USRP认知线电研究
摘：
线频谱紧缺限制线通信服务应持续发展瓶颈认知线电(Cognitive RadioCR)技术认解决线频谱紧缺问题种新方法认知线电技术线移动通信领域种革命性技术线户利该技术智感知周围环境搜索频谱资源进行动态频谱接入提高通信系统容量频谱利率目前利认知线电技术进行动态频谱接入两种情况种免执开放频段动态享该段频谱 24GHz 线局域网 IEEE 80216hg 线城域网种择机已授权系统频段 IEEE 80222 线区域网户择机已授权数字广播频谱现国外研究局限仿真理研究实验台研究较少没成熟台供实际测试验证
文研究基GNU RadioUSRP实现认知线电实验台GNU RadioUSRP基PC套开源软件线电开发台台快速灵活设计出终端原型台采择机动态频谱接入方法 400M430M范围择机空闲授权频段文介绍GNU Radio实现方式编程原理介绍作配套硬件USRP结构组成功着重认知线电台实现进行研究实现研究容：研究范围频谱量检测检测出空闲频段作统计决策研究动态接入传输物理层方法研究设计 MAC 层网络层应层实现方法研究演示系统终测试验证性
关键词：
认知线电实验台频谱检测动态接入GMSKCSMAtuntap网络编程wxPython
第章 绪
11 文选题意义
着线媒体应增加线频谱成越越紧缺资源研究结果[14]指出现频谱理分配策略造成频谱资源紧缺重原现频谱理机构采固定分配频谱方法线频谱分配线通信系统某线频谱块固定指派某特定线接入网络频谱块固定相互间间隔定保护频段分配具执资格运营商定期限期满重新指派固定分配方式频谱理非常简单整体频谱利率相低适应线媒体应高速发展
文献[57]图采固定方式划分频谱中某频带部分时间未占频带部分频率占剩频带负载前两类低效利频谱称频谱洞(spectrum hole)文献[5]频谱洞定义：理机构指派户(primary user)频谱中某时某未户频率户系统产生忍受干扰前提允许未授权(unlicensed)系统中次户(secondary user)利频谱洞进行接入通信认知线电技术述频谱洞二次利(secondary use)成认解决线频谱紧缺问题方法认知线电系统户具感知周围环境力通感知周围频谱情况检测户否占释放频谱洞智调整接入频谱范围户系统产生忍受干扰前提原低效利频谱资源整体频谱利率提高
12 国外研究现状
认知线电(Cognitive Radio)术语首先 Joseph Mitola 软件线电概念基础提出1999 年 Mitola 博士文中描述认知线电系统通线知识描述语言(RKRL)加强线服务灵活性认知线电进行扩展出令感兴趣跨学科认知线电概念总结美国联邦通信委员会(FCC)2002 年发布频谱政策特工作组(SPTF)报告频谱资源政策具深远影响报告设定认知线电工作组 2003 年 5 月华盛顿成立 2004 年 3 月美国拉斯维加斯召开认知线电学术会议标志着认知线电技术正式起步学术界行动起著名通信理专家Simon Hakin 2005年2月JSAC in Communications 发表关认知线电综述性文章Cognitive radiobrainempowered wireless communications开始国际性认知线电技术研究 BerkeleyVirginiaStevens等学研究软件线电(SDR) 坛等研究组织纷纷展开研究Rutgers 学 Winlab实验室进行认知线电台开发Berkeley 学提出种认知线电网络层次结构考虑结构底两层普通开放系统互连(OSI)模型处美国国防部(DARPA) XG 计划研制认知线电核心系统方法关键技术实现动态频谱接入享XG 称证频谱效率目前频谱利率提高 10～20 倍IntelQualcommPhilipsNokia 等公司已开始着手进行民认知线电系统技术研究两年国际召开两重关认知线电技术动态信道分配会议分：2004 年 10 月份 Washington 召开Cognitive Radios Conference会议议题包括：紧急商业军事需求机会认知线电频谱政策——军事商业求软件定义线电发展认知线电适应频谱理工具技术子系统研发：智天线传感器接收机适应调制波形技术2005 年 11 月份召开动态频谱接入(DySPAN)会议会议议题基认知线电动态频谱分配接入技术会议发表 80 篇文章
年国研究机构开始关注踪该技术包括电子科技学清华学香港科技学西安交通学等国家 863 计划基金 2005 年首次支持认知线电关键技术研究目前研究课题集中认知线电系统种合作跨层设计技术空间信号检测分析 QoS 保证机制等涉实验台研究较少没成熟台供实际测试验证
13 文工作
文研究基 GNU Radio USRP 实现认知线电实验台实现认知线电中关键两部分功：频谱检测动态接入Gnuradio USRP 基 PC 套开源软件线电开发台台快速灵活设计出终端原型文介绍 GNURadio 实现方式编程原理介绍作配套硬件 USRP 结构组成功着重认知线电功台实现进行研究实现研究目标：
（1）实现范围频谱量检测检测出空闲频段作统计决策
（2）实现干扰信号量快速检测反应
（3）具灵活快速动态接入功实现动态接入传输物理层方法
（4）设计 MAC 层网络层应层实现方法
