基于軟件無線電平臺的頻譜感知實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王 洪，陳祝明，郭睿剛

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 611731）

·實(shí)驗(yàn)技術(shù)·

基于軟件無線電平臺的頻譜感知實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

王 洪，陳祝明，郭睿剛

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，成都 611731）

頻譜感知是感知無線電、動態(tài)頻譜分配和電子偵聽的核心，具有通用性的頻譜感知實(shí)驗(yàn)可應(yīng)用于相關(guān)的多門課程，在軟件無線電平臺上設(shè)計(jì)的頻譜感知實(shí)驗(yàn)可編程重構(gòu)，適用于較寬頻段和多種信號。該文介紹了USRP與GNU Radio結(jié)合的軟件無線電平臺，討論了頻譜感知的基本原理，設(shè)計(jì)了基于能量檢測的頻譜感知實(shí)驗(yàn)，并以城市調(diào)頻廣播為例演示了頻譜感知實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果。

軟件無線電；通用軟件無線電外設(shè)；頻譜感知；能量檢測

數(shù)字信號處理技術(shù)的成熟和以摩爾定律快速研制的大規(guī)模數(shù)字集成芯片，使無線電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模擬到數(shù)字的演變，并在數(shù)字化的基礎(chǔ)上，發(fā)展到可重構(gòu)、易互通、編程實(shí)現(xiàn)主要功能的軟件無線電。在軟件無線電理念下設(shè)計(jì)的通用平臺已在工程和科研上廣泛應(yīng)用，并被國內(nèi)外大學(xué)開始引入本科生和研究生的教學(xué)中。另一方面，無線技術(shù)快速發(fā)展和其具有的優(yōu)勢，產(chǎn)生了各種各樣的無線應(yīng)用，由此電磁頻譜十分擁擠。在2000年提出的感知無線電，其核心便是靈活利用主用戶沒有使用的閑置頻譜。近年來，動態(tài)頻譜分配作為獨(dú)立的研究主題，在國內(nèi)外引起廣泛關(guān)注。在軍事領(lǐng)域，監(jiān)聽敵方電磁活動也是永恒的主題。無論是感知無線電、動態(tài)頻譜分配、軍事偵聽，還是民用的頻譜管理與監(jiān)測，都首先要實(shí)現(xiàn)頻譜的感知。對不同頻段、不同應(yīng)用，已知和未知信號的檢測與分析便是頻譜感知的主要任務(wù)。頻譜感知是現(xiàn)代通信技術(shù)、電子對抗技術(shù)、軟件無線電技術(shù)等專業(yè)課程的共同主題，因此，有必要開發(fā)頻譜感知的實(shí)驗(yàn)，適應(yīng)這些課程的共同需求，加深學(xué)生對頻譜資源的感性認(rèn)識。

USRP（Universal Software Radio Peripheral）是美國NI公司的一款軟件無線電硬件平臺，被斯坦福大學(xué)、德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校、弗吉尼亞理工大學(xué)和上海交通大學(xué)等名校引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，取得了很好的效果，并在斯坦福大學(xué)成為受學(xué)生歡迎的課程之一。在軟件無線電平臺上開發(fā)的頻譜感知實(shí)驗(yàn)具有多樣性和靈活性，可適應(yīng)各專業(yè)課程對不同頻段、不同方法、不同信號的需求。本文在該平臺上開發(fā)出具有通用性的頻譜感知的實(shí)驗(yàn)，可應(yīng)用于通信原理、無線通信、數(shù)字通信、軟件無線電技術(shù)和電子對抗等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 軟件無線電平臺簡介

USRP，也叫通用無線電外設(shè)，最初是為GNU Radio軟件研制的硬件平臺，該軟件源自美國麻省理工學(xué)院的Spectrumware項(xiàng)目，2005年成立EttusResearch公司專門研制生產(chǎn)USRP的系列母板、射頻收發(fā)子板、簡易多頻段天線和驅(qū)動程序。2005年，該公司被NI公司收購，實(shí)現(xiàn)了與NI公司LabVIEW軟件的互聯(lián)，由于GNU Radio軟件和USRP的開源性質(zhì)，眾多第三方機(jī)構(gòu)為其開發(fā)了應(yīng)用模塊。Mathworks公司的Matlab軟件也提供了USRP的軟件開發(fā)工具箱［1］。本文的實(shí)驗(yàn)將采用GNU Radio軟件。

