的下一部分解释更多。

现在我们需要做的是从M＆M模块获取Complex输出，只获得Real Part（Component I）转换为byte并输出（输出至文件或TCP管道）。

这是一个使用两个模块的简单操作。首先，我们使用Complex to Real块，它将使用复数的Real组件输出Float，然后转换为char乘以127（因为Complex已标准化）。之后，我们可以使用File Sink输出到文件或创建矢量流以输出到TCP Socket。我将使用TCP套接字。

在通过TCP发送之前，Stream to Vector只聚合每16个字节。这将减少TCP数据包开销。 TCP Sink参数为：

  • 输入类型：字节
  • 地址：127.0.0.1
  • 端口：5000
  • 模式：客户端
  • 长度：16

使用此参数，当我们运行GRC流程时，它将尝试通过端口5000连接到localhost，并通过TCP发送每组16个字节（或者你也可以选择发送符号）。本文的下一部分将讨论解码此问题的软件部分，并生成用于创建输出文件的数据包。您可以在下面查看我的最终流程图。它还有一些其他块可以更灵活地更改参数，还可以显示输入信号的瀑布/fft图以及星座图。

GRC源文件下载地址