（5）研究演示系统终测试验证性
14 文结构
文认知线电相关理技术进行深入解研究基础基 GNU Radio USRP 设计认知线电台文组织思路：首先介绍国外认知线电术发展状况分析认知线电基理介绍 GNU Radio USRP 结构原理然提出种频谱检测动态接入设计实现认知线电网络网络传输实时视频验证演示分析系统性改进处
文章节安排：
第章结合国外认知线电研究动态发展趋势简介绍文选题意义事研究工作
第二章结合线电发展背景介绍软件线电认知线电等方面背景理知识
第三章介绍 GNU Radio USRP软件硬件技术进行详细描述提出基该台设计认知线电台基框架
第四章介绍频谱检测方法原理设计频谱量检测方法
第五章详细描述动态接入传输基原理实现程设计物理层MAC层网络层应层实现方法
第六章出台演示系统实现方法测试台性总结全文提出改进处改进思路
15 章结
章先介绍文选题意义国外认知线电技术研究现状出事研究工作介绍文组织结构
第二章 认知线电背景
21 线电台发展背景
第章中已列举认知线电研究领域种专业定义涵认知线电传统线电软件线电间着什样关系区呢？
传统模拟线电系统射频部分 变频滤波基带处理全部采模拟方式频段种调制方式线系统应种硬件结构难着断发展技术更新做出进改变软件线电思想 20 世纪 90 年代逐渐兴起种全新设计思想核心通硬件台加载通信软件实现通信方式间转换种全新设计思想极缩短通信系统开发时间成基思想宽带 AD转换器射频天线早接收模拟信号转化数字信号程度通 DSP 软件实现通信系统种功[8 9]
软件线电线设备中原硬件实现功改软件实现通改变软件改变线设备功功变化必须外部进行控制线设备身根需求动改变功[8]
根电子电气工程师协会(IEEE)定义线电设备称 SDR 基前提：部分者全部基带 RF 信号处理通数字信号处理软件完成软件出厂修改SDR 关注线电系统信号处理实现方式[8]
认知线电技术种软件线电技术发展线通信技术认知线电软件线电基础采时变化通讯协议技术时增加新元素——工智支持够感知环境处位置基础改变功率频率调制参数求更高频带利率确定绕障碍佳传输路径意义讲认知线电更高层概念仅包括信号处理包括根相应务政策 规目标进行推理规划高层功正种外界环境适应力认知线电成实现动态频谱分配种流方案[10]
总结述三者间异认知线电具面两特征：
（1）认知
认知力 CR 够工作线环境中捕获者感知信息标识特定时间空间未频谱资源(称频谱空洞)选择适频谱工作参数务通常包括 3 步骤：频谱感知频谱分析频谱判决频谱感知功监测频段检测频谱空洞频谱分析估计频谱感知获取频谱空洞特性频谱判决根频谱空洞特性户需求选择合适频段传输数
（2）重构
重构力 CR 设备根线环境动态编程允许 CR 设备采线传输技术收发数重构参数包括：工作频率调制方式发射功率通信协议等重构核心思想频谱授权户(LU)产生害干扰前提利授权系统空闲频谱提供通信服务旦该频段 LU CR 两种应方式：切换空闲频段通信二继续该频段改变发射统率者调制方案避免 LU 害干扰
22 软件线电基理
软件线电 Joe Mitola 1991 年提出种线通信新概念 指种重新编程者重构线电系统说种软件线电系统硬件需变更情况时候根需通软件加载完成功软件线电概念然通信领域提出概念提出包括通信 雷达电子战导航 测控卫星载荷民广播电视等整线电工程领域广泛关注已成线电工程领域具广泛适性现代方法[12]
传统线电系统完成项专属务接收电视信号AMFM 广播信号者进行线通信 wifi 者 GSM 通信种线电系统专属线制式包括载频调制解调方式功率等线电系统间线波形调解方式纠错方式间够相互通信种通软件改变线制式适应通信制式新型线电系统出现软件线电传统线电系统物理层数链路层硬件实现设计完成改变软件线电系统物理层数链路层够软件控制改变物理层调制解调信号软件控制少部分编程硬件实现数链路层更完全软件控制差错控制媒体介入协议根求意改变图 21 示：
20 年推广全世界范围深入研究 软件线电概念仅普遍认 已获广泛应尤年 软件线电发展势头更猛 已触动线电工程角落 3G 4G美军 MBMMR(频段模式电台 ) JTRS (联合战术线电系统 )软件线电概念进行设计开发军外民者科研领域出现 sandbridge SDRcommunication platform the virtual radio GNU Radio
理想软件线电结构图 22 示 特点减少模拟处理环节接收端信号 RF 前端接收然 ADC 模拟信号转化数字信号然通编程器件计算处理软件线电代码作转信息发射端数字信号软件线电代码计算处理生成然 DAC 数字信号转化模拟信号 RF 前端发射出
图 22 示软件线电结构适线电工程领域 通信雷达电子战 测控等 该硬件结构完成功关 完成功取决软件线电代码称软件 线电原
理想软件线电硬件接收发送频率意制式线电现技术力实现相难度首先根奈奎斯特采样定理该软件线电工作带宽宽 AD 采样少带宽两倍工作 2～2 000MHz JTRS电台 采样频率少 4 GHz考虑滤波器矩形系数采样频率需超 5GHz高采样速率高分辨率情况少目前难实现次高采样速率ADC 续信号处理 ( FPG A DSP)提出非常高求提高信号处理部分实现难度着电磁环境复杂化宽瞬时处理带宽导致动态范围高求高增益 LNA 高速 ADC动态范围法满足实际需求