USRP通用軟件無線平臺與計(jì)算機(jī)連接，GNU Radio軟件安裝到計(jì)算機(jī)上，配上收發(fā)天線，便構(gòu)成一套完整的軟件無線電收發(fā)體系，如圖1所示。USRP由母板和子板構(gòu)成，母板完成A/D或D/A轉(zhuǎn)換，母板上的FPGA實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)射中的常見信號處理操作，如數(shù)字變頻、增加或降低采樣頻率等；子板上則實(shí)現(xiàn)射頻端的發(fā)送和接收功能，一個(gè)母板可接兩個(gè)子板，以構(gòu)成收發(fā)雙工系統(tǒng)，多個(gè)母板可以級聯(lián)成MIMO系統(tǒng)。GNU Radio軟件實(shí)現(xiàn)各種基帶信號處理、數(shù)據(jù)打包、信號的分析、顯示等操作［2］。

圖1 USRP與GNU Radio構(gòu)成的軟件無線電通信系統(tǒng)示意圖

USRP母板上有4個(gè)高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和4個(gè)高速數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。最新款的X系列上ADC采樣頻率可達(dá)200 MS/s，采樣位數(shù)為14 bit；數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC采樣頻率可達(dá)800 MS/s，采用位數(shù)為16 bit。母板通過USB或者以太網(wǎng)口連接至計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)平臺與計(jì)算機(jī)之間的通信。4個(gè)ADC輸入和4個(gè)DAC輸出通道也可以通過配對變成兩個(gè)復(fù)輸入和兩個(gè)復(fù)輸出通道實(shí)現(xiàn)復(fù)采樣，具有很大的靈活性。

USRP的子板分為單獨(dú)收發(fā)子板和收發(fā)一體子板。單獨(dú)收發(fā)的子板有:Basic TX和Basic RX覆蓋頻率范圍為1～250 MHz；LFTX和LFRX子板覆蓋頻率范圍為30～250 MHz；TVRX2子板覆蓋頻率范圍為50～860 MHz；DBSRX2子板覆蓋頻率范圍為800 MHz～2.4 GHz。收發(fā)一體子板有:WBX子板覆蓋頻率范圍為50 MHz～2.2 GHz；SBX子板覆蓋頻率范圍為400 MHz～4.4 GHz。此外還有XCVR2450、RFX900、RFX1200、RFX1800、RFX2400等子板，覆蓋頻率從幾百兆到幾千兆不等，功率也在50～200 mW范圍內(nèi)［3］。

GNU Radio因其開放性和低成本，擁有很多用戶。它的信號處理模塊是使用C++編寫的，而其高級的組織連接和聯(lián)合操作都由python實(shí)現(xiàn)。作為一款開源軟件，GNU Radio不僅提供了很多常用的信號處理模塊，還具有簡單明了的GUI界面（Gnuradio-companion），這為不熟悉python語言編程的用戶提供了方便。Gnuradio-companion中有用于信號處理的blocks，如source類型的波形源、隨機(jī)變量源等，modulate類型的FM mod、FM demod、PSK mod、PSK demod等各種調(diào)制解調(diào)方式blocks，以及filter類型的低通、帶通、高通濾波器等。此外，Gnuradio-companion還提供USRP的sink和source blocks用于從USRP上接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，與USRP無縫連接形成軟件無線電系統(tǒng)。學(xué)生可根據(jù)自己需求選擇blocks，設(shè)置參數(shù)，然后連接相應(yīng)的輸入輸出口完成無線電系統(tǒng)的建模。學(xué)生還可以根據(jù)需要，用C++編寫模塊，在GNU Radio中完成自己的信號處理任務(wù)。

2 頻譜感知實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)的目的是給出通用的頻譜感知設(shè)計(jì)過程，適合較寬頻段范圍內(nèi)的寬帶和窄帶信號，且適合信號形式已知或未知的狀況，學(xué)生對設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)有可操作性。為此，實(shí)驗(yàn)選擇了覆蓋頻段較寬的WBX子板（可感知50 MHz～2.2 GHz范圍內(nèi)的頻譜使用狀況），檢測部分采用容易掌握的能量算法，構(gòu)造的監(jiān)測系統(tǒng)中部分模塊可重構(gòu)。作為實(shí)例，本文以87～108 MHz的城市調(diào)頻廣播信號為對象，給出了感知的過程和結(jié)果。

2.1 頻譜感知原理

頻譜感知技術(shù)的功能是無線電通信系統(tǒng)感知周圍頻譜的使用情況，發(fā)現(xiàn)未在使用的頻譜，并反饋給決策層，讓決策層決定是否占用該頻段。同時(shí)還要實(shí)時(shí)、持續(xù)感知，保證在授權(quán)用戶出現(xiàn)后，未授權(quán)用戶可以做出及時(shí)避讓，切換到其他未使用頻段，以免造成對主用戶的干擾。具體過程如圖2所示。

