基于軟件無線電的頻譜檢測技術(shù)

李 楊，牛 侃，董 旭

（31007部隊(duì)，北京 100079）

1 引言

目前我國的電磁頻譜監(jiān)測設(shè)備價(jià)格昂貴、靈活性有限，最重要的是受限于種種原因，數(shù)據(jù)格式封閉，無法進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析和挖掘。本文實(shí)現(xiàn)了一種基于軟件無線電（SDR）的頻譜檢測平臺(tái)，該平臺(tái)是基于軟件無線電的頻譜監(jiān)測平臺(tái)的第一步。

2 軟件無線電技術(shù)簡介

軟件無線電的起源可以追溯至20世紀(jì)80年代美軍軍用通信的發(fā)展革新。軟件無線電的概念由Joseph Mitola博士于1991年提出，并作為認(rèn)知無線電理想的平臺(tái)演進(jìn)。軟件無線電的核心思想是在通用的硬件平臺(tái)（通常是通用計(jì)算機(jī)或者嵌入式系統(tǒng)）上加載不同的軟件，實(shí)現(xiàn)不同制式無線電系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換。這種設(shè)計(jì)思想極大縮短了無線電系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間和成本，具有極高的靈活性和適應(yīng)性，并易于不同無線電系統(tǒng)之間的互相通信。軟件無線電有如下特征：天線智能化，支持智能天線技術(shù)，如數(shù)字波束成形；前端開放化，寬頻帶的射頻前端能夠兼容不同的空中接口標(biāo)準(zhǔn)；中頻寬帶化，寬帶數(shù)字中頻支持不同帶寬的無線電系統(tǒng)，甚至可以采用零中頻技術(shù)；硬件通用化，采用通用的硬件平臺(tái)或模塊，這是“功能軟件化”的基礎(chǔ)；功能軟件化，實(shí)現(xiàn)“軟件”定制功能；軟件結(jié)構(gòu)化，通過軟件升級(jí)支持不同的功能。

軟件無線電技術(shù)是融合通信、計(jì)算機(jī)、電子等多個(gè)領(lǐng)域的綜合學(xué)科，由模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件組成通用的信號(hào)處理平臺(tái)，將成為“21世紀(jì)對世界最具影響力的新興技術(shù)之一”。從原理上講，軟件無線電的設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適用于任何無線電系統(tǒng)。圖1介紹一種自主開發(fā)的軟件無線電系統(tǒng)，這是本文實(shí)現(xiàn)的頻譜檢測技術(shù)的平臺(tái)。

圖1 軟件無線電系統(tǒng)

該軟件無線電架構(gòu)主要由四部分組成：發(fā)射/接收天線、射頻前端、FPGA和PC。發(fā)射/接收天線負(fù)責(zé)發(fā)射和接收目標(biāo)監(jiān)測信號(hào)；射頻前端通過A/D、D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換；FPGA主要進(jìn)行數(shù)字上/下變頻以及與PC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)端口通信；PC上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信號(hào)的捕獲跟蹤、特征識(shí)別、分析與分類等功能，其他信號(hào)處理和計(jì)算功能也可以基于該單元完成。PC上位機(jī)同時(shí)負(fù)責(zé)信號(hào)的加密/解密、信號(hào)處理結(jié)果的顯示等功能。由圖1可見，軟件無線電的這種架構(gòu)使得軟硬件分離，大大減少了監(jiān)測信號(hào)處理分析對硬件的依賴，使得對監(jiān)測信號(hào)的分析更加靈活可控。一旦硬件設(shè)計(jì)完畢，針對不同的監(jiān)測信號(hào)分析需求，在PC上位機(jī)通過軟件加載相應(yīng)的算法即可實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

所設(shè)計(jì)的上述軟件無線電平臺(tái)，典型硬件指標(biāo)參數(shù)如下：集成12位DAC和ADC射頻22天線收發(fā)單元；支持頻段70MHz-6000MHz；可調(diào)諧通道帶寬200kHz至56MHz；接收機(jī)靈敏度噪聲系數(shù)2dB（本振800MHz）；獨(dú)立的自動(dòng)增益控制；Tx EVM為-40dB；Tx噪聲為-157dBm/Hz底噪。

在上行（發(fā)射）端，PC首先對待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密、信源編碼、信道編碼、基帶調(diào)制之后，通過千兆網(wǎng)口把調(diào)制數(shù)據(jù)發(fā)送到FPGA進(jìn)行成形濾波和數(shù)字上變頻。成形濾波一般采用升余弦濾波器，濾波器系數(shù)可通過軟件配置。濾波器輸出數(shù)據(jù)送入多普勒模擬模塊，根據(jù)多普勒頻移和多普勒變化模型要求，產(chǎn)生頻偏，作用于數(shù)字信號(hào)。同時(shí)，F(xiàn)PGA中可生成模擬的噪聲源，根據(jù)發(fā)射測試信號(hào)要求配置不同的信噪比。FPGA的輸出信號(hào)送至射頻前端芯片，完成D/A轉(zhuǎn)換、濾波、方法、混頻、功率放大處理，通過天線發(fā)送射頻信號(hào)。