针理想软件线电结构实际实现时存问题 作者软件线电结构进行分类提出软件线电三种基结构[ 13]基低通采样软件线电结构 基带通采样宽带中频软件线电结构基射频直接带通采样软件线电结构
十年全世界范围广泛研究 软件线电快速发展 特软件线电硬件核心软件核心设计理念转变已渗透线电工程领域 继续深刻影响引领线电工程未发展尤认知线电提出 软件线电带新发展机遇发展空间[14]
23 认知软件线电基理
认知线电早 Joseph Mitola 博士 1999 年提出[15]描述认知线电样通种线电知识描述语言（RKRL）新语言提高线业务灵活性着线电技术高速发展现认知线电研究应已局限早范畴中方领域研究员角度提出认知线电定义涵
（1）Mitola 初始定义
Mitola 2000 年瑞典皇家科学院博士文答辩中提出样观点认：认知线电术语确定样观点线资源相关计算机计算机间通信方面线数字助理(Personal DigitalAssistantPDA)相关网络具足够计算智包括检测户通信需求作环境函数提供符合需求线资源服务
实现认知线电外界环境良交互功Joseph Mitola 博士文中提出认知环思想图 23 示
外界激励作种干扰进入认知线电系统分配认知环中等响应认知线电系统断历观察（observe）定位(orient)计划(plan)决定(decide)执行(act)五种状态中种状态涉工智学(learn)
观察阶段认知线电通读取测位温度等传感器推断户前通信环境认知线电通决定外界刺激优先级进行定位动力障够直接引起执行阶段反应图中立表示通常情况认知线电会输入信息产生计划图中正常表示判决阶段认知线电候选计划中做出合适选择执行阶段触动选中程序学观察决定阶段功函数目前先前部状态期值进行较认知线电够知道现通信模型效性
（2）Simon Haykin 信号处理角度提出定义
SimonHaykin 教授结合 Mitola 博士认知线电解释篇名ConitiveRadio：BrainEmpowered WirelessCommunications文章里出认知线电种新定义：认知线电智线通信系统够感知外界环境工智技术环境中学通实时改变某操作参数(传输功率载波频率调制技术等)部状态适应接收线信号统计性变化实现时间点高度通信频谱资源效利图 24 基 Simon Haykin理认知环结构：
包括三部分容：
a线频谱探测
b信道状态估计预测
c发射功率控制频谱理
（3）美国联邦通信委员会 FCC 频谱理角度提出定义
现通信系统频谱资源需求断增加频谱资源利日益明显美国联邦通信委员会充分注意点情况开始重新思考新频谱资源理政策 2003年 5 月认知线电研讨会讨利认知线电技术实现灵活频谱利相关技术问题
FCC认知线电做出相狭隘定义：认知线电指够通工作环境交互改变发射机参数线电设备认知线电体软件定义线电(Software Defined RadioSDR)没软件没现场编程求
FCC认实现认知线电需高度灵活性适应快变信道质量干扰环境报告中FCC 进步描述认知线电五种应领域：
a低口密度低频谱率（郊区）区域增加发射功率 8dB
b户中断方式认知线电户出租频谱
c利户空间时间特性动态协调频谱享
d促进系统间互操作
e利发射功率控制环境判决实现跳射频网络(multihop RF network)
综合较三种定义知：Mitola认知概念现技术水求相距较FCC 仅仅充分利频谱角度引入认知线电 Simon Haykin 教授定义较整合数字信号处理网络工智计算机硬件实现等方面容提出认知模型较反映认知线电概念涵
24 章结
结合线电台发展背景介绍软件线电认知线电等方面背景理知识介绍基软件线电认知线电台基结构原理
第三章 基 GNU Radio USRP 认知线电台
31 选择 GNU Radio USRP 作实验台原
广义软件线电分三类：
（1）种制式设备集成起例 GSMCDMA 双模手机方式预置种制式切换增加新制式支持意味着集成更电路重配置力十分限
（2）基现场编程门阵列（FPGA）数字信号处理器（DSP）类编程硬件重配置力提高 FPGA VERILOGVHDL 等语言DSP 汇编语言针特定厂商产品种方式软件分赖具体硬件移植性较差外广技术员说 FPGA DSP 开发门槛然较高开发程相较繁琐
（3）第三类软件线电设备采通硬件（例：商服务器普通 PC 嵌入式系统）作信号处理软件台具方面优势： 纯软件信号处理具灵活性 采通高级语言（ CC++）进行软件开发扩展性移植性强开发周期短基通硬件台成较低享受计算机技术进步带种优势[13]
GNURadio 开源构建软件线电台软件包 Eric Blossom发起完全开放软件线电项目旨鼓励全球技术员领域协作创新目前已具定影响力GNU Radio 基 Linux 操作系统 移植操作系统 采 C++结合 Python 脚语言进行编程代码完全开放[18]
USRP Universal Software RadioPeripheral 通软件线电台 Matt Ettus杰作开源低价格专门 GNU Radio 设计硬件台USRP 非常灵活 USB 设备 PC 连接 RF 世界 059G 载频实现高 16M 带宽信号收发[19]
