或者供兩個收發子板使用。子板提供RF 接收接口或者調諧器和發送器。這就允許在使用實采樣時，每個子板能使用兩個獨立的 RF 和天線。如果使用復采樣，每個子板能使用一個 RF 和天線。通常，每個子板都有兩個 SMA 連接口供輸入或者輸出使用。子板上有一個 I2C的 EEPROM 以便儲存子板的標識信息和一些校準信息比如：直流偏置值和 IQ 誤差，當子板插到母板上時能夠被系統正確識別。

子板有多種類型，分別覆蓋不同的射頻范圍，且具有不同的收、發功能。目前有下面幾種子板：

BasicTX、Basic RX：這兩種子卡沒有中頻 IF 與射頻 RF 間的頻譜變換，僅僅提供主板上中頻信號與天線間的接口。盡管如此， 由于 ADC 和 DAC 可進行帶通采樣，仍然可支持 2MHz～200MHz 的載頻；

TVRX：可覆蓋 500MHz～800MHz 廣播電視頻段的接收子卡；

DBSRX：可覆蓋 800MHz～2.4G 的接受子卡；

RFX400、RFX900、RFX1200、RFX1800、RFX2400：這些子卡均為支持雙工，可分別覆蓋400～500MHz、800～1000 MHz、1150～1450 MHz、1.5～2.1 GHz、2.3～2.9GHz頻段。由于其通用性，使用較多。本實驗平臺一般使用 RFX400、RFX2400。

圖 3-8 為 RFX400 子板，可以看到在子板上有兩個接口，可用來連接輸入、輸出信號。

(4)USB2.0

USRP采用 USB2.0 接口與 PC 連接。最高達到 32M Byte/s 的數據傳輸速率。如果AD 和 DA 分別采用 12Bit和 14Bit 的采樣精度，那么每個實采樣點占用 2Bytes，每個復采樣點占用 4Bytes。如果以一路復數采用進行單收或單發，則最高可達到 32M/4=8M復采樣每秒，即最高發送或接收 8MHz 帶寬的信號。如果用 8bit 采樣，則最高可收、發16MHz 帶寬的信號。ADC 和 DAC 始終分別以 64M 和 128M 的速率進行采樣，用戶實際獲得的采樣速率是通過設置抽值率或插值率得到的。

USB支持三種傳輸方式：命令、bulk 讀寫、同步傳輸。在這里我們使用命令包配置USRP、裝入固件和 FPGA的 bitstream；使用 bulk 讀寫或者同步傳輸傳送 FPGA 與 PC之間的數據。

從圖 3-9 可知，以數據接收過程為例，從射頻 RF 端到模擬基帶信號到數字系帶信號再到 PC 傳輸，整個流程轉換過程?？梢?nbsp;GNU Radio 和 USRP 可以處理無線信號并具有極強的可重構能力。

3.4 GNU Radio 和 USRP 應用舉例

經過幾年的發展，各地的研究者和愛好者已經發展了多種應用，下面對一些典型應用做一個簡單介紹。

（1）由意大利 PISA 大學研究的 DVB-T 實時接收播放播放系統，使用一個單核奔騰 3.0G CPU 處 理 。 這 個 模 塊 將 很 快 集 成 到 GNU Radio 中 。

（2）弗吉尼亞理工大學的 CWT 研究所使用 GNU Radio 和 USRP 實現 SmartRadio認知無線電項目，這個項目是為了在災后能迅速發現周圍的無線電通信信號，并與之通信 ， 其 獲 得 SDR Forum Smart Radio Challenge 2007的 金 獎 。

（3）德克薩斯大學的 WNCG 研究所利用 GNU Radio 和 USRP 實現 MIMO 和多跳網絡的測試

（4）還有其它常用的的應用比如：MIMO，GPS 接收機，無線電天文學，總之能想到的無線電項目，GNU Radio 和 USRP 幾乎都能實現。

 3.5 基于 GNU Radio 和 USRP 認知無線電平臺簡介

本文基于 GNU Radio 和 USRP 的認知無線電平臺所要實現的主要功能有：頻譜檢測；傳輸頻率選擇；軟件無線電平臺重構；無線傳輸。

第一步——頻譜檢測及選擇，檢測授權用戶是否在使用，在使用哪一段頻率，哪一段頻率有空閑。認知無線電非授權用戶可以將頻譜檢測的信息與其它認知無線電用戶分享，合作認知即是使用這種方法。其中合作認知又分為具有中心節點（由中心節點收集所有頻譜信息，再做決策）和非中心節點式的（由普通節點決策）。認知無線電網絡最終決策出通信的頻段和通信方式。

