基于GNURadio的頻譜分析儀設(shè)計(jì)

金偉正， 趙小月， 肖 云， 林漫暉

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，武漢 430079)

0 引 言

目前，頻譜分析儀主要分為超外差式掃描調(diào)諧分析儀和傅里葉分析儀兩大類[1]。傅里葉分析儀難以對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行分析；超外差式掃描調(diào)諧分析儀對(duì)硬件要求很高，且這兩類頻譜分析儀難以同時(shí)滿足高頻率分辨率和寬頻帶的要求。將模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器盡量靠近天線，直接使射頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)中處理的數(shù)據(jù)信息，在計(jì)算機(jī)中編寫軟件模塊來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的復(fù)雜處理過程，最后使這樣的無線電系統(tǒng)具有良好的靈活性和擴(kuò)展性，這就是軟件無線電技術(shù)的設(shè)計(jì)思想[2]。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代頻譜分析儀朝著數(shù)字化、模塊化、軟件化的方向不斷演進(jìn)[3-4]。現(xiàn)代的頻譜分析儀中已經(jīng)采用軟件無線電結(jié)構(gòu)，利用模擬的射頻接收端和全數(shù)字式的中頻接收處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高頻率分辨率和多測(cè)量功能。

本文基于軟件無線電的采用寬帶中頻數(shù)字化方案的頻譜分析儀可廣泛用于信號(hào)的實(shí)時(shí)頻譜分析，相比傳統(tǒng)的頻譜分析儀，具有頻譜分析誤差小，頻率分辨率高；頻帶寬；具有靈活性、開放性、模塊化結(jié)構(gòu)；便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的頻譜分析儀設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由天線、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)、中頻接收模塊、ADC模塊、混頻模塊、抽取濾波模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、DSP模塊、移動(dòng)客戶端顯示模塊、云端存儲(chǔ)模塊組成。設(shè)計(jì)的性能目標(biāo)：頻率分辨率 1-3-10為步進(jìn)，共有6個(gè)檔位(0.03，0.10，0.30，1，3，10 kHz)；中頻頻率為2.6 GHz；動(dòng)態(tài)范圍為75 dB；AD工作頻率為20 MHz。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件模塊由射頻模塊、中頻接收模塊、ADC模塊、混頻模塊組成，與軟件無線電支持的外部設(shè)備HackRF One有著相似的架構(gòu)。故可采用HackRF One作為頻譜分析儀進(jìn)行射頻和中頻信號(hào)處理的硬件平臺(tái)，其基本架構(gòu)如圖2所示。在軟件無線電系統(tǒng)中，要求天線盡可能覆蓋多頻段[5],HackRF One 可覆蓋0.03～6 GHz的大范圍頻率，其中頻頻點(diǎn)為2.6 GHz，最高采樣頻率為22 MHz。

