如何使用USRP-2921监测宽带频谱

一、USRP简介

NI USRP-292X软件可编程无线收发器是专门为无线电通信教学和研究而开发的，作为学习RF和通信的教学方案，价位适中。美国国家仪器将NI LabVIEW软件和Ettus Research公司的硬件功能相结合，开发了这些价位适中的软件定义无线电(SDR)收发器，对通信教育、实验、研究和源代码快速开发起到了非常大的帮助作用。

USRP-2921硬件介绍：

图1

· 面向Wifi、蓝牙和其他ISM应用的可调频带范围：2.4 GHz - 5 GHz

· 价格合理的教学与科研方案

· 高达20 MHz基带I/Q带宽，能以25 MS/s速率读写数据，用于在主机上配合NI LabVIEW进行数据处理

· NI技术支持和为期1年且可延期的保修服务

· 兼容Windows 7/Vista/XP

USRP-2921前面板：

USRP-2921分别有2个收发端口，但是同时不能自发自收。MIMO扩展槽支持2x2 MIM系统。

图2

USRP软件介绍：

URSP的软件开发采用open、configure、initiate、Read/Write、Abort、close标准的开发流程来编写代码。

图3

二、检测宽带频谱

从USRP-2921的简介中可以得知USRP-2921高达20MHz基带I/Q带宽，能以25MS/S速率读写数据，这对于一般的应用已经基本足够了，但是有时候开发者还是希望看的更宽的带宽。就拿WiFi信号来讲，WiFi有11个信道，每个信道有5MHz带宽，如果想要看整个带宽内信号的频谱的话，那么就是要检测大概55MHz的带宽，这对于传统的一些仪器是很难实现的，但是NI开发的USRP-292X软件可编程无线收发器却是一款可以通过软件编程来实现频谱检测的。NI结合NI USRP-292x硬件和NI LabVIEW软件的优势，为无线通信系统的快速原型提供了一个功能强大且灵活的软件线电平台。基于直观的图形化编程语言NI LabVIEW完成信号处理算法并结合NI USRP硬件实时与真实射频信号交互，可实现完整的无线通信系统的原型开发。

我们就以检测一个50MHz带宽的WiFi信号的频谱为例子，其中RBW(Resolution Bandwith)为100KHz。

在开发程序是我们需要注意两点内容：

1. USRP-2921是直接上倍频，会出现本振泄露的问题，表现出来的现象就是在零频上会有个直流的信号。如图4所示。

2.根据实验可以观测到，在带宽为25MHz的情况下，左右两边的2.5MHz带宽的功率会有大概3dB的衰减。如图4所示。

图4

在使用USRP之前，首先必须先装USRP的驱动。装完驱动之后可以在仪器IO->仪器驱动->NI-USRP工具包，如图5所示。

图5

该工具包包括Rx、Tx、Synchronization、Utility等vi，在这里只需要用到Rx的vi即可，其中包括open、configure、initiate、fetch、abort和close这几个vi。如图6所示。

图6

图7为采50MHz带宽频谱的代码，流程与一般采集的代码类似。但是需要注意之前提到2个问题，一个是本振泄露的问题，另外一个是边缘功率降低的问题。对于边缘功率降低的问题，可以将中心频率偏移，采25MHz带宽，然后将边缘的5M的数据丢弃掉，只使用20M的数据；对于本振泄露的问题，可以采用丢数的方式，即在某中心频率上重复采一段数，然后丢弃前段的数据，只保留后段的数据进行操作，当然更好的方法还是将载波频率偏移，避开零频。

图7

检测宽带频谱的做法就是将一段一段的频谱拼接成一个更宽带宽的频谱，如图所8示，将一个50MHz带宽的频谱分成5个10MHz带宽的频谱，然后用USRP采5段25M带宽的频谱，但是只取左侧从-2M~12M之间10M的数据，最后将其拼接成一个50M的频谱。这样就可以很好规避边缘功率降低和本振泄露的问题。

图8

首先，需要计算采第一个25M带宽频谱的载波频率，Fc1=Fc-25M+10.5M,如图9标注1处所示。之后每一段的载波频率以10M递增，即Fc5=Fc4+10M；Fc4=Fc3+10M；Fc3=Fc2+10M；Fc2=Fc1+10M；如图9标注2处所示。

图9

需要注意的一点是，每次改变载波频率时都需要停止上一次的采集，当配置好新的载波频率时重新开始采集。

另外，为了解决一个是本振泄露的问题，可以像图10的做法一样采集2.5M的数据，然后将前面数据丢掉，只保留后面250K的数据，这样可以有效地减少本振泄露带来的影响。

图10

由于我们需要采集的是WiFi信号，WiFi信号是有一个一个脉冲发射出来的，由于USRP没有触发，所以只能通过比较的方式将均方值最大的一段作为采集到的WiFi信号。如图11所示。

图11Max Bur.vi

然后将Max Bur找出的来数据去做FFT，最后将10M带宽的频谱用数组拼接起来，如图12所示，直到拼接出一个50M带宽的频谱后将其输出，最后将输出的电压值转换成功率值即可。

图12

三、总结

根据上述方法，理论上是可以获取更宽带宽的频谱，但是获得更宽带宽的频谱则意味着需要用更多的是时间去采集，而且WiFi、蓝牙的带宽也是有限的，检测更宽的带宽意义也不大。本文只是通过以采集WiFi信号为例子提供一种拼接频谱来获取更宽带宽的一种做法，而且利用LabVIEW软件来开发程序可以有效地减少开发周期，从而能够在短时间内做一些原理验证或者研究。