基 GNU Radio USRP 软件线电台正属第三类软件线电系统具第三类软件线电系统优点外具优势：
（1）成较低软件免费USRP 价格 700 美元相台 PC 价格带宽满足目前数音视频广播线通信制式求 支持双工天线应
（2）技术门槛较低 具定编程验 Linux 验户较短时间掌握配置开发
（3）开源软件获全世界众 GNU RADIO 拥护者 Eric Blossom Matt Ettu（分 GNU RADIO USRP 发明者）技术支持[12]
GNU Radios USRP 功信息线射频信号互相转化程部分功图 31信息流图
32 GNU Radio 软件线电介绍
321 GNU Radio 概述
线电领域中 Eric Blossom 发起完全开放软件线电项目 GNURadio 倍受关注GNU Radio 开源免费构建软件线电台软件包种运行普通 PC 开放软件线电台软件代码完全公开具备智处理信号拥重配置线电硬件设备特点基该台户够软件编程方式灵活构建种线应进实现认知线电认知务[13]
NURadio 旨鼓励全球技术员领域协作创新目前已具定影响力GNU Radio 理解开源软件精神线领域延伸开放性低成特点低成技术员资金充裕机构购买 PC 机样拥套进入频谱空间软硬件系统更广泛技术创新基础 GNU Radio 邮件讨组中天世界户种相关技术问题讨户包括学生学教师软硬件工程师线工程师业余线电爱者正推动新技术发展进步
GNURadio 开放特性具广泛吸引力重素时生命力源泉代码技术资料完全开放解运作细节进行修改开发种开放氛围取知识成果充分交流享更益创新
322 GNU Radio 软件结构
GNURadio 提供信号处理模块库库包含种调制模式（GMSK PSKQAMOFDM 等）种纠错编码（ReedSolomonViterbiTurbo Codes 等）种信号处理结构（意滤波器FFT量化器等）机制单处理模块连接起形成系统编程者通建立流图（flow graph）搭建成线电系统
GNURadio 编程基 Python 脚语言 C++混合方式C++具较高执行效率编写种信号处理模块：滤波器FFT 变换调制解调器信道编译码模块等GNU Radio 中称种模块 blockGNU Radio 提供超 100 信号处理块扩展新处理模块非常容易
Python种新型脚语言具须编译语法简单完全面象特点编写连接 block 成完整信号处理流程脚GNU Radio 中称flow graph 流图相强语言新 libraries 功常加进某种程度GNU Radio 实时效信号处理库扩展 Python结合库拥量功说结合 GNU Radio SCIPY(Python 科学计算库)实时记录 RF 信号离线做量数学操作保存统计数字数库中等等结合库 MATLAT 样软件实现
编程者通建立流图（flow graph）图 31 示搭建线电系统形象说flow graph 块电路板 flow graph 基础 blocks 电路板电路模块需做模块连接起
图示信号数流停信号处理模块输入端口流入相应信号处理模块输出端口流出信号处理块 (blocks)属性包括输入输出端口数流端口数类型常数流类型短整型(short)浮点型(float)复数（complex）类型处理模块仅仅输入端口者输出端口分成信号源(data source)信号接收器(data sink)信号源文件者 ADC 读入数信号接收器数写入文件者 DACPC 媒体接口
信号处理模块仅处理输入输出采样速率整数倍关系步模块处理异步模块步模块通常继承 gr_sync_block(输入输出 11 采样)者gr_sync_interpolator (1N)者 gr_sync_decimator (N1)异步模块通常直接继承 gr模块模块已实现Python 通模块输入输出连接起形成信号流图 main class 连接起样运行
户 block graph 构造应程序面 GNU Radio 运行支持环境包括缓存理线程调度硬件驱动GNU Radio 中巧妙设计套零拷贝循环缓存机制保证数 block 间高效流动运行着 GNU Radio 实例中GNU Radio 通特线程调度控制模块模块间数流采样速率外需 forecast()辅助编程者告诉线程调度模块需少种输入采样速率产生需数量输出采样速率
实际信号处理函数 general_work()者 respwork()中实现函数线程调度调赋予干输入采样速率然进行信号处理返回输入采样处理量输出采样产生量
GNURadio 处理数缓存信号处理模块通常输入速率处理时候 CPU 处理速率者素数处理速度够快需缓存（buffer）缓求编程者注意：数传送速率处理速度时缓存会溢出导致数丢失数传送速率处理速度时缓存常空会产生脉
GNURadio 支持 Linux 种发行版外移植 Mac OS X NetBSD Windows 等操作系统
33 USRP 介绍
331 认知线电硬件台求
第二章 Simon Haykin 教授认知线电理解中认知线电系统硬件方面求：
（1）频带信道进行监测
