基于USRP 的測控站實時頻譜監視系統設計與實現

馮 戰，陳文強，陳 磊，陳 帥

（北京航天飛行控制中心，北京 100094）

在衛星地面測控系統中，對無線電頻譜的實時監視至關重要，測控信號的實時頻譜能幫助崗位人員及時獲取測控信號的狀態，并輔助判斷地面站測控天線和衛星當前的通信及工作狀況。目前國內各地面測控站的頻譜監視系統多，主流通過中頻矩陣切換與多臺頻譜儀的組合來進行多通道監視[1]，整套系統精度高，但所需硬件設備數量多，價格昂貴；部分解決方案采用ARM 軟件、高性能DSP（Digital Signal Processing）、FPGA（Field Programmable Gate Array）等分立模塊實現頻譜采集、處理、分析單元設計，結合多路信號選擇矩陣，通過與微機交互進行顯示[2]。軟件無線電（Software-Defined Radio,SDR）于90 年代在美國提出，其將無線通信中難以更改的固件跳過，依托統一標準化的硬件，在軟件中對信號進行處理。軟件無線電的發展為低成本、可拓展的頻譜監測系統設計提供了一種新思路。基于軟件無線電的低研發成本的射頻硬件系統已經被應用于電磁監測領域[3]、射頻識別[4]、無線通信[5-6]、信號處理[7]等各類通信領域。

該文針對衛星地面測控站的頻譜監視需求，研究了一種基于通用軟件無線電硬件外設USRP（Universal Software Radio Peripheral）及GNU Radio 軟件開發平臺的一種多通道、可拓展實時頻譜監視系統。傳統的通信系統實驗平臺采用固化的硬件設施來實現，因此缺乏靈活性；采用軟件仿真工具如Matlab/Simulink 則無法直觀體驗，難以驗證系統的現實可行性[8]。在實際工作中,USRP 扮演無線通信系統中數字基帶和中頻處理的角色，所有的數字變頻、采樣和插值等高速信號處理操作都在FPGA 上完成,其余的基帶信號編碼、調制和解調等數據處理由計算機CPU 完成。USRP 與計算機相結合，極大地降低了系統的成本[9-10]。該系統可根據需求靈活配置監測點，具有模塊化、實用性、擴展性、可移植性強的特點。

1 系統總體設計

同一地面站在具備多副測控天線的條件下，可跟蹤多個航天器，航天器測控信號包括上行遙控及下行遙測，因此每次跟蹤所需監視的信號數量較多且信號的監視點不一致。測控天線所使用的無線電頻段包括S 頻段、X 頻段及Ku/Ka 頻段，可通過變頻器統一變到中頻信號接入上、下行矩陣。地面站設備示意圖如圖1 所示，在多副天線跟蹤多個航天器時，可在變頻器、上行矩陣、下行矩陣或基帶上根據用戶需求設置多個監測點。

圖1 地面站設備示意圖

頻譜監視系統需完成的功能包括：1）實時監測遙控、遙測信號，并可調整分辨率、監視帶寬、掃描時間等參數來觀測信號的細節；2）對頻譜數據進行存儲及回放；3）實現遠程監測及操作；4）當信號功率波動超過閾值時，可進行聲光告警。

2 軟硬件設計

軟件無線電自1992 年由Jeo Mitola 提出以來，經過了長足發展，跳出了傳統將硬件作為設計核心的限制，強調以開放的最簡硬件作為通用平臺，盡可能地用可升級、可重配置的應用軟件來實現各種無線電功能[11-12]。軟件無線電的基本思想就是使寬帶的A/D、D/A 轉換器最大程度上與天線靠近，以便將接收到的模擬信號盡早數字化，然后通過一個接口標準化、功能模塊化的通用硬件平臺上加載不同的軟件來實現無線電臺的各種功能，并通過軟件分模塊實現調制解調方法、通信協議、數據格式、信號檢測及識別等功能。軟件無線電成功地為多體制、多標準通信系統間的兼容與互通提供了切實有效的解決方案。軟件無線電作為新一代的無線電系統，具有成本集中、結構開放、功能靈活的特點。由于軟件無線電系統內部的模塊化，系統的各種功能相對獨立，具有系統升級方便，功能可擴充性強的特點，軟件無線電是未來無線電通信的發展方向[13]。

2.1 軟件平臺設計

GNU Radio 是一個開源的軟件開發平臺，由Eric Blossom 發起，主要工作在Linux 系統下，通過與通用硬件平臺的結合，在計算機上利用軟件來實現傳統只有硬件才能實現的無線電通信的各種功能。GNU Radio 為用戶預先封裝了上百個功能模塊，主要包括信源信宿、濾波、調制解調、編碼譯碼等[8]，而且還提供了圖形界面工具，用戶可以直接從右邊模塊窗口選擇需要的功能模塊，添加到左邊的流圖中,根據信號流連接各模塊，設計、搭建信號流圖，完成無線電通信的部分功能。另外，還可以根據需求靈活地加載第三方或者自己編寫的功能模塊，以滿足更復雜的需求。通過合理地選擇和連接各個模塊，信號便以流的方式在各個模塊中傳遞。在圖形用戶界面方面，GNU Radio 為用戶提供了豐富的組件，例如示波器、頻譜分析儀、瀑布圖等。

2.2 硬件平臺設計

USRP 是由Ettus Research 公司設計生產的通用軟件無線電硬件外接設備。發展至今，已經衍生出很多不同的版本，該系統采用的是型號為N210 的硬件平臺。USRP 的作用是完成信號的采集及模數轉換，并通過內部的FPGA 完成信號的抽取、內插等初步處理。USRP 主要由一塊母板和一塊可以覆蓋不同頻率的子板組成，母板上主要包括時鐘的產生和同步、FPGA、模數轉換、數模轉換、千兆以太網口等模塊。采用WBX寬帶子板，其頻率覆蓋范圍為50 MHz～2.2 GHz，滿足對測控信號中頻頻段的監視需求。USRP N210 接收路徑上有兩個14 位模數轉換器，采樣速率是100 MS/s。

