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基于GNU Radio的APSK调制与卫星信道联合硬件验证

电子技术应用

吴梓溢1，史士杰1，魏龙超2

1.郑州大学电气与信息工程学院；2.中国电子科技集团第二十七研究所

摘要： 针对现有卫星通信中幅度相位键控（Amplitude Phase Shift Keying，APSK）调制方案依赖商用芯片或FPGA实现、且性能评估多局限于理想高斯信道的问题，提出基于开源软件定义无线电（Software Defined Radio，SDR）平台的动态可重构验证框架。以数字视频广播卫星第二代（Digital Video Broadcasting-Satellite Second Generation，DVB-S2）标准为基准，在GNU Radio平台构建高阶调制-卫星信道联合仿真系统，支持16APSK与32APSK调制解调链路的灵活配置，深度集成Loo与Corazza模型以精确模拟多径时延、阴影衰落及多普勒频移特性。通过HackRF SDR硬件平台实现基带生成、射频收发至接收解调的端到端硬件在环验证。该框架可为6G天地一体化网络中高阶调制的频谱效率、抗衰落性能及功放非线性适应性研究提供可扩展实验平台。

關(guān)鍵詞： 软件无线电 HackRF APSK 卫星信道模拟 GNURADIO

中圖分類號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.257121
中文引用格式： 吳梓溢，史士杰，魏龍超. 基于GNU Radio的APSK調(diào)制與衛(wèi)星信道聯(lián)合硬件驗(yàn)證[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2026，52(3)：14-18.
英文引用格式： Wu Ziyi，Shi Shijie，Wei Longchao. Reconfigurable APSK-satellite co-simulation with GNU Radio hardware validation[J]. Application of Electronic Technique，2026，52(3)：14-18.

Reconfigurable APSK-satellite co-simulation with GNU Radio hardware validation

Wu Ziyi1，Shi Shijie1，Wei Longchao2

1.Information Engineering College， Zhengzhou University；2.China Electronics Technology Group Corporation No.27 Research Institute

Abstract： To address the limitations of existing amplitude phase shift keying (APSK) modulation schemes in satellite communications, specifically their reliance on commercial chips or FPGA implementations and performance evaluations confined to ideal Gaussian channels, this study proposes a dynamically reconfigurable verification framework based on an open-source software defined radio (SDR) platform. Aligned with the DVB-S2 standard, a joint simulation system for high-order modulation and satellite channels is constructed on the GNU Radio platform. This system supports flexible configuration of 16APSK and 32APSK modulation-demodulation links and deeply integrates Loo and Corazza models to accurately emulate multipath delay, shadow fading, and Doppler shift characteristics. End-to-end hardware-in-the-loop validation from baseband generation to RF transceiver operations and receiver demodulation is implemented via the HackRF SDR hardware platform. Adopting a modular design, the system enables dynamic switching of modulation orders and channel parameters, overcoming reconfiguration constraints inherent in closed-source systems. This framework provides a scalable testbed for evaluating spectral efficiency, fading resilience, and power amplifier nonlinearity adaptability of high-order modulation techniques in 6G integrated space-ground networks.

Key words : software-defined radio；HackRF；APSK；satellite channel emulation；GNU Radio

引言

提升頻譜效率與信道建模精度是優(yōu)化衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵[1-3]。以DVB-S2/X為代表的衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)，采用16/32APSK等高階調(diào)制技術(shù)，能在相同帶寬下較正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）提升2~3倍頻譜效率，能有效支撐高清視頻、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)回傳等高吞吐量業(yè)務(wù)[1,4-5]。然而，高階調(diào)制對(duì)信道衰落極為敏感，其在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的實(shí)際性能嚴(yán)重依賴高精度衛(wèi)星信道模型[2,6]。

在衛(wèi)星信道建模中，由LOO C提出的Loo模型[7]與由CORAZZA G E等人提出的Corazza模型[8]奠定了經(jīng)典框架：前者適用于直視路徑受陰影遮蔽、多徑分量保持瑞利衰落的郊區(qū)或鄉(xiāng)村環(huán)境；后者適用于直視與多徑均受遮蔽的城市高遮擋場(chǎng)景，為后續(xù)研究奠定了重要基礎(chǔ)[6,9-12]。

然而，現(xiàn)有研究仍存在三方面局限：

(1)模型與調(diào)制割裂：多數(shù)高階調(diào)制研究基于理想高斯信道[13-14]，未能真實(shí)反映多徑、多普勒等衛(wèi)星信道特性對(duì)16/32APSK性能的影響，導(dǎo)致評(píng)估失真[2]。

(2)FPGA實(shí)現(xiàn)的工程瓶頸：基于FPGA的DVB-S2實(shí)現(xiàn)方案[14-18]開發(fā)周期長、調(diào)試復(fù)雜、靈活性差，難以支持信道條件與調(diào)制方式的動(dòng)態(tài)切換。

(3)閉源系統(tǒng)的適應(yīng)性缺陷：商用閉源系統(tǒng)（如DVB-S2/X調(diào)制器）缺乏可重構(gòu)接口；而部分軟件無線電研究采用的正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）調(diào)制，其高峰值平均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）易引發(fā)功放非線性失真，且抗衰落能力不如APSK的環(huán)形星座結(jié)構(gòu)。

針對(duì)上述問題，本文提出基于開源軟件定義無線電平臺(tái)（GNU Radio）的動(dòng)態(tài)可配置高階調(diào)制-衛(wèi)星信道聯(lián)合仿真框架。本文通過采用GNU Radio的模塊化架構(gòu)與Python/C++腳本化接口，顯著縮短開發(fā)周期，其核心貢獻(xiàn)包括：

（1）完整實(shí)現(xiàn)DVB-S2/S2X高階調(diào)制鏈路，支持16/32APSK的調(diào)制解調(diào)與標(biāo)準(zhǔn)化幀處理；

（2）深度集成Loo與Corazza信道模型，精準(zhǔn)模擬多徑時(shí)延、陰影衰落與多普勒頻移；

（3）基于HackRF硬件平臺(tái)完成全鏈路硬件在環(huán)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)從基帶到射頻的端到端驗(yàn)證；

（4）基于GNU Radio Companion（GRC）圖形化環(huán)境實(shí)現(xiàn)參數(shù)可重構(gòu)設(shè)計(jì)，支持模塊化擴(kuò)展與動(dòng)態(tài)調(diào)整。

該框架通過調(diào)制-信道的動(dòng)態(tài)耦合與開源設(shè)計(jì)，突破了閉源系統(tǒng)與FPGA方案的固有限制，為6G天地一體化網(wǎng)絡(luò)中頻譜效率優(yōu)化、功放非線性適應(yīng)性及多場(chǎng)景驗(yàn)證提供了可修改的實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn)[1-2]。

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作者信息：

吳梓溢1，史士杰1，魏龍超2

（1.鄭州大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，河南鄭州 450000；

2.中國電子科技集團(tuán)第二十七研究所，河南鄭州 450000）

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