X400 子板，它的接收范圍是 400M-500MHz，可以在 400M-500M 內(nèi)選定任意范圍進(jìn)行檢測，對所檢測頻段使用情況，能在可控制的時間內(nèi)記錄到文件中，并可通過圖形顯示出來。

4.2 能量檢測 FFT 方法

FFT是離散傅立葉變換的快速算法，可以將一個信號變換到頻域。有些信號在時域上是很難看出什么特征的，但是如果變換到頻域之后，就很容易看出特征了。這就是很多信號分析采用 FFT 變換的原因。另外，F(xiàn)FT 可以將一個信號的頻譜提取出來，這在頻譜分析方面也是經(jīng)常用的。得到了信號的頻域變換后，就可以對其進(jìn)行模值運(yùn)算得出某頻率值下的幅度特性。

一個模擬信號，經(jīng)過 ADC 采樣之后，就變成了數(shù)字信號。采樣得到的數(shù)字信號，就可以做 FFT 變換了。N 個采樣點(diǎn)，經(jīng)過 FFT 之后，就可以得到 N 個點(diǎn)的 FFT 結(jié)果。為了方便進(jìn)行 FFT 運(yùn)算，通常 N 取 2 的整數(shù)次方。假設(shè)采樣頻率為 Fs，信號頻率 F，采樣點(diǎn)數(shù)為 N。那么 FFT 之后結(jié)果就是一個為 N 點(diǎn)的復(fù)數(shù)。每一個點(diǎn)就對應(yīng)著一個頻率點(diǎn)。這個點(diǎn)的模值，就是該頻率值下的幅度特性。具體跟原始信號的幅度有什么關(guān)系呢？假設(shè)原始信號的峰值為 A，那么 FFT 的結(jié)果的每個點(diǎn)（除了第一個點(diǎn)直流分量之外）的模值就是 A 的 N/2 倍。而第一個點(diǎn)就是直流分量，它的模值就是直流分量的 N 倍。而每個點(diǎn)的相位，就是在該頻率下的信號的相位。第一個點(diǎn)表示直流分量（即 0Hz），而最后一個點(diǎn) N 的再下一個點(diǎn)（實(shí)際上這個點(diǎn)是不存在的，這里是假設(shè)的第 N+1 個點(diǎn)，也可以看做是將第一個點(diǎn)分做兩半分，另一半移到最后）則表示采樣頻率 Fs，這中間被N-1 個點(diǎn)平均分成 N 等份，每個點(diǎn)的頻率依次增加。例如某點(diǎn) n 所表示的頻率為：Fn=(n-1)*Fs/N。由上面的公式可以看出，F(xiàn)n 所能分辨到頻率為為 Fs/N，如果采樣頻率Fs 為 1024Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為 1024 點(diǎn)，則可以分辨到 1Hz。1024Hz 的采樣率采樣 1024 點(diǎn)，剛好是 1 秒，也就是說，采樣 1 秒時間的信號并做 FFT，則結(jié)果可以分析到 1Hz，如果采樣 2 秒時間的信號并做 FFT，則結(jié)果可以分析到 0.5Hz。如果要提高頻率分辨力，則必須增加采樣點(diǎn)數(shù)，也即采樣時間。頻率分辨率和采樣時間是倒數(shù)關(guān)系。

假設(shè) FFT 之后某點(diǎn) n 用復(fù)數(shù) a+bi 表示，那么這個復(fù)數(shù)的模就是

，相位就是 Pn=atan2(b,a)。根據(jù)以上的結(jié)果，就可以計(jì)算出 n 點(diǎn)（n≠1，且 n<=N/2）對應(yīng)的信號的表達(dá)式為：An/(N/2)*cos(2*pi*Fn+Pn)，即 2*An/N*cos(2*pi*Fn+Pn)。對于 n=1 點(diǎn)的信號，是直流分量，幅度即為 A1/N。

由于 FFT 結(jié)果的對稱性，通常我們只使用前半部分的結(jié)果，即小于采樣頻率一半的結(jié)果，即可以是前向 FFT 也可以是后向 FFT，前向、后向各一半結(jié)果。

由此可知：假設(shè)采樣頻率為 Fs，采樣點(diǎn)數(shù)為 N，做FFT 之后，某一點(diǎn) n（n 從 1 開始）表示的頻率為：Fn=(n-1)*Fs/N；該點(diǎn)的模值除以 N/2 就是對應(yīng)該頻率下的信號的幅度（對于直流信號是除以 N）；該點(diǎn)的相位即是對應(yīng)該頻率下的信號的相位。相位的計(jì)算可用函數(shù) atan2(b,a)計(jì)算。atan2(b,a)是求坐標(biāo)為(a,b)點(diǎn)的角度值，范圍從-pi 到 pi。要精確到 xHz，則需要采樣長度為 1/x 秒的信號，并做 FFT。要提高頻率分辨率，就需要增加采樣點(diǎn)數(shù)，這在一些實(shí)際的應(yīng)用中是不現(xiàn)實(shí)的，需要在較短的時間內(nèi)完成分析。解決這個問題的方法有頻率細(xì)分法，比較簡單的方法是采樣比較短時間的信號，然后在后面補(bǔ)充一定數(shù)量的 0，使其長度達(dá)到需要的點(diǎn)數(shù)，再做 FFT，這在一定程度上能夠提高頻率分辨力。

4.3 能量檢測實(shí)現(xiàn)

4.3.1GNU Radio 的 USRP 初始化設(shè)置

需要搭建基于GNU Radio的FFT頻譜檢測器，我們就需要正確的初始化配置USRP，建立流圖，搭建起 FFT 運(yùn)算的軟件無線電結(jié)構(gòu)。