圖1 頻譜分析儀的設(shè)計(jì)框圖

圖2 HackRF One基本架構(gòu)圖

HackRF One支持GNURadio[6]并可與之配合使用，通過USB口與PC端進(jìn)行相連，主要作用是對(duì)信號(hào)的收發(fā)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、混頻、采樣等處理。以接收過程為例，信號(hào)由天線進(jìn)入后流程如下[7]：①由射頻開關(guān)決定是否經(jīng)由14 dB的放大器進(jìn)行放大；②經(jīng)過鏡像抑制濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行高通或低通濾波；③信號(hào)進(jìn)行RFFC5072芯片混頻到2.6 GHz固定中頻(中頻范圍2.15～2.75 GHz)；④信號(hào)送入MAX2837芯片混頻到基帶，輸出差分的IQ信號(hào)(其間MAX2837芯片可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶寬限制)；⑤MAX5864芯片對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后送入CPLD和單片機(jī)；⑥CPLD處理數(shù)據(jù)；⑦LPC4320/4330處理器將采樣數(shù)據(jù)通過USB送至計(jì)算機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件模塊主要包括抽取濾波模塊、DSP模塊、移動(dòng)客戶端顯示模塊、云端存儲(chǔ)模塊。移動(dòng)客戶端顯示模塊和云端存儲(chǔ)模塊分別是利用APP開發(fā)技術(shù)和云端數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。抽取濾波模塊和DSP模塊則是在軟件平臺(tái)GNURadio上實(shí)現(xiàn)。GNURadio 軟件平臺(tái)上有很多現(xiàn)成的信號(hào)處理模塊，這些模塊可以通過某種機(jī)制連接起來，形成一個(gè)模塊流程圖，這樣就迅速搭建好一個(gè)軟件無線電系統(tǒng)[8]。常見的信號(hào)處理模塊庫有各種調(diào)制方式，觀察信號(hào)波形圖、頻譜圖、星座圖、圖形模塊、糾錯(cuò)碼、濾波器、均衡器等。用戶可通過搭建相應(yīng)的模塊構(gòu)建無線電應(yīng)用的流圖，也可根據(jù)應(yīng)用的需要自定義編碼擴(kuò)展模塊來構(gòu)建自定義的無線應(yīng)用，構(gòu)建應(yīng)用的信號(hào)處理模塊可通過某種機(jī)制連接成一個(gè)系統(tǒng)。在GNURadio軟件平臺(tái)上，采用Python 腳本語言[9]和C++語言混合方式進(jìn)行軟件模塊的編程[10]。C++語言執(zhí)行效率高，主要被用于編寫一些信號(hào)處理模塊；Python語言不需要編譯、語法簡單、面向?qū)ο螅饕糜诟鱾€(gè)信號(hào)處理模塊連接的程序編寫。

3.1 移動(dòng)客戶端顯示和云端存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

移動(dòng)客戶端顯示模塊界面如圖3 (a)所示，軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3 (b)所示。

移動(dòng)端軟件結(jié)構(gòu)主要包括主進(jìn)程MainActivity、HackrfSource、FileIQSource、IQSourceInterface、Scheduler、AnalyzerProcessingLoop、AnalyzerSurface以及FFT等進(jìn)程(或模塊)。軟件執(zhí)行過程如下：在主進(jìn)程MainActivity的調(diào)控下，HackrfSource進(jìn)程采集并處理軟件無線電設(shè)備HackRF接收無線電產(chǎn)生的相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過IQSourceInterface進(jìn)程將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊cheduler進(jìn)程；接收到數(shù)據(jù)后，Scheduler進(jìn)程處于等待狀態(tài)；主進(jìn)程開始執(zhí)行頻譜分析后，Scheduler進(jìn)程停止等待并將數(shù)據(jù)傳至AnalyzerProcessingLoop進(jìn)程；在AnalyzerProcessingLoop進(jìn)程中通過FFT函數(shù)，執(zhí)行傅里葉變化等相關(guān)處理，并通過draw函數(shù)做出相應(yīng)的頻譜圖像。

云端存儲(chǔ)模塊即在云端搭建服務(wù)器，并建立數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)每一用戶在App使用過程中產(chǎn)生的大量頻譜分析數(shù)據(jù)，或可將其擴(kuò)展為數(shù)據(jù)庫集群。考慮到移動(dòng)端密集的I/O需求，使用基于多副本分布式技術(shù)的SSD云盤進(jìn)行數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)。SSD云盤具有高性能、高可靠、彈性擴(kuò)容的特點(diǎn)，能夠提供極強(qiáng)的數(shù)據(jù)持久性。在云端存儲(chǔ)方式中，App與云端數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互，包含實(shí)時(shí)寫入和定時(shí)讀取兩部分。在信號(hào)接收階段，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到云端；在信號(hào)處理與分析階段，采用特定算法，定時(shí)分批從云端讀取大量數(shù)據(jù)至移動(dòng)端，只將分析結(jié)果存儲(chǔ)在本地。

