基于USRP軟件定義無線電的DOA估計技術研究

艾靈玉，周 彪

（江南大學 江蘇 無錫 214122）

1 基于軟件定義無線電的DOA估計研究背景

利用天線陣列推測入射角的波達方向（direction of arrival，DOA）研究廣泛應用于雷達信號處理、無線通信等諸多領域。但是由于多天線相控陣列成本較高，導致目前對于DOA估計的研究局限于算法理論研究階段。軟件定義無線電技術可以實現將通信系統從硬件轉移到軟件，實現虛擬化通信系統[1]。對于軟件定義無線電（soft defined radio，SDR）技術的概念，最早的學者是Joseph Mitola[2]，他將軟件定義無線電技術定義為“一組處理數字信號的原函數”?？梢詫⑦@些原函數組成通信系統功能和一組目標處理器，軟件無線電依托于這套系統實現實時通信過程。SDR技術具有軟件的靈活、可升級、可編程且結構的開放性等特點，因此在復雜系統的仿真科研方面有很大的潛力。

2 USRP軟件定義無線電硬件平臺

USRP硬件平臺有著多個不同的類型，其中Ettus Research USRP X310是一個高性能、可伸縮的軟件定義無線電平臺。USRP X310的核心[3]：XC7K410T FPGA提供設備內所有主要部件之間的高速連接，包括無線電前端、主機接口和DDR 3存儲器。

用于USRP X系列軟件定義無線電平臺的TwinRX子板是一種用于高性能頻譜監測和測向應用的雙通道超外差接收機。TwinRx可多通道共享本振，支持相位相干和相位對齊；只有X系列（USRP X310/X300），可以與TwinRX 組合，構成一個4路天線同時接收的系統。

3 基于X310和雙TwinRX子板的四通道DOA估計過程

3.1 驅動安裝階段

本次實驗在Ubuntu16.04系統下進行，更新系統UHD驅動軟件步驟如下。

首先打開終端，并安裝依賴包，之后輸入代碼：

3.2 安裝GNU Radio以及硬件配置

GNU Radio是一款構建和應用軟件無線電開發的工具包。它可以用外部的RF硬件設備和處理器實現軟件無線電。

第1步：首先需要構建安裝環境，即在終端git clone其軟件包。

DOA估計實驗之前，需要先配置USRP硬件設備才能在軟件上順利使用。

發射端USRP B210的配置：打開終端輸入

sudo uhd_find_devices

sudo uhd_usrp_probe

接收端USRP X310的配置：

第1步：首先在另一個PC端創建一個以太網電源適配器為USRP310，以太網的設置過程如下：IP地址為192.168.0.2；子網掩碼：255.255.255.0；網關：0。

第2步：連接網線，打開USRP X310的電源，并在接收端的臺式機上連接步驟1中設置好的USRP 310。

第3步：打開終端：sudo uhd_find_devices

sudo uhd_usrp_probe

3.3 校準過程

首先用1根SMA-M電纜把功率分配器的輸入端口和USRP B210的RF-A端口連在一起。之后再用4根長度相同的SMA-M電纜把功率分配器的4個輸出端口和USRP X310的RF-A的TX/RX和RX2端口，RF-B的TX/RX和RX2端口連在一起。最后把發射機USRP B210和接收機USRP X310各連接在PC端。

第1步：在連接到USRP B210的PC主機端，打開GNU Radio的工程文件gr-doa/apps文件庫里的run_DoA_transmitter.grc。并設置相關參數，之后執行。本次實驗設置的具體參數如下：音頻頻率：10 KHz，采樣率1 M/s，中心頻率2.45 GHz，無線電的IP地址：192.168.10.2。

第2步：在連接到USRP X310的PC主機端上，同樣打開GNU Radio的gr-doa/apps工程文件，接著打開estimate_X310_TwinRX_constant_phase_offsets_and_save.grc 文件，并設置其中各項參數同第1步驟相同，同時還配置無線電的IP地址以及包含相位偏移值的文件的存儲路徑，之后執行流程。

第3步：在連接到USRP X310的PC主機端，繼續打開view_X310_TwinRX_op_with_corrected_phase_offsets.grc文件。同時調整各項參數值與3.3中第1步驟相同，之后運行流程，查看結果，驗證是否校正了相位偏移。

第4步：再打開gr-doa工程文件中的calculate_X310_TwinRX_phase_sync_accuracy.grc。確保各項參數值與3.3中第1步驟相同。配置將存儲包含校正的相位偏移值的配置文件的路徑。之后執行流程并打開配置文件，以確定相位偏移校正的準確性。

3.4 DOA測向

配備兩個TwinRx的USRP X310硬件設備現在已校準并且可以使用于DOA估計實驗中。在實驗中，目標的入射信號源為窄帶信號，均勻線形陣列中的陣元數目M=4，使用配備TwinRx的USRP X310進行MUSIC算法來進行DOA估計實驗。另外還需要以下設備：5個Vert2450天線、2個具有相等間隔距離的陣列夾具、4根等長度的SMA-M至SMA-M電纜，用于將陣列夾具固定的天線連接到X310上RF-A和RF-B的TX/RX和 RX2端口。

由于信號的中心頻率為2.45 GHz，那么波長為0.1 224 m，即半波長約6 cm。強烈建議根據音頻中心頻率將天線陣元間距設置半波長或更低，在較大距離上布置的天線陣元會導致混疊效應，將影響DOA算法的分辨率。

DoA估計的詳細過程如下。

第1步：斷開連接USRP X310和USRP B210的電纜，同時拿掉功率分配器。然后連接USRP X310的RF-A（TX/RX和RX2）和RF-B（TX/RX和RX2），4個端口與均勻陣列板上的4個天線連在一起。最后將發射器與接收器天線陣列保持一定距離并以已知角度放置。

第2步：連接到USRP B210的PC主機端，打開run_DoA_transmitter.grc文件，設置其參數，并執行流程。此處的實驗結果與校準過程中第1步的實驗結果相同。

第3步：連接到USRP X310的PC主機端，在GNU Radio軟件平臺中打開gr-doa工程文件，再打開calibrate_lin_array_X310_TwinRX.grc流程，設置其參數，之后執行流程。

第4步：連接到USRP X310的PC端，打開gr-doa工程文件中的run_MUSIC_lin_array_X310_TwinRX.grc，并執行流程。確認指南針小部件顯示的到達角度與預期角度匹配（圖1）。

圖1 DOA的結果圖——結果顯示接受信號源與均勻線形陣列約成110度

4 實驗結果分析

本次實驗所采用的是配備兩塊TwinRX子板的USRP X310硬件設備，不僅可以恒定可重復相對相位偏移，還可以提供寬泛的動態范圍以及精確的相位同步，因此本文主要是利用TwinRx的這個特點來實現DOA估計。