基于軟件無線電的頻譜檢測技術

李 楊，牛 侃，董 旭

（31007部隊，北京 100079）

1 引言

目前我國的電磁頻譜監測設備價格昂貴、靈活性有限，最重要的是受限于種種原因，數據格式封閉，無法進行進一步的數據分析和挖掘。本文實現了一種基于軟件無線電（SDR）的頻譜檢測平臺，該平臺是基于軟件無線電的頻譜監測平臺的第一步。

2 軟件無線電技術簡介

軟件無線電的起源可以追溯至20世紀80年代美軍軍用通信的發展革新。軟件無線電的概念由Joseph Mitola博士于1991年提出，并作為認知無線電理想的平臺演進。軟件無線電的核心思想是在通用的硬件平臺（通常是通用計算機或者嵌入式系統）上加載不同的軟件，實現不同制式無線電系統間的轉換。這種設計思想極大縮短了無線電系統開發時間和成本，具有極高的靈活性和適應性，并易于不同無線電系統之間的互相通信。軟件無線電有如下特征：天線智能化，支持智能天線技術，如數字波束成形；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準；中頻寬帶化，寬帶數字中頻支持不同帶寬的無線電系統，甚至可以采用零中頻技術；硬件通用化，采用通用的硬件平臺或模塊，這是“功能軟件化”的基礎；功能軟件化，實現“軟件”定制功能；軟件結構化，通過軟件升級支持不同的功能。

軟件無線電技術是融合通信、計算機、電子等多個領域的綜合學科，由模塊化、標準化的硬件組成通用的信號處理平臺，將成為“21世紀對世界最具影響力的新興技術之一”。從原理上講，軟件無線電的設計思想和系統結構適用于任何無線電系統。圖1介紹一種自主開發的軟件無線電系統，這是本文實現的頻譜檢測技術的平臺。

圖1 軟件無線電系統

該軟件無線電架構主要由四部分組成：發射/接收天線、射頻前端、FPGA和PC。發射/接收天線負責發射和接收目標監測信號；射頻前端通過A/D、D/A轉換器完成數字信號和模擬信號的轉換；FPGA主要進行數字上/下變頻以及與PC進行網絡端口通信；PC上位機主要實現監測信號的捕獲跟蹤、特征識別、分析與分類等功能，其他信號處理和計算功能也可以基于該單元完成。PC上位機同時負責信號的加密/解密、信號處理結果的顯示等功能。由圖1可見，軟件無線電的這種架構使得軟硬件分離，大大減少了監測信號處理分析對硬件的依賴，使得對監測信號的分析更加靈活可控。一旦硬件設計完畢，針對不同的監測信號分析需求，在PC上位機通過軟件加載相應的算法即可實現預期功能。

所設計的上述軟件無線電平臺，典型硬件指標參數如下：集成12位DAC和ADC射頻22天線收發單元；支持頻段70MHz-6000MHz；可調諧通道帶寬200kHz至56MHz；接收機靈敏度噪聲系數2dB（本振800MHz）；獨立的自動增益控制；Tx EVM為-40dB；Tx噪聲為-157dBm/Hz底噪。

在上行（發射）端，PC首先對待發送的數據信息進行加密、信源編碼、信道編碼、基帶調制之后，通過千兆網口把調制數據發送到FPGA進行成形濾波和數字上變頻。成形濾波一般采用升余弦濾波器，濾波器系數可通過軟件配置。濾波器輸出數據送入多普勒模擬模塊，根據多普勒頻移和多普勒變化模型要求，產生頻偏，作用于數字信號。同時，FPGA中可生成模擬的噪聲源，根據發射測試信號要求配置不同的信噪比。FPGA的輸出信號送至射頻前端芯片，完成D/A轉換、濾波、方法、混頻、功率放大處理，通過天線發送射頻信號。

在下行（接收）端，首先通過特定天線采集信號，射頻前端完成低噪放、混頻、可變增益放大、濾波和A/D轉換，獲取基帶數字信號，傳輸至FPGA。FPGA完成數字下變頻和相應的信號濾波，將信號傳輸到PC處理。PC根據設定的功能，完成對信號的跟蹤、捕獲、識別、定位、分類和分析。同時，PC實現人機交互界面，方便對數據的控制和分析結果的顯示。在本文中，PC主要實現頻譜檢測的功能，其他頻譜分析功能將在后續工作中逐步實現。

3 頻譜檢測技術

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

循環平穩信號是信號的一階或二階統計特性滿足一定的周期性。假定隨機信號均值為，其自相關函數為若有：

則稱x（t）為廣義循環平穩信號，T為周期。自相關函數是t的周期函數，因此可用傅里葉級數展開表示：

其中：

令U（f）、V（f）為u（t）、v（t）的傅里葉變換，則循環譜可表示為：

圖2顯示基于循環譜的頻譜檢測算法在軟件無線電平臺上的處理流程。

圖2 基于循環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

通過對軟件無線電平臺的設計和頻譜檢測技術的分析，本文設計了基于軟件無線電的頻譜檢測平臺，人機交互界面如圖3所示。人機交互界面用于數據輸入輸出的選擇、系統參數的配置和結果的顯示，該交互界面使用MATLAB的GUIDE實現，界面設計需要進一步地優化。

圖3 平臺人機交互界面

該平臺的實物連接如圖4所示，硬件與PC通過網口和USB連接，USB用于供電，也可以利用電源插頭供電；網口用于PC和硬件電路之間的通信，兩個天線為單發單收天線，具有標準天線連接端口，可與多種類型天線連接，從而實現各頻段信號的發射和接收功能。

圖4 基于軟件無線電的頻譜檢測平臺

為了驗證平臺的有效性，利用該平臺的發射端實現了BPSK調制信號的生成和發射，經過信道傳輸之后，接收端采集并對其進行頻譜檢測分析。發射信號和接收信號的波形分別如圖5和圖6所示。

圖5 BPSK調制信號波形及頻譜圖

圖6 BPSK接收信號的時域圖和頻域圖

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

圖7 循環譜頻譜監測信號波形圖

5 結束語

本文設計實現了一種基于軟件無線電的頻譜檢測平臺，該平臺的所有過程中生成的數據格式完全自主可控，并且可以用于進一步地分析處理，為我國精細化、實時化、動態化的監測和頻譜管控提供平臺和數據支撐。該系統采用通用的PC作為頻譜數據分析平臺，可與現有的頻譜監測軟件和頻譜管理軟件實現兼容。下一步研究工作：一是在該平臺上擴展實現頻譜監測功能；二是基于大數據和云計算技術的信號定位、分析和識別；三是精細化的動態頻譜管理。