在下行（接收）端，首先通過特定天線采集信號(hào)，射頻前端完成低噪放、混頻、可變增益放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換，獲取基帶數(shù)字信號(hào)，傳輸至FPGA。FPGA完成數(shù)字下變頻和相應(yīng)的信號(hào)濾波，將信號(hào)傳輸?shù)絇C處理。PC根據(jù)設(shè)定的功能，完成對信號(hào)的跟蹤、捕獲、識(shí)別、定位、分類和分析。同時(shí)，PC實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面，方便對數(shù)據(jù)的控制和分析結(jié)果的顯示。在本文中，PC主要實(shí)現(xiàn)頻譜檢測的功能，其他頻譜分析功能將在后續(xù)工作中逐步實(shí)現(xiàn)。

3 頻譜檢測技術(shù)

該平臺(tái)集成了多種頻譜檢測算法，因篇幅所限，僅介紹基于循環(huán)譜的頻譜檢測算法，其他算法不再贅述。

循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)是信號(hào)的一階或二階統(tǒng)計(jì)特性滿足一定的周期性。假定隨機(jī)信號(hào)均值為，其自相關(guān)函數(shù)為若有：

則稱x（t）為廣義循環(huán)平穩(wěn)信號(hào)，T為周期。自相關(guān)函數(shù)是t的周期函數(shù)，因此可用傅里葉級(jí)數(shù)展開表示：

其中：

令U（f）、V（f）為u（t）、v（t）的傅里葉變換，則循環(huán)譜可表示為：

圖2顯示基于循環(huán)譜的頻譜檢測算法在軟件無線電平臺(tái)上的處理流程。

圖2 基于循環(huán)譜的頻譜檢測算法流程圖

4 基于軟件無線電的頻譜檢測平臺(tái)

通過對軟件無線電平臺(tái)的設(shè)計(jì)和頻譜檢測技術(shù)的分析，本文設(shè)計(jì)了基于軟件無線電的頻譜檢測平臺(tái)，人機(jī)交互界面如圖3所示。人機(jī)交互界面用于數(shù)據(jù)輸入輸出的選擇、系統(tǒng)參數(shù)的配置和結(jié)果的顯示，該交互界面使用MATLAB的GUIDE實(shí)現(xiàn)，界面設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步地優(yōu)化。

圖3 平臺(tái)人機(jī)交互界面

該平臺(tái)的實(shí)物連接如圖4所示，硬件與PC通過網(wǎng)口和USB連接，USB用于供電，也可以利用電源插頭供電；網(wǎng)口用于PC和硬件電路之間的通信，兩個(gè)天線為單發(fā)單收天線，具有標(biāo)準(zhǔn)天線連接端口，可與多種類型天線連接，從而實(shí)現(xiàn)各頻段信號(hào)的發(fā)射和接收功能。

圖4 基于軟件無線電的頻譜檢測平臺(tái)

為了驗(yàn)證平臺(tái)的有效性，利用該平臺(tái)的發(fā)射端實(shí)現(xiàn)了BPSK調(diào)制信號(hào)的生成和發(fā)射，經(jīng)過信道傳輸之后，接收端采集并對其進(jìn)行頻譜檢測分析。發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的波形分別如圖5和圖6所示。

圖5 BPSK調(diào)制信號(hào)波形及頻譜圖

圖6 BPSK接收信號(hào)的時(shí)域圖和頻域圖

由圖6可以看出，僅僅通過對接收信號(hào)的時(shí)域圖和頻域圖無法判斷出信號(hào)的頻譜特征，必須通過頻譜檢測算法獲取信號(hào)的頻譜特征，經(jīng)過頻譜檢測的信號(hào)波形如圖7所示。

圖7 循環(huán)譜頻譜監(jiān)測信號(hào)波形圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于軟件無線電的頻譜檢測平臺(tái)，該平臺(tái)的所有過程中生成的數(shù)據(jù)格式完全自主可控，并且可以用于進(jìn)一步地分析處理，為我國精細(xì)化、實(shí)時(shí)化、動(dòng)態(tài)化的監(jiān)測和頻譜管控提供平臺(tái)和數(shù)據(jù)支撐。該系統(tǒng)采用通用的PC作為頻譜數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，可與現(xiàn)有的頻譜監(jiān)測軟件和頻譜管理軟件實(shí)現(xiàn)兼容。下一步研究工作：一是在該平臺(tái)上擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)頻譜監(jiān)測功能；二是基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的信號(hào)定位、分析和識(shí)別；三是精細(xì)化的動(dòng)態(tài)頻譜管理。