认知线系统收发器够工作频段提供宽带频谱感知力收发器前端够调谐频谱范围意频带必须选宽带天线时根电波传播条件设计天线具定极化方图分集控制力认知线电工作频段 AD 转换器求较高求射频前端 AD 转换器具宽带高频高精度高采样率高分辨率动态范围特性
（2）具定工智
认知线电先环境进行感知进行学达决策程通量算法实现硬件台应该具运行实现算法载体说 DSPFPGA等算法进行调度控制
（3）容易升级扩展
认知线电求需种频段进行支持频段调制方式数传输数率传输协议等求该硬件台根实际情况进行重新配置外目前认知线电种算法成熟处研究阶段便系统升级求硬件台重新配置具备良扩展力提供更类接口等
332 USRP 硬件结构分析
Matt Ettus发明硬件系统USRP 射频前端GNU Radio重硬件伙伴 非常灵活 USB 设备 PC 连接 RF 世界 GNU Radio 软件相USRP 完全开放电路设计文档 FPGA 代码均 Ettus Research站载具低成高效率等特点 GNU Radio 者佳选择基GNU Radio USRP 组合户构建种具想象力软件线电应
简易说USRP 集成电路板块板四块子板构成USRP包含母板前端子板母板包含 4 12bit 64M 抽样率 ADC4 14bit128M DAC百万门 FPGA 芯片 Altera Cyclone EP1C12 FPGA10 编程 USB20 控制器母板完成信号模拟数字转换基带信号生成 PC 通信功处理数字基带中频信号 USRP 母板支持 4 子板2 接收2 发射RF前端实现子板子板处理频率带宽现覆盖 DC 59GHz 频段信号子板中频完成初步滤波信号混叠
板面包含 ADDA 转换器 FPGA完成中频采样中频信号基带信号间互相转换子板负责处理频带射频信号进行射频中频信号间转换硬件部分相关特性极重会作影响线电设计软件编程时必须严格硬件约束条件求进行操作
面分介绍 USRP 部件相关功：
（1）ADDA 转换器
USRP采两块 Analog Device AD9862 芯片美国模拟器件公司设计适合线宽带通信应高性混合信号前端块提供两路 12bit64M Samples AD 变换两路 14bit128M Samples DA 变换块板提供 4 路模拟数字信号转换器（ADC） 4 路数字模拟信号转换器（DAC）收发两路复采样理讲果实时采样话四输入输出通道然果复数（IQ）采样会更灵活性需进行配两组复数输入两组复数输出
AD9862接收路径包括基带低中频（IF）接收种数正交（I&Q）数两高性 ADC输入缓器接收端编程增益放器（RxPGA）抽取滤波器AD9862 包含编程延迟锁定环路（DLL）时钟倍频器集成定时电路（允许单基准时钟）辅助 ADC DAC（接收信号强度指示进行监视控制）温度传感器增益失调调整电路
AD9862发送路径允许接受种数格式包括两高性 DAC发送端编程增益放器（TxPGA）2 倍 4 倍插滤波器希尔伯特（Hilbert）数字滤波器复合真实信号变频数字混频器特点系统结构质减少重构抗混叠滤波求
注意 RX 板 TX 板 PGA 编程说通 GNU Radio调 USRP 相关函数定义
（2）FPGA
明白 FPGA 作 GNU Radio 者说重USRP 采块型号EP1C12 PQ240 FPGA等效门数 65 万门高性行计算机样完成需设计务设计 FPGA 需技果慎会烧坏硬件电路板里 USRP 设计者提供标准适应性广 FPGA 配置者应程中需做改动
ADC DAC 连接 FPGA 块 FPGA 扮演角进行高带宽数学处理降低数速率便数通 USB 传 PC 处理接收通道FPGA ADC 采进数字信号进行数字变频 DDC通层叠梳状滤波器 CIC 数进行变速率抽取发送通道原理相反进行数字变频 DUC AD9862 里进行FPGA 数进行梳状插
FPGA 行处理数 USRP 实现全双工数处理种模式接收发送两路完全互相独立唯需注意收发复合速率超32MBytes
FPGA两功： ADC 采中频信号进行数字变频 （DDC） 变换基带通层叠梳状滤波器 CIC 采样值进行变速率抽取符合户信号带宽求FPGA 包含四 DDC DDC I Q 两输入口ADC 输出会连接四 DDC 中 I 者 Q 端口中 MUX 决定图示MUX 路者电路交换器决定 ADC 输出连 DDC输入端 USRP 中部函数进行控制
DDC实现两作：首先中频信号变频基带信号次信号抽取信号速率 USB20 采 PC 运算力匹配结构图见图 35：
抽取器认低通滤波器面紧接采样器假设抽取倍数 N果数字频谱低通滤波器选出[πNπN]频带然采样器频谱扩展[ππ]扩展频谱成分原频谱成分[πNπN]应者说前者准确表示者[πNπN]频率分量时扩展频谱进行处理等原信号频谱处理前者数流率者 N 分降低信号处理（解调分析等）速度求
抽取数 16 位符号整数 IQ 信号形式通 USB20 接口结果形成通 USB20 8M Samples 复数采样速率（参见文关 USB20 说明）
数字变频产生 IQ 信号通 USB 接口进入 PC接软件编程世界
发送路径情况相反需发送基带 IQ 信号 USRP 板数字变频器（DUC）会信号进行修正通插变频中频发送 DAC 进行模数转换工作交子板完成形成 RF 信号进行发送
(3)前端子板
