基于 GNU Radio 和 USRP 的频谱检测方法

4.3 能量检测实现

4.3.1GNU Radio 的 USRP 初始化设置

需要搭建基于GNU Radio的FFT频谱检测器，我们就需要正确的初始化配置USRP，建立流图，搭建起 FFT 运算的软件无线电结构。

初始化配置 USRP，需要使用 GNU Radio 中的 usrp.py 模块，这个模块包含输入输出初始化设置、ADC 采样速率、功率、增益、载频等。基本上所有关于配置 USRP 的子函数都需要重载 usrp.py 来配置。具体见下表：



usrp.py函数是所有 GNU Radio 控制 USRP 的程序都要用到的初始化函数，它们控制 usb 接口、fpga 程序、ADC、DAC、子板，跟硬件打交道的程序都可以从这个函数的子函数找到控制方法。

source_x()和 sink_x()则是 usrp.py 中最基本的子函数，它们是流图的开始或者结束，由它们我们可以初始化 USRP 为接受器或者发射器，而且一个 USRP 通过时分复用可以复用为双工收发器。

按照表的函数应用举例，我们设置 USRP 为接收状态，nchan=2 这样我们可以同时获得两个子板的信息，同时对 400M 和 2.4G 频段进行扫频。其余设置均为默认状态，由此可得知：

adc_rate= 64 MS/s
usrp_decim= 64
usrp_rate= adc_rate / usrp_decim = 1 MS/s

4.3.2 FFT 能量检测流图

由上一小节 FFT 的原理，我们可以得出 FFT 计算结果的意义，可对其进一步处理达到我们的需求。GNU Radio 自带库有 FFT 模块，在设置好 USRP 并正确的建立流图，然后将得到的结果通过计算途径处理，最终得到我们需要的功能——大范围的能量检测。

因为 USRP 带宽的限制，一个时间内前端只能检测到 8MHz 的射频信号如果要检测大于 8MHz 带宽的信号我们需要通过不断的 RF 前端步进调频以达到检测大范围频谱的目的，虽然检测到的频谱并不是实时的。USRP（或者程序）每个时刻对一段范围的频率进行检测，然后步进调频到下一段频率，这样就能扫频扫过大段的频率。

要是频率调频已经完成步进调频，我们需要在每一个步进时刻结束时——即已获得这段频率的数值时，发送一个调频指令到 USRP。调频控制由 gr.bin_statistics_f sink 程序实现，bin_statistics 在以下的函数解释中有详细解释。

当我们命令 USRP 的 RF 子板改变中心频率时，我们必须等待 ADC 的采样到达 FFT处理器并判断完是否属于需要的中心频率。在这个过程中需要经过很多重的延时比如从FPGA，USB，计算延时。这样我们必须在调节到下一步进频率时进行延时，以保证上一步进频率的采样能正确的被 FFT 处理器处理。

程序主要驱动部分由 bin_statistics sink 函数组成。整个流程如图 4-3



bin_statistics主要控制 USRP 的调频控制，并根据步进频率带宽的大小决定延时时间即 FFT 处理器忽略掉 N 个向量（向量长度由计算决定）这里也可以详细解释，当进行完 FFT 处理后，bin_statistics 将处理后的信息组合成 message，并将此 message 插入message queue。message 的每个内容由 FFT 后的每个最大频率的向量组成。

每一步进的延时需要计算得出，延时包括调频延时和计算延时，其中调频延时是最主要的延时。

调频延时由 RF 前端的 PLL 到主板的时间再加上管道中排队的时间，我们所用的RFX 系列延时差不多是 1ms。

调频延时转化为 FFT 计算时忽略的向量个数的计算公式是

tune_delay_passed_to_bin_statistics=
int(round(required_tune_delay_in_sec*usrp_rate/fft_size))

其中：

required_tune_delay_in_sec= 10e-3 ；usrp_rate = 1M (decimation =64)；
fft_size= 256
可得出tune_delay_passed_to_bin_stats = 4 (FFT Frames)

这表示，我们延时 1ms 我们将跳过 4 个输入的 FFT 向量个数，来获得真实的向量数据。延时时间还包括计算延时，我们需要收集处理 N 个 FFT 采样，如果 DR=8 那将用时 128us，还应该加上计算机处理这 N 个采样的时间，这个需要根据实际计算机的处理能力通过实验测得。

本实验平台设置步进频率为 3MHz，设置 3M 是为了能尽可能精确的对小范围的频率进行能量测算，而我们通信时占用的频宽也大概是 2M 多，加上半衰保护，差不多即是 3M。而且步进频率 3M 可节省每一步进的运算时间，是个均衡的选择。这样 USRP及相关程序的初始化就完成了。

以下是完成 FFT 运算的流图，其搭建一个完整的软件无线电结构，数据最终写入message。流图如下图：

4.3.3 实现结果

总结如下，受制于 USB 总线的约束，USRP 不能检测超过 8MHz 的带宽（USRP 的USB2.0 最大数据传输速率为 32M Bytes/S，每个实采样点占用 2 个 Bytes，以一路复数采样进行单收或单发，则最高可达到 32/4=8M 复采样每秒，即最高发送或接收 8MHz带宽的信号）。因此，要对一段 RF 频段进行检测，必须以合适地步进值调节 RF 前端，这样就能检查很宽的频谱。在此设计过程中，为更好地表示指定频段内的频谱感知情况，通过设置 GNU Radio 的相关函数，我们选取 3MHz 这样的扫频间距。

频段扫描过程如下：
（1） 设置所要感知频段的最小、最大频率以及扫描次数 M；

（2） 对所选频谱范围进行间隔化，每一间隔值为 3MHz；

（3） 在第一个 3MHz 频段范围内对信号进行 AD 采样，得到 N 个点（本次设计 N 取256）；

（4） 进行 N 点 FFT，对得到的 N 个复数分别进行平方和运算，得出模值 ，再累加，求得平均值作为此 3MHz 间隔的模值，并由此求得功率大小，记录到文件中；

（5） 移频到下一个 3MHz 间隔，重复上面的步骤，直到扫描完频段内所有的每一个间隔；

我们对特定频段做多几次扫频，获得平均功率数据，使用 gnuplot 将数据画图。其中 Y 轴为平均功率，单位为 dBm；X 轴为频率，单位为 MHz。因为 400M 和 2.4G 频段上的功率量值不同，所以起始功率不同。见图 4-5 和图 4-6






从上两图中的检测结果可以非常直观的得到以下结论：

（1）2.4G 非授权频段非常拥挤，这段频率已经被大量的 wifi 设备使用殆尽，而且还有大量"不速之客"加进来干扰，比如蓝牙和微波炉开启产生的污染（图中 2430MHz处即是微波炉开启产生的信号辐射）。

（2）在 400M 授权频段上，除了某些频率一直有信号在占用，大部分频段大部分时间都是空闲的。这些授权频段无论从时间上还是从功率上分析，都非常适合认知无线电非授权用户的使用。

由美国频谱规划文件中如图 4-7 可知，400M-480M 范围内，国际通行的规划大部分都是划给移动通信，而在我国，大部分频段在民用范围内大部分时间都是静默的，只是450M 小灵通通信占用了一点，如上图可清晰的发现 450M 处被占用情况。

所以我们选择 400M 频段作为认知无线电动态接入的频段，可减少对授权用户的干扰，从时间和频谱空间这两个角度来说也比较容易找到空闲频段。