1、引言

上次我們已經(jīng)完成了USRP X310和SDR軟件的安裝，這一篇的主要任務(wù)是利用GQRX進行查看頻譜和記錄數(shù)據(jù)。

利用GQRX和USRP研究SDR的主要流程如下：先通過查看頻譜確定感興趣的信號所在頻率；然后在GQRX主界面上將目標頻率設(shè)置為設(shè)備的中心頻率；對于AM、FM、CW等模擬信號，GQRX可直接解調(diào)并播放聲音；對于無法直接解調(diào)的信號，利用GQRX的IQ記錄工具將原始信號保存成文件，以便后續(xù)的離線分析。

2、查看頻譜

2.1 頻譜概念

時域(波形)和頻域(頻譜)是最常見的兩種表征信號的方式，大多數(shù)信號處理也都在發(fā)生在這兩個領(lǐng)域內(nèi)。傅里葉變換是溝通時域和頻域的工具：

利用傅里葉變換，可以從信號隨時間的變化f(t)，得到信號在頻域的分布F(w)，反之亦然。

頻譜是將F(w)可視化后的結(jié)果，準確的說應(yīng)該是功率譜P(w)，反映了在哪個頻率上有多大能量的信號在發(fā)射。

常見的顯示方式有二維頻譜(頻譜圖，spectrum)和三維頻譜(瀑布圖，waterfall)。頻譜圖的橫坐標是頻率，單位一般為MHz，kHz，Hz，縱坐標是表示信號能量大小，單位一般為dBFS(滿量程分貝)。瀑布圖的橫坐標為頻率，縱坐標為時間，用顏色表征信號強度。

大部分頻譜監(jiān)視軟件包括GQRX都具有這兩種模式。

2.2 GQRX頻譜設(shè)置參數(shù)

2.2.1 FFT點數(shù)

每次參與FFT計算的樣本數(shù)，一般為2的整數(shù)次冪，如256，512，1024...，65536等。FFT點數(shù)決定了生成頻譜的頻率分辨率。對于寬帶數(shù)據(jù)，FFT點數(shù)越多，生成的頻譜越清晰細致。但對于窄帶信號，過大的FFT點數(shù)反而會讓生成頻譜模糊。這是因為功率譜計算(即短時傅里葉變換)基于信號的周期性，如果設(shè)置的FFT點數(shù)與實際信號不一致，就會導致頻譜的模糊。

例如用Adobe Audition分析一個44.1kHz的音頻文件，人發(fā)音的一個音節(jié)持續(xù)時間約為20毫秒，那么FFT點數(shù)應(yīng)當與44100*20/1000=882相當。

另外FFT點數(shù)越多，計算壓力越大，對機器配置要求越高。

2.2.2 FFT速率

也叫FFT幀速率，即每秒鐘進行運算FFT的次數(shù)，GQRX下一般為設(shè)置為30Hz至50Hz。RTSA模式下的幀速率成千上萬，一般由硬件實現(xiàn)。

FFT速率決定了生成頻譜的時間分辨率，FFT速率越高，單位時間內(nèi)的幀越多，時間軸的分辨率越清晰。但是過高的FFT速率會讓一個本來只出現(xiàn)在一幀中的事件拉長至若干幀之中，產(chǎn)生時間擴散效應(yīng)，造成信號時間軸邊緣模糊，見泰克公司的圖片和文章解讀頻譜分析中100%POI的誤區(qū)。

?2.2.3 其他參數(shù)

其他調(diào)節(jié)頻譜顯示的參數(shù)還有：窗函數(shù)類型，功率譜的基準和范圍、曲線平滑、最大最小保持、縮放平移等，運行GQRX時可隨時更改這些參數(shù)并查看效果。

2.3 實際接收效果

利用GQRX接收FM廣播和航空頻段：

https://www.bilibili.com/video/BV1AL4y1z7hf/https://www.bilibili.com/video/BV1AL4y1z7hf/https://www.bilibili.com/video/BV1AL4y1z7hf/

3、復信號

3.1 引入復信號

現(xiàn)有的絕大部分SDR設(shè)備輸出的原始信號數(shù)據(jù)為IQ數(shù)據(jù)，即復信號。這里對復信號這一概念進行簡單說明。關(guān)于復信號理論的詳細了解可參考Richard G. Lyons的《Understanding Digital Signal Processing》第8章，以及John G.Proakis《數(shù)字通信》第二章。

信號處理中為什么要使用復信號？在直角坐標系下，復數(shù)同時具有實部和虛部，在極坐標系下，同時具有幅度和相位。因此，復數(shù)天然的適合描述與振動和波相關(guān)的物理現(xiàn)象。信號處理正屬于這種理論。復數(shù)早就存在于信號處理理論中，只不過在數(shù)字電路發(fā)明之前實現(xiàn)起來較為復雜。而在集成電路和DSP發(fā)明之后，信號處理的工程師們可以更加直接的、徹底的來實現(xiàn)這些理論。

復數(shù)在電路分析和電氣工程中應(yīng)用的更早。斯泰因梅茨(Charles Proteus Steinmetz)在1893年7月美國電氣工程師學會會議上發(fā)表了開創(chuàng)性論文《復數(shù)及其在電氣工程中的應(yīng)用》，使交流電路理論和分析發(fā)生了革命性的變化。他系統(tǒng)化地使用復數(shù)相量表示在電氣工程教育文本中，其中小寫字母“j”用于指定交流系統(tǒng)分析中的90度旋轉(zhuǎn)算子。他的開創(chuàng)性著作和許多其他論文“教了整整一代工程師如何處理交流現(xiàn)象”。復數(shù)在強電上好使，自然也能用在弱電上了。

https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Proteus_Steinmetzhttps://en.wikipedia.org/wiki/Charles_Proteus_Steinmetz