母版四插槽总够两接收子板两发送子板者供两收发子板子板提供RF 接收接口者调谐器发送器允许实采样时子板两独立 RF 天线果复采样子板 RF 天线通常子板两 SMA 连接口供输入者输出子板 I2C EEPROM 便储存子板标识信息校准信息：直流偏置值 IQ 误差子板插母板时够系统正确识
子板种类型分覆盖射频范围具收发功目前面种子板：
BasicTXBasic RX：两种子卡没中频 IF 射频 RF 间频谱变换仅仅提供板中频信号天线间接口 ADC DAC 进行带通采样然支持 2MHz～200MHz 载频
TVRX：覆盖 500MHz～800MHz 广播电视频段接收子卡
DBSRX：覆盖 800MHz～24G 接受子卡
RFX400RFX900RFX1200RFX1800RFX2400：子卡均支持双工分覆盖400～500MHz800～1000 MHz1150～1450 MHz15～21 GHz23～29GHz频段通性较实验台般 RFX400RFX2400
图 38 RFX400 子板子板两接口连接输入输出信号
(4)USB20
USRP采 USB20 接口 PC 连接高达 32M Bytes 数传输速率果AD DA 分采 12Bit 14Bit 采样精度实采样点占 2Bytes复采样点占 4Bytes果路复数采进行单收单发高达 32M48M复采样秒高发送接收 8MHz 带宽信号果 8bit 采样高收发16MHz 带宽信号ADC DAC 始终分 64M 128M 速率进行采样户实际获采样速率通设置抽值率插值率
USB支持三种传输方式：命令bulk 读写步传输里命令包配置USRP装入固件 FPGA bitstream bulk 读写者步传输传送 FPGA PC间数
图 39 知数接收程例射频 RF 端模拟基带信号数字系带信号 PC 传输整流程转换程见 GNU Radio USRP 处理线信号具极强重构力
34 GNU Radio USRP 应举例
年发展研究者爱者已发展种应面典型应做简单介绍
（1）意利 PISA 学研究 DVBT 实时接收播放播放系统单核奔腾 30G CPU 处 理 模 块 快 集 成 GNU Radio 中 详 细 信 息 见
httpwwwmailarchivecomdiscussgnuradio@gnuorgmsg11639html
（2）弗吉尼亚理工学 CWT 研究 GNU Radio USRP 实现 SmartRadio认知线电项目项目灾迅速发现周围线电通信信号通信 获 SDR Forum Smart Radio Challenge 2007 金 奖 详 细 信 息 见
httpwwwcognitiveradiowirelessvtedudokuwikidokuphpidhome
（3）德克萨斯学 WNCG 研究利 GNU Radio USRP 实现 MIMO 跳网络测试详细见httphydraeceutexasedutestbed
（4）常应：MIMOGPS 接收机线电天文学总想线电项目GNU Radio USRP 实现
35 基 GNU Radio USRP 认知线电台简介
文基 GNU Radio USRP 认知线电台实现功：频谱检测传输频率选择软件线电台重构线传输
第步——频谱检测选择检测授权户否段频率段频率空闲认知线电非授权户频谱检测信息认知线电户分享合作认知种方法中合作认知分具中心节点（中心节点收集频谱信息做决策）非中心节点式（普通节点决策）认知线电网络终决策出通信频段通信方式
第二步认知线电台根决策某种调制方式传输功率重构某空闲频率重构程应快
步传输数单物理层重构MAC 层层级需作出相应策略保证传输速率质量
36 章结
章介绍GNU Radio USRP软件硬件技术进行详细描述提出基该台设计认知线电台基框架
第四章 基 GNU Radio USRP 频谱检测方法
41 频谱检测方法介绍
411 认知线电频谱感知原理
目前认知线电领域检测某频段否信号存信号存方法种检测类型划分分信号存性检测信号覆盖范围检测两类检测节点数划分分单节点检测节点联合检测检测方法划分分匹配滤波量检测周期特性检测三类[23]总结纳种方法图示：
信号存检测指某特定频段信号进行观测做出该频段否信号存判断种探测原理基模型面公式表示：
中x(t)认知线电接收信号s(t)第户传输信号n(t)加性白高斯噪声h 信道增益Ho 未占假设表明目前确定频段没第户H1 种假设表明目前存第户
面单节点检测种方法进行介绍分析：
（1）匹配滤波器探测
认知线电获悉第户信号静态高斯噪声理想探测器匹配滤波器原接收信号信噪（SNR）化匹配滤波器优点需短时间获高处理增益然必须效第户信号进行解调意味着需第户先验知识解调方式阶数数包格式等
述信息预存认知线电存中然解调讲认知线电必须通时间载频步甚信道步获第户相关性果信息准确匹配滤波器性会变差匹配滤波器探测明显缺点认知线电类型第户专门接收器
（2）量探测
果接收机够收集第户信号足够信息时佳探测器量探测器测量接收信号量需带宽 W 带通滤波器输出信号进行方运算观测时间段 T 进行积分积分器输出 Y 门限值进行较判定合法户否出现检测程示意图示：