頻譜感知的主要方法有能量檢測法、匹配濾波檢測法、循環(huán)平穩(wěn)檢測法和小波檢測法等。能量檢測是頻譜感知技術(shù)中最常用的方法，因其計(jì)算復(fù)雜度低，易于實(shí)現(xiàn)而得到廣泛使用。它是一種非相干檢測法，適用于任何信號，不需要傳輸信號的先驗(yàn)信息，可以直接通過接收到的一定帶寬內(nèi)的信號能量大小來判斷信號的存在。

圖2 頻譜感知的具體任務(wù)框圖

能量檢測法按信號的處理方式不同又可以分為時(shí)域檢測法和頻域檢測法。時(shí)域檢測法是指對輸入信號在時(shí)域上進(jìn)行采樣，然后取N點(diǎn)信號的模平方和。頻域檢測法則是指對輸入信號進(jìn)行N點(diǎn)FFT，將信號從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，然后對N點(diǎn)FFT后信號取模平方和。根據(jù)這兩種求能量方法的結(jié)果，學(xué)生也可以同時(shí)驗(yàn)證帕斯瓦爾定理。

以時(shí)域檢測法為例建立如下輸入信號模型:

式中，s（t）為傳輸信號，n（t）為加性高斯白噪聲信號。在沒有信號的純噪聲環(huán)境下，有:

檢測統(tǒng)計(jì)量U為接收到的信號的能量（這里只存在噪聲能量Un），n［k］為采樣后的噪聲值。檢測統(tǒng)計(jì)量服從自由度為M的卡方分布。在恒虛警的前提下有:

假設(shè)虛警概率為pfa，根據(jù)式（4）可得檢測門限:

因此有檢測判決式:

式（2）采用的時(shí)域序列，若替換為頻域序列，根據(jù)帕斯瓦爾定理，檢測的原理相似。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

頻譜感知算法在軟件無線電平臺上的實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 頻譜感知過程

首先，要分析監(jiān)測的對象。若是已知信號，中心頻率是多少，是寬帶還是窄帶，是間歇脈沖信號還是連續(xù)信號；若是未知信號，則需在檢測之前，跳變多個(gè)窄帶頻段，根據(jù)當(dāng)前設(shè)置尋找無信號的頻段，作為閾值和增益的設(shè)計(jì)依據(jù)。然后，設(shè)計(jì)主要參數(shù)，包括增益、子板工作頻率、濾波器、采樣率、采樣時(shí)間窗和檢測算法。最后，設(shè)計(jì)監(jiān)測結(jié)果的顯示形式，可給出統(tǒng)計(jì)直方圖，或瀑布圖展示頻譜占用與時(shí)間的關(guān)系，或典型時(shí)刻的快拍圖。設(shè)計(jì)完成后，選擇相應(yīng)的GNU Radio模塊；而檢測算法部分則需編寫程序，整個(gè)系統(tǒng)在USRP N210母板和WBX子板上實(shí)現(xiàn)，天線則選擇覆蓋3個(gè)頻段的VERT400。

2.3 設(shè)計(jì)實(shí)例

下面針對成都市城市FM廣播信號進(jìn)行感知，利用能量檢測法對廣播信號出現(xiàn)的頻段、時(shí)間，以及強(qiáng)弱等情況進(jìn)行分析。

1）信號特點(diǎn)

城市廣播信號占據(jù)的頻段為87～108 MHz，信號帶寬為150 kHz，最大頻偏為±75 kHz，每個(gè)頻段保留25 kHz的安全間隔。以成都市為例，它主要的幾個(gè)廣播頻道有88.2、91.4、94.6、99.6、102.6、103.2、105.1 MHz等。

2）參數(shù)設(shè)計(jì)

接收信號的增益為10 dB，采樣頻率為1 MHz，頻偏濾波器的范圍為-75～75 kHz，低通濾波器截止頻率設(shè)置為75 kHz，取512個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)對信號進(jìn)行分析。

3）實(shí)現(xiàn)

對接收到的信號進(jìn)行放大并帶通濾波，增益為10 dB，濾波器的中心頻率設(shè)置為87～108 MHz，再根據(jù)接收信號的頻譜圖進(jìn)行頻率修正處理（在±75 kHz之間修正，使顯示的能量盡可能達(dá)到最大）。然后讓信號經(jīng)過低通濾波器，對濾波后信號進(jìn)行能量檢測、判決以及結(jié)果顯示。在GNU Radio中構(gòu)建的系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 GNU Radio中的原理框圖