有的說法認為實信號是“實際上”存在的信號，復信號不是。這是誤解。實數(shù)和復數(shù)都是數(shù)學概念，不存在一個比另一個更“實際”。如果說“實際”是指能夠傳輸，那么你可以用兩根同軸線，將一個基帶信號的實部和虛部同時從一樓傳到二樓，這樣看復信號也很“實際”。其實對于OFDM信號，我認為就是在直接傳輸復信號，而且是多路并行的復信號。

3.2 一些名詞

通信系統(tǒng)歷史悠久，隨著技術(shù)的發(fā)展，一些名詞和術(shù)語在不同場合經(jīng)常具有不同含義，例如調(diào)制和解調(diào)。模擬時代的調(diào)制其實同時包含兩項工作：一是映射，即根據(jù)消息信號改變載波的幅度、相位、頻率其中一種或幾種屬性；二是實現(xiàn)頻譜搬移，以適應(yīng)無線信道特性。在數(shù)字信號處理廣泛應(yīng)用后，這兩部分被明確的分開了。頻譜搬移主要由射頻部分在ADC之前完成(根據(jù)架構(gòu)的不同，ADC之后也可能會有一點)，調(diào)制解調(diào)等信息處理主要由DSP以數(shù)字形式完成。具體過程如下，在發(fā)送端，DSP實現(xiàn)信號處理算法，將消息信號(低頻實信號)映射為已調(diào)信號(基帶復信號），然后經(jīng)DAC和射頻部分轉(zhuǎn)換為射頻信號，再經(jīng)過天線發(fā)射到空中；在接收端，天線接收的射頻信號由射頻部分和ADC完成下變頻，得到基帶信號，然后送入DSP解調(diào)，得到消息信號。

本系列中，消息信號和已調(diào)信號這兩個名詞主要關(guān)注消息映射的過程，而基帶信號和射頻信號主要關(guān)注頻譜搬移。以發(fā)送端為例，說明下列名詞的含義：

• 消息/調(diào)制信號(message/modulating signal)：在模擬時代，通信終端直接面向人，包含具體信息的信號(如聲音和圖像)可以直接作為消息信號，或者經(jīng)過簡單處理即可作為消息信號。在數(shù)字時代，通信終端直接面向計算機，聲音、圖像、文字等信息需要在計算機中經(jīng)過采樣編碼、應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層等過程，然后輸入通信終端完成物理層處理，人已經(jīng)無法直接理解和產(chǎn)生這些消息信號。
• 已調(diào)信號(modulated signal)：使用消息改變載波某些屬性后的結(jié)果。在模擬時代，產(chǎn)生的已調(diào)信號一般是通帶實信號。在數(shù)字時代，已調(diào)信號主要由DSP產(chǎn)生，一般是基帶復信號。
• 基帶信號(baseband signal)：零頻附近的信號。在模擬時代，基帶信號一般就指消息，是實信號。在數(shù)字時代，基帶信號一般指DSP輸出的已調(diào)信號，是復信號。
• 通帶/射頻信號(passband/RF signal)：在空中傳播的信號、天線發(fā)送和接收的信號。在模擬時代，已調(diào)信號已經(jīng)是通帶信號。在數(shù)字時代，DSP輸出的已調(diào)信號由DAC完成轉(zhuǎn)換，得到通帶信號。

3.3 復信號的產(chǎn)生

下圖是一個中心頻率為的通帶信號的頻域表征，其中實線表示幅度譜，虛線表示相位譜。由于通帶信號是實信號，其頻譜具有厄米特對稱性，也就是幅度譜關(guān)于縱軸偶對稱，相位譜關(guān)于縱軸奇對稱。

那么從通帶信號到基帶信號總共分幾步?——兩步。?

第一步，把通帶信號的位于縱軸左側(cè)的那一半頻譜濾除，得到一個新的頻譜，如下圖所示。很明顯，這個頻譜不再具有對稱性，因此是一個復信號。這個信號稱為通帶信號的解析信號(analytic signal)，也叫預包絡(luò)(pre-envelope)。

第二步，將解析信號進行混頻，將頻譜向左移動，就得到了基帶信號，如下圖所示。

4、記錄IQ數(shù)據(jù)

通過GQRX的存儲的信號文件只包含原始數(shù)據(jù)，沒有任何元數(shù)據(jù)信息。記錄時間、中心頻率、采樣率等元數(shù)據(jù)都寫到文件名中。默認的文件名格式為gqrx_日期_UTC時間_中心頻率_采樣率_fc.raw。例如：

gqrx_20211013_064329_94500000_250000_fc.raw

文件名中的fc表示float complex，與gnuradio的cf32(complex float 32bits)格式相同。其他常見的格式還有cs16(complex signed 16bits)，cs8(complex signed 8bits)，cu8(complex unsigned 8bits)等。每個復信號樣本包含實部（也叫同相In-phase）和虛部（也叫正交Quadrature），實部和虛部各自是一個32bits的浮點數(shù)，所以一個樣本的長度為64bits。文件中樣本的存儲格式類似雙聲道wav文件：

I0 Q0 I1 Q1 I2 Q2 ......

得到IQ原始數(shù)據(jù)后，后續(xù)的主要工作便是圍繞這些數(shù)據(jù)開展。下一篇將錄制和分析最簡單的AM和FM模擬信號。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的利用USRP探索软件无线电(2)的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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