初始化配置 USRP，需要使用 GNU Radio 中的 usrp.py 模塊，這個模塊包含輸入輸出初始化設(shè)置、ADC 采樣速率、功率、增益、載頻等。基本上所有關(guān)于配置 USRP 的子函數(shù)都需要重載 usrp.py 來配置。具體見下表：

usrp.py函數(shù)是所有 GNU Radio 控制 USRP 的程序都要用到的初始化函數(shù)，它們控制 usb 接口、fpga 程序、ADC、DAC、子板，跟硬件打交道的程序都可以從這個函數(shù)的子函數(shù)找到控制方法。

source_x()和 sink_x()則是 usrp.py 中最基本的子函數(shù)，它們是流圖的開始或者結(jié)束，由它們我們可以初始化 USRP 為接受器或者發(fā)射器，而且一個 USRP 通過時分復(fù)用可以復(fù)用為雙工收發(fā)器。

按照表的函數(shù)應(yīng)用舉例，我們設(shè)置 USRP 為接收狀態(tài)，nchan=2 這樣我們可以同時獲得兩個子板的信息，同時對 400M 和 2.4G 頻段進(jìn)行掃頻。其余設(shè)置均為默認(rèn)狀態(tài)，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 能量檢測流圖

由上一小節(jié) FFT 的原理，我們可以得出 FFT 計(jì)算結(jié)果的意義，可對其進(jìn)一步處理達(dá)到我們的需求。GNU Radio 自帶庫有 FFT 模塊，在設(shè)置好 USRP 并正確的建立流圖，然后將得到的結(jié)果通過計(jì)算途徑處理，最終得到我們需要的功能——大范圍的能量檢測。

因?yàn)?nbsp;USRP 帶寬的限制，一個時間內(nèi)前端只能檢測到 8MHz 的射頻信號如果要檢測大于 8MHz 帶寬的信號我們需要通過不斷的 RF 前端步進(jìn)調(diào)頻以達(dá)到檢測大范圍頻譜的目的，雖然檢測到的頻譜并不是實(shí)時的。USRP（或者程序）每個時刻對一段范圍的頻率進(jìn)行檢測，然后步進(jìn)調(diào)頻到下一段頻率，這樣就能掃頻掃過大段的頻率。

要是頻率調(diào)頻已經(jīng)完成步進(jìn)調(diào)頻，我們需要在每一個步進(jìn)時刻結(jié)束時——即已獲得這段頻率的數(shù)值時，發(fā)送一個調(diào)頻指令到 USRP。調(diào)頻控制由 gr.bin_statistics_f sink 程序?qū)崿F(xiàn)，bin_statistics 在以下的函數(shù)解釋中有詳細(xì)解釋。

當(dāng)我們命令 USRP 的 RF 子板改變中心頻率時，我們必須等待 ADC 的采樣到達(dá) FFT處理器并判斷完是否屬于需要的中心頻率。在這個過程中需要經(jīng)過很多重的延時比如從FPGA，USB，計(jì)算延時。這樣我們必須在調(diào)節(jié)到下一步進(jìn)頻率時進(jìn)行延時，以保證上一步進(jìn)頻率的采樣能正確的被 FFT 處理器處理。

程序主要驅(qū)動部分由 bin_statistics sink 函數(shù)組成。整個流程如圖 4-3

bin_statistics主要控制 USRP 的調(diào)頻控制，并根據(jù)步進(jìn)頻率帶寬的大小決定延時時間即 FFT 處理器忽略掉 N 個向量（向量長度由計(jì)算決定）這里也可以詳細(xì)解釋，當(dāng)進(jìn)行完 FFT 處理后，bin_statistics 將處理后的信息組合成 message，并將此 message 插入message queue。message 的每個內(nèi)容由 FFT 后的每個最大頻率的向量組成。

每一步進(jìn)的延時需要計(jì)算得出，延時包括調(diào)頻延時和計(jì)算延時，其中調(diào)頻延時是最主要的延時。

調(diào)頻延時由 RF 前端的 PLL 到主板的時間再加上管道中排隊(duì)的時間，我們所用的RFX 系列延時差不多是 1ms。
調(diào)頻延時轉(zhuǎn)化為 FFT 計(jì)算時忽略的向量個數(shù)的計(jì)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)

這表示，我們延時 1ms 我們將跳過 4 個輸入的 FFT 向量個數(shù)，來獲得真實(shí)的向量數(shù)據(jù)。延時時間還包括計(jì)算延時，我們需要收集處理 N 個 FFT 采樣，如果 DR=8 那將用時 128us，還應(yīng)該加上計(jì)算機(jī)處理這 N 個采樣的時間，這個需要根據(jù)實(shí)際計(jì)算機(jī)的處理能力通過實(shí)驗(yàn)測得。

本實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)置步進(jìn)頻率為 3MHz，設(shè)置 3M 是為了能盡可能精確的對小范圍的頻率進(jìn)行能量測算，而我們通信時占用的頻寬也大概是 2M 多，加上半衰保護(hù)，差不多即是 3M。而且步進(jìn)頻率 3M 可節(jié)省每一步進(jìn)的運(yùn)算時間，是個均衡的選擇。這樣 USRP及相關(guān)程序的初始化就完成了。

以下是完成 FFT 運(yùn)算的流圖，其搭建一個完整的軟件無線電結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)最終寫入message。流圖如下圖：

4.3.3 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

總結(jié)如下，受制于 USB 總線的約束，USRP 不能檢測超過 8MHz 的帶寬（USRP 的USB2.0 最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 32M Bytes/S，每個實(shí)采樣點(diǎn)占用 2 個 B