圖4中主要模塊的功能如下。

1）USRP Source模塊可以設(shè)定接收增益、采樣頻率以及接收信號的中心頻率，另一個(gè)功能是在接收信號的同時(shí)對信號進(jìn)行帶通濾波，并將中心頻率附近寬度為fs/2的信號搬移到基帶。

2）Frequency Xlating FIR Filter模塊用來設(shè)置頻率偏移，由于FM廣播信號最大頻偏為±75 kHz，將該濾波器的中心頻率仍設(shè)置為變量，范圍為-75～75 kHz。在檢測過程中，可以根據(jù)Waterfall圖顯示的能量分布來實(shí)時(shí)調(diào)整頻偏。

3）Low Pass Filter為低通濾波器模塊，F(xiàn)M廣播信號的帶寬為150 kHz，這里設(shè)置濾波器截止頻率為75 kHz。

4）Complex to Mag^2和Threshold模塊分別對信號求模平方和計(jì)算門限大小。

5）WX GUI Scope Sink模塊用于顯示結(jié)果。

圖5 監(jiān)測結(jié)果圖

圖5為圖4中WX GUI Waterfall Sink模塊的瀑布圖，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為時(shí)間。可見在103 MHz頻點(diǎn)附近（102.6 MHz和103.2 MHz處）存在兩個(gè)能量較強(qiáng)的信號，這兩個(gè)頻點(diǎn)就是成都市FM廣播的兩個(gè)典型頻率。

3 結(jié)束語

本文討論了由USRP和GNU Radio構(gòu)成的軟件無線電平臺上設(shè)計(jì)頻譜感知實(shí)驗(yàn)的方法。對USRP的由來、特點(diǎn)、子板、母板和軟件分別作了介紹，給出了基于能量檢測的頻譜感知原理，結(jié)合感知的原理，討論了頻譜感知實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，最后，以城市調(diào)頻廣播為例，給出了設(shè)計(jì)的過程和感知的結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)可用于頻譜感知和頻譜管理的相關(guān)課程。

［1］黃凌.基于GNU Radio和USRP的認(rèn)知無線電平臺研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2010.

［2］王洪，陳祝明，孫清清.基于USRP和GNU Radio的《軟件無線電》課程實(shí)驗(yàn)［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，10（4）:99-103.

［3］BLOSSOM E.Exploring GNU radio［EB/OL］.（2004-11-29）.［2013-01-28］.http:∥www.gnu.org/ software/gnuradio/doc/exploring-gnuradio.html.

［4］SARIJARIMA，MARWANTOA，F(xiàn)ISALN，et al.Energy detection sensing based on GNU radio and USRP:An analysis study［C］//2009 IEEE 9th Malaysia InternationalConferenceonCommunications.［S.l.］: IEEE，2009:338-340.

［5］KIMJY，MARCUMAC，BALMOSAD，et al.Implementation and analysis of energy detection-based sensing using USRP/SBX platform［C］//Military Communications Conference（MILCOM）. ［S.l.］:IEEE，2014:1504-1509.

［6］曹俊杰.基于GNU Radio和USRP的認(rèn)知無線電頻譜感知技術(shù)研究［D］.陜西:西安電子科技大學(xué)，2014.

［7］MUKHERJEE A.Advanced energy sensing techniques implemented through source number detection for spectrum sensing in cognitive radio［M］.Advances in Intelligent Systems&Computing，2015: 179-187.

Design of Spectrum Sensing Experiment Based on SDR Platform

WANG Hong，CHEN Zhuming，GUO Ruigang
（School of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Spectrum sensing is the core of cognitive radio，dynamic spectrum distribution and electronic reconnaissance.Universal experiment of spectrum sensing can be used in many relevant courses.Spectrum sensing experiment can be reconstructed by programming and be applicable to wide frequency range and signal diversity.This paper introduces the software platform with USRP and GNU Radio first.Then basic theory of spectrum sensing is discussed.We design experiments based on energy detection.Finally，frequency modulation broadcasting in city is chosen as an example to show the procedure and results of spectrum sensing.

software radio；universal software radio peripheral；spectrum sensing；energy detection

TN014

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.005

2015-08-15

國家自然科學(xué)基金（61139003）

王 洪（1974-），男，副教授，主要從事軟件無線電，雷達(dá)信號處理和民用航空電子技術(shù)方面的研究。