量探测器门限容易受噪声功率变化影响解决问题已文献提出通第户发射机导频音（Pilot Tone）提高认知线电量探测器准确性外够适应性设定门限值带干扰出现会扰乱量探测器量探测器外缺点探测信号出现够区分信号类型区分已调制信号 噪声干扰量探测器容易明信号误导产生误判决
（3）静态循环特征探测
调制信号般载波脉序列重复性扩展跳频循环前缀等耦合处理已调信号具周期性然数静态机调制信号均值相关函数具周期性称具循环性通分析频谱相关函数探测出特征频谱相关函数优点够噪声量已调信号量区分开噪声宽带静态没相关性信号已调信号具频谱相关性周期性静态循环特征探测器具更强抵抗噪声功率中确定性力够量探测器更分辨出噪声信号量探测器更加复杂需更长观测时间
412 感知务
综合较述三种检测方法优缺点面：
认知线电实验台中选择量检测方式做频谱感知匹配滤波需授权户信号模型针某种信号进行检测量检测方法意信号适匹配滤波需重构某种调制解调方式解码成型需花费量计算时间周期特性检测复杂度太高时间较长作初步实验需复杂检测技术
次实验采量检测方法感知务：
选取子板接收频率范围意频段进行量检测针RFX400 子板接收范围 400M500MHz 400M500M 选定意范围进行检测检测频段情况控制时间记录文件中通图形显示出
42 量检测 FFT 方法
FFT离散傅立叶变换快速算法信号变换频域信号时域难出什特征果变换频域容易出特征信号分析采 FFT 变换原外FFT 信号频谱提取出频谱分析方面常信号频域变换进行模值运算出某频率值幅度特性
模拟信号 ADC 采样变成数字信号采样数字信号做 FFT 变换N 采样点 FFT N 点 FFT 结果方便进行 FFT 运算通常 N 取 2 整数次方假设采样频率 Fs信号频率 F采样点数 N FFT 结果 N 点复数点应着频率点点模值该频率值幅度特性具体原始信号幅度什关系呢？假设原始信号峰值 A FFT 结果点（第点直流分量外）模值 A N2 倍第点直流分量模值直流分量 N 倍点相位该频率信号相位第点表示直流分量（ 0Hz）点 N 点（实际点存里假设第 N+1 点做第点分做两半分半移）表示采样频率 Fs中间N1 点均分成 N 等份点频率次增加例某点 n 表示频率：Fn(n1)*FsN面公式出Fn 分辨频率 FsN果采样频率Fs 1024Hz采样点数 1024 点分辨 1Hz1024Hz 采样率采样 1024 点刚 1 秒说采样 1 秒时间信号做 FFT结果分析 1Hz果采样 2 秒时间信号做 FFT结果分析 05Hz果提高频率分辨力必须增加采样点数采样时间频率分辨率采样时间倒数关系
假设 FFT 某点 n 复数 a+bi 表示复数模
相位 Pnatan2(ba)根结果计算出 n 点（n≠1 n FFT 结果称性通常前半部分结果采样频率半结果前 FFT FFT前半结果
知：假设采样频率 Fs采样点数 N做FFT 某点 n（n 1 开始）表示频率：Fn(n1)*FsN该点模值 N2 应该频率信号幅度（直流信号 N）该点相位应该频率信号相位相位计算函数 atan2(ba)计算atan2(ba)求坐标(ab)点角度值范围pi pi精确 xHz需采样长度 1x 秒信号做 FFT提高频率分辨率需增加采样点数实际应中现实需较短时间完成分析解决问题方法频率细分法较简单方法采样较短时间信号然面补充定数量 0长度达需点数做 FFT定程度够提高频率分辨力
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摘：
线频谱紧缺限制线通信服务应持续发展瓶颈认知线电(Cognitive RadioCR)技术认解决线频谱紧缺问题种新方法认知线电技术线移动通信领域种革命性技术线户利该技术智感知周围环境搜索频谱资源进行动态频谱接入提高通信系统容量频谱利率目前利认知线电技术进行动态频谱接入两种情况种免执开放频段动态享该段频谱 24GHz 线局域网 IEEE 80216hg 线城域网种择机已授权系统频段 IEEE 80222 线区域网户择机已授权数字广播频谱现国外研究局限仿真理研究实验台研究较少没成熟台供实际测试验证
文研究基GNU RadioUSRP实现认知线电实验台GNU RadioUSRP基PC套开源软件线电开发台台快速灵活设计出终端原型台采择机动态频谱接入方法 400M430M范围择机空闲授权频段文介绍GNU Radio实现方式编程原理介绍作配套硬件USRP结构组成功着重认知线电台实现进行研究实现研究容：研究范围频谱量检测检测出空闲频段作统计决策研究动态接入传输物理层方法研究设计 MAC 层网络层应层实现方法研究演示系统终测试验证性
关键词：
认知线电实验台频谱检测动态接入GMSKCSMAtuntap网络编程wxPython
第章 绪
11 文选题意义
着线媒体应增加线频谱成越越紧缺资源研究结果[14]指出现频谱理分配策略造成频谱资源紧缺重原现频谱理机构采固定分配频谱方法线频谱分配线通信系统某线频谱块固定指派某特定线接入网络频谱块固定相互间间隔定保护频段分配具执资格运营商定期限期满重新指派固定分配方式频谱理非常简单整体频谱利率相低适应线媒体应高速发展
