如何使用USRP-2921監(jiān)測寬帶頻譜

一、USRP簡介

NI USRP-292X軟件可編程無線收發(fā)器是專門為無線電通信教學(xué)和研究而開發(fā)的，作為學(xué)習(xí)RF和通信的教學(xué)方案，價(jià)位適中。美國國家儀器將NI LabVIEW軟件和Ettus Research公司的硬件功能相結(jié)合，開發(fā)了這些價(jià)位適中的軟件定義無線電(SDR)收發(fā)器，對通信教育、實(shí)驗(yàn)、研究和源代碼快速開發(fā)起到了非常大的幫助作用。

USRP-2921硬件介紹：

圖1

·?面向Wifi、藍(lán)牙和其他ISM應(yīng)用的可調(diào)頻帶范圍：2.4 GHz - 5 GHz

· 價(jià)格合理的教學(xué)與科研方案

· 高達(dá)20 MHz基帶I/Q帶寬，能以25 MS/s速率讀寫數(shù)據(jù)，用于在主機(jī)上配合NI LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

·?NI技術(shù)支持和為期1年且可延期的保修服務(wù)

·?兼容Windows 7/Vista/XP

USRP-2921前面板：

USRP-2921分別有2個(gè)收發(fā)端口，但是同時(shí)不能自發(fā)自收。MIMO擴(kuò)展槽支持2x2 MIM系統(tǒng)。

圖2

USRP軟件介紹：

URSP的軟件開發(fā)采用open、configure、initiate、Read/Write、Abort、close標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)流程來編寫代碼。

圖3

二、檢測寬帶頻譜

從USRP-2921的簡介中可以得知USRP-2921高達(dá)20MHz基帶I/Q帶寬，能以25MS/S速率讀寫數(shù)據(jù)，這對于一般的應(yīng)用已經(jīng)基本足夠了，但是有時(shí)候開發(fā)者還是希望看的更寬的帶寬。就拿WiFi信號來講，WiFi有11個(gè)信道，每個(gè)信道有5MHz帶寬，如果想要看整個(gè)帶寬內(nèi)信號的頻譜的話，那么就是要檢測大概55MHz的帶寬，這對于傳統(tǒng)的一些儀器是很難實(shí)現(xiàn)的，但是NI開發(fā)的USRP-292X軟件可編程無線收發(fā)器卻是一款可以通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)頻譜檢測的。NI結(jié)合NI USRP-292x硬件和NI LabVIEW軟件的優(yōu)勢，為無線通信系統(tǒng)的快速原型提供了一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件線電平臺?；谥庇^的圖形化編程語言NI LabVIEW完成信號處理算法并結(jié)合NI USRP硬件實(shí)時(shí)與真實(shí)射頻信號交互，可實(shí)現(xiàn)完整的無線通信系統(tǒng)的原型開發(fā)。

我們就以檢測一個(gè)50MHz帶寬的WiFi信號的頻譜為例子，其中RBW(Resolution Bandwith)為100KHz。

在開發(fā)程序是我們需要注意兩點(diǎn)內(nèi)容：

1. USRP-2921是直接上倍頻，會出現(xiàn)本振泄露的問題，表現(xiàn)出來的現(xiàn)象就是在零頻上會有個(gè)直流的信號。如圖4所示。

2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以觀測到，在帶寬為25MHz的情況下，左右兩邊的2.5MHz帶寬的功率會有大概3dB的衰減。如圖4所示。

圖4

在使用USRP之前，首先必須先裝USRP的驅(qū)動。裝完驅(qū)動之后可以在儀器IO->儀器驅(qū)動->NI-USRP工具包，如圖5所示。

圖5

該工具包包括Rx、Tx、Synchronization、Utility等vi，在這里只需要用到Rx的vi即可，其中包括open、configure、initiate、fetch、abort和close這幾個(gè)vi。如圖6所示。

圖6

圖7為采50MHz帶寬頻譜的代碼，流程與一般采集的代碼類似。但是需要注意之前提到2個(gè)問題，一個(gè)是本振泄露的問題，另外一個(gè)是邊緣功率降低的問題。對于邊緣功率降低的問題，可以將中心頻率偏移，采25MHz帶寬，然后將邊緣的5M的數(shù)據(jù)丟棄掉，只使用20M的數(shù)據(jù)；對于本振泄露的問題，可以采用丟數(shù)的方式，即在某中心頻率上重復(fù)采一段數(shù)，然后丟棄前段的數(shù)據(jù)，只保留后段的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，當(dāng)然更好的方法還是將載波頻率偏移，避開零頻。

圖7

檢測寬帶頻譜的做法就是將一段一段的頻譜拼接成一個(gè)更寬帶寬的頻譜，如圖所8示，將一個(gè)50MHz帶寬的頻譜分成5個(gè)10MHz帶寬的頻譜，然后用USRP采5段25M帶寬的頻譜，但是只取左側(cè)從-2M~12M之間10M的數(shù)據(jù)，最后將其拼接成一個(gè)50M的頻譜。這樣就可以很好規(guī)避邊緣功率降低和本振泄露的問題。

圖8

首先，需要計(jì)算采第一個(gè)25M帶寬頻譜的載波頻率，F(xiàn)c1=Fc-25M+10.5M,如圖9標(biāo)注1處所示。之后每一段的載波頻率以10M遞增，即Fc5=Fc4+10M；Fc4=Fc3+10M；Fc3=Fc2+10M；Fc2=Fc1+10M；如圖9標(biāo)注2處所示。

圖9

需要注意的一點(diǎn)是，每次改變載波頻率時(shí)都需要停止上一次的采集，當(dāng)配置好新的載波頻率時(shí)重新開始采集。

另外，為了解決一個(gè)是本振泄露的問題，可以像圖10的做法一樣采集2.5M的數(shù)據(jù)，然后將前面數(shù)據(jù)丟掉，只保留后面250K的數(shù)據(jù)，這樣可以有效地減少本振泄露帶來的影響。

圖10

由于我們需要采集的是WiFi信號，WiFi信號是有一個(gè)一個(gè)脈沖發(fā)射出來的，由于USRP沒有觸發(fā)，所以只能通過比較的方式將均方值最大的一段作為采集到的WiFi信號。如圖11所示。

圖11Max Bur.vi

然后將Max Bur找出的來數(shù)據(jù)去做FFT，最后將10M帶寬的頻譜用數(shù)組拼接起來，如圖12所示，直到拼接出一個(gè)50M帶寬的頻譜后將其輸出，最后將輸出的電壓值轉(zhuǎn)換成功率值即可。

圖12

三、總結(jié)

根據(jù)上述方法，理論上是可以獲取更寬帶寬的頻譜，但是獲得更寬帶寬的頻譜則意味著需要用更多的是時(shí)間去采集，而且WiFi、藍(lán)牙的帶寬也是有限的，檢測更寬的帶寬意義也不大。本文只是通過以采集WiFi信號為例子提供一種拼接頻譜來獲取更寬帶寬的一種做法，而且利用LabVIEW軟件來開發(fā)程序可以有效地減少開發(fā)周期，從而能夠在短時(shí)間內(nèi)做一些原理驗(yàn)證或者研究。