第二步，認知無線電平臺根據決策以某種調制方式、傳輸功率重構到某一空閑頻率，重構的過程應盡可能快。

最后一步，傳輸數據，不單只物理層要重構好，MAC 層及以上層級也需作出相應的策略，保證傳輸速率和質量。

3.6 本章小結

本章介紹GNU Radio 和USRP，對其軟件和硬件技術進行了詳細的描述。并提出了基于該平臺設計的認知無線電平臺的基本框架。

第四章 基于 GNU Radio 和 USRP 的頻譜檢測方法

4.1 頻譜檢測方法介紹

4.1.1 認知無線電頻譜感知原理

目前，在認知無線電領域用于檢測某頻段內是否有信號存在、有哪些信號存在的方法有多種。以檢測類型劃分，可分為信號存在性檢測和信號覆蓋范圍檢測兩類；以檢測節點個數劃分，可分為單節點檢測和多節點聯合檢測；以檢測方法劃分，主要分為匹配濾波、能量檢測、周期特性檢測三類[23]。總結歸納各種方法如圖所示：

信號存在檢測，是指在經過對某特定頻段內信號的進行觀測之后，做出該頻段上是否有信號存在的判斷，這種探測原理的基本模型可以用下面的公式表示：

其中，x(t)是認知無線電接收到的信號，s(t)是第一用戶傳輸的信號；n(t)是加性白高斯噪聲；h 是信道的增益；Ho 是未被占用的假設，表明了目前在這一確定頻段上沒有第一用戶；H1 是另一種假設，表明目前存在第一用戶。

下面將對單節點檢測的幾種方法進行介紹、分析：

（1）匹配濾波器探測

當認知無線電獲悉了第一用戶的信號后，靜態高斯噪聲理想探測器就是匹配濾波器，原因在于它能使接收到的信號的信噪比（SNR）最大化。匹配濾波器的主要優點是它只需很短的時間就可以獲得高處理增益。然而，它必須有效地對第一用戶的信號進行解調，這就意味著它需要第一用戶的先驗知識，比如解調方式和階數、數據包格式等。

上述信息可以預存在認知無線電的內存中，然而，對解調來講，認知無線電必須通過時間和載頻同步甚至信道同步來獲得第一用戶的相關性。如果這些信息是不準確的，那么，匹配濾波器的性能就會變得很差。匹配濾波器探測的一個明顯缺點在于，認知無線電對每一類型的第一用戶都要有一個專門的接收器。

（2）能量探測

如果接收機不能夠收集到第一用戶信號的足夠的信息，此時的最佳探測器就是能量探測器。為了測量接收信號的能量，需要對帶寬為 W 的帶通濾波器的輸出信號進行平方運算并在觀測時間段 T 內進行積分，并將積分器的輸出 Y 與門限值進行比較，從而判定合法用戶是否出現。檢測過程示意圖如下所示：

能量探測器的門限很容易受到噪聲功率的變化的影響。為了解決這個問題，已經有文獻提出通過第一用戶發射機的導頻音（Pilot Tone）來提高認知無線電能量探測器的準確性。另外，即使能夠適應性的設定門限值，帶內干擾的出現也會擾亂能量探測器。能量探測器的另外一個缺點是它只能探測到有用信號出現，而不能夠區分信號的類型，即它不能區分已調制信號 、噪聲及干擾。因此，能量探測器容易被不明信號誤導而產生誤判決。

（3）靜態循環特征探測

調制信號一般都經過了載波、脈沖序列、重復性擴展、跳頻及循環前綴等耦合處理，使已調信號具有了內在的周期性。雖然數據是靜態隨機的，但是這些調制后的信號的均值和自相關函數都具有周期性，因而稱其具有循環性。通過分析頻譜自相關函數可以探測出這些特征。頻譜自相關函數的最主要的優點是它能夠把噪聲能量和已調信號的能量區分開來，這是因為噪聲是一個寬帶的、靜態的、沒有相關性的信號，而已調信號具有頻譜相關性和周期性。靜態循環特征探測器具有更強的抵抗噪聲功率中不確定性的能力，因而能夠比能量探測器更好地分辨出噪聲信號。不過，它就比能量探測器更加復雜并且需要更長的觀測時間。

4.1.2 感知任務

綜合比較上述三種檢測方法的優缺點，我們可以得到下面的對比：

在本認知無線電實驗平臺中，我們選擇能量檢測的方式做頻譜感知。因為匹配濾波需要授權用戶的信號模型，只能針對某種信號進行檢測，而能量檢測的方法對任意信號都適用。而且匹配濾波需要重構到某種調制解調方式，解碼成型需要花費大量的計算時間。而周期特性檢測復雜度太高，時間也較長，作為初步實驗并不需要如此復雜的檢測技術。

本次實驗采用能量檢測的方法。感知任務如下：

在選取子板所能接收的頻率范圍內，可以對任意的頻段進行能量檢測，比如針對RF