3 系統設計及實現

結合軟硬件平臺特點，根據所設計頻譜實時監視系統的需求，提出以下設計目標：

1）低成本：為了降低研發風險和研制成本，便于大規模安裝、部署和維護，系統組件盡可能采用體積小巧、技術成熟的已有商品。2）大帶寬：系統應能對盡可能大的頻段范圍進行頻譜監測。3）實時性：系統應能夠通過控制單元實時控制部署在不同位置的節點，以對信號頻段進行監測，并將各個節點的USRP 采集到的信號實時發送至數據存儲設備。4）靈活性：通過操作軟件的方式靈活配置系統功能，以滿足不同場景下的應用需求；同時可以通過軟件升級的方式，為系統添加新的功能[14]。

根據設計目標，N210 的外接網口可以提供千兆的數據傳輸速率，因此使用基于網絡的硬件體系結構，如圖2 所示，射頻前端、射頻-中頻變頻器、多臺USRP 前端、交換網絡和通用計算機構成整個系統的硬件結構。一個完整的USRP 設備內部由兩部分結構組成：一是集成多種高速信號處理芯片的母板，二是包含發射和接收模塊的子板。電磁信號通過變頻后成為中頻信號輸入給USRP 平臺的子根的接收模塊[15]，由USRP 完成信號的采集及模數轉換，再將信息傳遞給交換網絡。該結構用網絡構成計算機群作為運算處理平臺，計算機直接通過消息傳遞實現互聯，用協同計算方案進行信號處理，為軟件無線電平臺的信號處理提供了充足的算例，并且具有很強的可擴展性和靈活性。

圖2 基于交換網絡的硬件平臺

在上述基于網絡的硬件體系結構的基礎上，考慮到現實工作環境中必須同時監視多路信號，此外，設備機房與監控機房經常距離較遠，根據此實際情況，設計一種分布式、多通道頻譜監視系統，其硬件平臺結構如圖3 所示。

圖3 分布式、多通道頻譜監視系統

USRP 與變頻器或矩陣通過同軸電纜連接，頻譜信號輸入USRP 并轉換成數字信號，經USRP 處理后形成頻譜數據，可以利用以太網通過網絡將這些數據送到處理計算機進行處理解析[16]。多個USRP 接入同一個交換機，交換機與監控機房可通過光纖或網線連接，實現頻譜信號的遠距離傳輸。而多個USRP 接入同一網絡，為了區分不同的信號源，為不同的USRP 燒制不同的IP 地址，通過IP 地址進行區分。控制處理計算機工作在Ubuntu 系統下，可以通過命令為不同的USRP 燒制唯一的IP 地址。每臺USRP 的基本配置如圖4 所示，其中包含了IP 地址、網管、MAC 地址、硬件版本信息、時鐘源等參數。

圖4 USRP硬件配置

由于不同USRP 平臺對應的頻譜信號不同，因此需在GNU Radio 上對Source 模塊進行相應配置，主要包括設備地址、采樣率、中心頻點等參數，需根據輸入信號的特征設置合適的頻點、帶寬及分辨率，這樣在顯示計算機上才能看到合適的頻譜呈現，設置界面如圖5 所示。

圖5 USRP Source相關配置界面

將USRP 送來的原始數據傳給信號控制處理計算機，利用GNU Radio軟件對信號進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformer，FFT）處理得到原始信號的頻譜圖，處理后的數據通過UDP 數據包分別發送至頻譜監視計算機、存儲回放計算機進行頻譜監視和數據存儲。軟件對信號的處理編輯界面如圖6 所示，任一模塊雙擊后可以進入參數設置界面，重新設置信號處理的相關參數，其中包括USRP Source 信號采集模塊、FFT 處理模塊及實時頻譜計算機的通信參數設置和頻譜回放的通信參數設置四部分。圖6中Source模塊中可設置采樣率、信號帶寬、信道、中心頻點的參數，FFT 模塊中可設置傅里葉變換的參數，而最后兩個模塊的通信參數設置保證了與實時頻譜軟件及回放軟件的信息交互，其中包括通信IP及端口號。

圖6 信號處理軟件編譯模塊

頻譜監視及存儲回放軟件通過C++編程實現，工作在Windows 系統下，同時為了保證頻譜顯示與存儲回放程序獨立運行，留給存儲程序足夠的磁盤空間，因此將兩程序分別放在兩臺計算機上。頻譜監視軟件可以通過配置文件，更改其監視通道數、通道名稱、顯示帶寬及異常告警參考電平等，同時該軟件還具備頻譜最大最小保持功能。圖7 所示為同時監視6 路頻譜信號的顯示界面，每一路通道表示不同監測點所監視的不同信號。

圖7 頻譜顯示界面

圖8 為頻譜回放軟件界面圖，頻譜回放軟件可以選擇需要回放的通道，加載相應的存儲數據，根據時間定位查找或直接拖動進度條查找相應時刻的頻譜圖像，如圖8 所示，為某通道的回放界面。

4 結束語

該文設計并實現了一套無線電頻譜監視系統，同時具備多路信號的實時監視、存儲及回放功能，該系統利用USRP 軟件無線電硬件平臺和GNU Radio軟件平臺以軟件無線電的方式搭建，經過測試及安裝使用得出，該系統穩定可靠，實時性好，回放流暢，滿足日常工作的需要。此外，系統靈活，結構通用且模塊化，實用性、擴展性、可移植性強，易于改進和擴展，具有廣闊的應用前景。