(a)顯示界面

(b)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 DSP、抽取濾波模塊設(shè)計(jì)

DSP模塊主要是利用FFT 進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析。 GNURadio中有模塊Fourier Analysis，包括FFT、Goertzel、Log Power FFT 3個(gè)子模塊，以及多個(gè)sink模塊包含F(xiàn)FT運(yùn)算。用戶可通過調(diào)用這些模塊來得到信號(hào)頻譜圖。利用GNURadio進(jìn)行FFT時(shí)需要設(shè)置采樣頻率。對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣要滿足基本的采樣定理，又稱為奈奎斯特采樣定理，該定理在數(shù)字信號(hào)處理中有廣泛應(yīng)用[11]。即采樣頻率要大于或等于最高頻率的2倍才不會(huì)出現(xiàn)頻譜混疊。但是在工程應(yīng)用中，為了提高信號(hào)的信噪比和降低抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)難度，通常取值是采樣頻率大于等于最高頻率2.5倍[12]。

在頻譜分析系統(tǒng)中，多速率信號(hào)處理是其關(guān)鍵技術(shù)之一。多速率信號(hào)處理是指一個(gè)系統(tǒng)中存在多個(gè)采樣速率，產(chǎn)生這種情況的原因包括抽取和插值兩種情況[13-14]。ADC和混頻后信號(hào)具有較高的采樣速率，需要進(jìn)行采樣率轉(zhuǎn)換，降低采樣速率，減少基帶信號(hào)處理的數(shù)據(jù)量，該處理過程就是基于多速率信號(hào)處理的整數(shù)倍抽取技術(shù)。進(jìn)行該處理過程的是抽取濾波模塊，由抽取模塊和級(jí)聯(lián)FIR抽取濾波器組成。GNURadio中可選擇Rational Resampler Base模塊作為抽取模塊。經(jīng)過抽取后的信號(hào)，需要經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行波形整形。低通濾波器主要分為FIR濾波器和IIR濾波器。FIR濾波器是有限長沖激響應(yīng)，產(chǎn)生的誤差對(duì)系統(tǒng)影響小，同時(shí)由于FIR濾波器具有線性相位，使信號(hào)在處理中不失真，因此選FIR濾波器。GNURadio中Decimating FIR Filter即為抽取FIR濾波器。

DSP模塊和抽取濾波模塊中分別對(duì)FFT點(diǎn)數(shù)和抽取因子進(jìn)行調(diào)整，會(huì)對(duì)頻率分辨率產(chǎn)生影響。頻率分辨率是頻譜分析儀的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，表明了頻譜分析儀分辨兩個(gè)輸入信號(hào)的能力。對(duì)于利用離散傅里葉變換進(jìn)行離散數(shù)字頻譜分析的系統(tǒng)而言，其頻率分辨率[15]：

表1 頻率分辨率大小與抽取因子關(guān)系

首先根據(jù)頻率分辨率檔位和FFT點(diǎn)數(shù)計(jì)算出基帶信號(hào)速率即fs=NΔf，然后根據(jù)基帶信號(hào)速率和ADC采樣率計(jì)算出所需要的總抽取因子D=fad/ND，之后再將D分配到抽取模塊和級(jí)聯(lián)FIR抽取濾波器中，抽取因子均取整數(shù)，再依據(jù)DFIR來確定FIR抽取濾波器的級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)。利用參數(shù)設(shè)置模塊改變抽取濾波抽取因子或FFT點(diǎn)數(shù)便可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)頻率分辨率。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括移動(dòng)客戶端顯示模塊、云端存儲(chǔ)模塊、抽取濾波模塊、DSP模塊的設(shè)計(jì)與測(cè)試；射頻前端、中頻接收、ADC、混頻器的測(cè)試；頻率分辨率、帶寬測(cè)試；整機(jī)的發(fā)射與接收實(shí)驗(yàn)測(cè)試等部分。由于篇幅的限制，本文只給出重要模塊的重要性能測(cè)量方法，包括抽取濾波模塊測(cè)試、射頻中頻測(cè)試(HackRF One測(cè)試)，對(duì)頻譜分析儀的重要參數(shù)頻率分辨率和帶寬進(jìn)行測(cè)試。

