[发明专利]一种基于GNU Radio和USRP的软件频谱分析仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于GNU Radio和USRP的软件频谱分析仪。

背景技术

 频谱分析仪是对无线信号进行测量的必备手段，是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具。传统频谱分析仪的功能主要依赖硬件实现，虽然可以精确地分析出无线信号的频谱，但是其价格一般很高，硬件升级和维护不方便。

GNU是一个由FSF(Free Software Foundation)提供支持的开放源代码著名项目。GNU Radio运行于Linux系统，其软件代码完全公开，其设计的核心思想是：基带信号处理过程由通用处理器而不是DSP实现；基带信号通过USB 2.0接口与射频前端USRP相连，由USRP上的FPGA实现数字上下变频（DUC/DDC），然后通过ADC/DAC芯片与射频子板连接；覆盖不同频段的射频子板将模拟信号变换为射频信号进行收与发。GNU Radio提供了一个信号处理模块的库，并且有个机制可以把单个的处理模块连接在一起形成一个系统。编程者通过建立一个流向图（flow graph）就可以快速搭建一个无线电通信系统。GNU Radio的编程实现主要基于Python脚本语言和C++语言。C++语言被用于编写各种信号处理模块，具有较高的执行效率。GNU Radio提供了超过100个现成的信号处理模块，并且编写新的处理模块也是非常容易。而软件图形化接口和信号处理模块的链接机制则是通过Python脚本语言实现的。

USRP全称是通用软件无线电外围设备，实现了射频信号发射和接收。它由一个母板和不同的子板组成。母板包含4个12bit/64M模/数转换器(ADC)、4个14bit/128M数/模转换器(DAC)、一个可重复编程的FPGA芯片和一个可编程的USB2.0控制器。其功能包括与PC间传送数据、数模转换、信号处理、运行用户程序等。每个USRP母板上可安装四个子板，其中两个用于接收，另外两个用于发射。通过连接不同的子板，USRP可以处理不同频段的信号。传统无线电处理基本上由硬件设备完成。而USRP则充分利用软件无线电的优点，把智能化程度高的信号处理（如调制解调）交给PC上的软件执行，其余的简单操作(比如数字上下变频、抽样和内插等)，按部就班地交给USRP上的FPGA处理。既保证了无线电信号处理的速度，又有利于开发新型无线电系统，尤其是降低了创新和开发所面临的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于GNU Radio和USRP的软件频谱分析仪，它具有运行速度快和测量精度高、升级维护方便的优点。

本发明是这样来实现的，一种基于GNU Radio和USRP的软件频谱分析仪，它包括天线、USRP、USB2.0和计算机，其特征在于天线将射频信号传递给与其相连的USRP内的信号源，USRP 与计算机通过USB2.0连接，USRP将处理射频信号后得出的数据流通过USB2.0传送到计算机内，计算机具有处理上述数据流的GNU Radio，GNU Radio先对数据流进行FFT处理，然后对处理后的数据流存储在FFT sink中，并通过显示界面显示数据。所述FFT处理包括以下步骤：首先把数据流转换成向量流，对向量流进行抽取，以达到预期的数据速率，然后对取样值进行加窗处理以及FFT变换；FFT处理完后把数据只保留幅度信息，去除相位信息；接下来通过IIR单极性滤波器对数据进行处理，输入输出满足差分方程：                                                 (1)

相应的系统函数为：

    (2)

其中，为(0,1)之间的数值，由式(1)可以看出，当=1时，输入与输出相等，起不到滤波器的作用；当=0时，输出和输入无关；所以当取值(0,1)时，得到的输出是输入和前一次输出的平均值；

将IIR滤波器输出值的单位进行dB换算，即：;其中，n=20，K的值如下公式所示：;K值的第1项是对FFT取样点数的修正，第2项为对窗函数损耗的补偿，第3项为对参考电平刻度的修正。

本发明的技术效果是：本发明基于GNU Radio和USRP新型的软件频谱分析仪可以比较精确地分析信号的频谱，减弱了对硬件的依赖，且测量精度也满足应用需求，对频谱研究具有很好的促进作用。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2 为FFT数据处理流程图。

图3为GNU Radio架构图。

图4为USRP结构方框图。