4.1 抽取濾波測(cè)試

在GNURadio中搭建抽取濾波的GRC流圖如圖4所示，將采樣頻率設(shè)置為20 MHz，信號(hào)源波形為正弦波，中心頻率為100 kHz，調(diào)整Rational Resampler Base模塊和Decimating FIR filter模塊參數(shù)以及Decimating FIR filter模塊數(shù)量，改變抽取因子，進(jìn)而改變頻率分辨率。分別將頻率分辨率調(diào)為0.03、1、10 kHz，抽取因子設(shè)置見表1，所得抽取濾波后信號(hào)如圖5所示。

圖4 抽取濾波模塊GRC流圖

(a) 30 Hz頻譜圖

(b) 30 Hz時(shí)域波形圖

(c) 1 kHz頻譜圖

(d) 1 kHz時(shí)域波形圖

(e) 10 kHz頻譜圖

(f) 10 kHz時(shí)域波形圖

可見，當(dāng)頻率分辨率較小，即抽取因子較大時(shí)，系統(tǒng)采樣率下降較多，信號(hào)時(shí)域波形具有較小周期，波形失真也會(huì)增大。這與預(yù)期結(jié)果相符，故抽取濾波模塊符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 射頻中頻測(cè)試

將HackRF One通過USB口與PC相連，在GNURadio中搭建圖6所示GRC流圖，采樣率設(shè)置為20 MHz。Audio Sink模塊輸出相應(yīng)頻段上的語音，可以利用其進(jìn)行各種廣播接收，此處不再對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。WX GUI Scope Sink模塊和WX GUI FFT Sink模塊分別輸出時(shí)域和頻域信號(hào)。Osmocom Source模塊為經(jīng)HackRF One輸入的信號(hào)源，通過調(diào)整其頻率來測(cè)試射頻中頻輸入的不同帶寬的信號(hào)。將頻率調(diào)整為0.10、1，6 GHz，觀察其信號(hào)，如圖7所示。當(dāng)在一定范圍內(nèi)時(shí)可以檢測(cè)到語音，且與各廣播頻段分布有關(guān)。較小時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)時(shí)域波形與波形比較復(fù)雜。當(dāng)6 GHz時(shí)，能夠檢測(cè)到信號(hào)，但信號(hào)比較微弱。實(shí)驗(yàn)中射頻中頻模塊能夠?qū)?.1～6 GHz信號(hào)進(jìn)行接收，與預(yù)期效果相同，滿足寬頻帶特性，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 射頻中頻模塊GRC流圖

5 結(jié) 語

(a) 100 MHz頻譜圖

(b) 100 MHz時(shí)域波形圖

(c) 1 GHz頻譜圖

(d) 1 GHz時(shí)域波形圖

(e) 6 GHz頻譜圖

(f) 6 GHz時(shí)域波形圖

設(shè)計(jì)了一種基于GNURadio的頻譜分析儀，通過對(duì)抽取濾波模塊和射頻中頻模塊進(jìn)行簡單測(cè)試，驗(yàn)證了其具有可調(diào)頻率分辨率以及較高頻帶的性能。由于篇幅限制以及并非頻譜分析儀的核心內(nèi)容，并未給出移動(dòng)客戶端顯示和云端存儲(chǔ)這兩個(gè)模塊的測(cè)試。本分析儀成功應(yīng)用于2017級(jí)卓越工程師計(jì)劃的高頻實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教學(xué)效果良好，學(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)可以較為深入地理解和掌握信號(hào)頻域分析設(shè)計(jì)原理和方法。該整體方案進(jìn)行了實(shí)用新型專利的申請(qǐng)登記，同時(shí)獲批樣2018年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目立項(xiàng)。