文献[57]图采固定方式划分频谱中某频带部分时间未占频带部分频率占剩频带负载前两类低效利频谱称频谱洞(spectrum hole)文献[5]频谱洞定义：理机构指派户(primary user)频谱中某时某未户频率户系统产生忍受干扰前提允许未授权(unlicensed)系统中次户(secondary user)利频谱洞进行接入通信认知线电技术述频谱洞二次利(secondary use)成认解决线频谱紧缺问题方法认知线电系统户具感知周围环境力通感知周围频谱情况检测户否占释放频谱洞智调整接入频谱范围户系统产生忍受干扰前提原低效利频谱资源整体频谱利率提高
12 国外研究现状
认知线电(Cognitive Radio)术语首先 Joseph Mitola 软件线电概念基础提出1999 年 Mitola 博士文中描述认知线电系统通线知识描述语言(RKRL)加强线服务灵活性认知线电进行扩展出令感兴趣跨学科认知线电概念总结美国联邦通信委员会(FCC)2002 年发布频谱政策特工作组(SPTF)报告频谱资源政策具深远影响报告设定认知线电工作组 2003 年 5 月华盛顿成立 2004 年 3 月美国拉斯维加斯召开认知线电学术会议标志着认知线电技术正式起步学术界行动起著名通信理专家Simon Hakin 2005年2月JSAC in Communications 发表关认知线电综述性文章Cognitive radiobrainempowered wireless communications开始国际性认知线电技术研究 BerkeleyVirginiaStevens等学研究软件线电(SDR) 坛等研究组织纷纷展开研究Rutgers 学 Winlab实验室进行认知线电台开发Berkeley 学提出种认知线电网络层次结构考虑结构底两层普通开放系统互连(OSI)模型处美国国防部(DARPA) XG 计划研制认知线电核心系统方法关键技术实现动态频谱接入享XG 称证频谱效率目前频谱利率提高 10～20 倍IntelQualcommPhilipsNokia 等公司已开始着手进行民认知线电系统技术研究两年国际召开两重关认知线电技术动态信道分配会议分：2004 年 10 月份 Washington 召开Cognitive Radios Conference会议议题包括：紧急商业军事需求机会认知线电频谱政策——军事商业求软件定义线电发展认知线电适应频谱理工具技术子系统研发：智天线传感器接收机适应调制波形技术2005 年 11 月份召开动态频谱接入(DySPAN)会议会议议题基认知线电动态频谱分配接入技术会议发表 80 篇文章
年国研究机构开始关注踪该技术包括电子科技学清华学香港科技学西安交通学等国家 863 计划基金 2005 年首次支持认知线电关键技术研究目前研究课题集中认知线电系统种合作跨层设计技术空间信号检测分析 QoS 保证机制等涉实验台研究较少没成熟台供实际测试验证
13 文工作
文研究基 GNU Radio USRP 实现认知线电实验台实现认知线电中关键两部分功：频谱检测动态接入Gnuradio USRP 基 PC 套开源软件线电开发台台快速灵活设计出终端原型文介绍 GNURadio 实现方式编程原理介绍作配套硬件 USRP 结构组成功着重认知线电功台实现进行研究实现研究目标：
（1）实现范围频谱量检测检测出空闲频段作统计决策
（2）实现干扰信号量快速检测反应
（3）具灵活快速动态接入功实现动态接入传输物理层方法
（4）设计 MAC 层网络层应层实现方法
（5）研究演示系统终测试验证性
14 文结构
文认知线电相关理技术进行深入解研究基础基 GNU Radio USRP 设计认知线电台文组织思路：首先介绍国外认知线电术发展状况分析认知线电基理介绍 GNU Radio USRP 结构原理然提出种频谱检测动态接入设计实现认知线电网络网络传输实时视频验证演示分析系统性改进处
文章节安排：
第章结合国外认知线电研究动态发展趋势简介绍文选题意义事研究工作
第二章结合线电发展背景介绍软件线电认知线电等方面背景理知识
第三章介绍 GNU Radio USRP软件硬件技术进行详细描述提出基该台设计认知线电台基框架
第四章介绍频谱检测方法原理设计频谱量检测方法
第五章详细描述动态接入传输基原理实现程设计物理层MAC层网络层应层实现方法
第六章出台演示系统实现方法测试台性总结全文提出改进处改进思路
15 章结
章先介绍文选题意义国外认知线电技术研究现状出事研究工作介绍文组织结构
第二章 认知线电背景
21 线电台发展背景
第章中已列举认知线电研究领域种专业定义涵认知线电传统线电软件线电间着什样关系区呢？
传统模拟线电系统射频部分 变频滤波基带处理全部采模拟方式频段种调制方式线系统应种硬件结构难着断发展技术更新做出进改变软件线电思想 20 世纪 90 年代逐渐兴起种全新设计思想核心通硬件台加载通信软件实现通信方式间转换种全新设计思想极缩短通信系统开发时间成基思想宽带 AD转换器射频天线早接收模拟信号转化数字信号程度通 DSP 软件实现通信系统种功[8 9]
软件线电线设备中原硬件实现功改软件实现通改变软件改变线设备功功变化必须外部进行控制线设备身根需求动改变功[8]
根电子电气工程师协会(IEEE)定义线电设备称 SDR 基前提：部分者全部基带 RF 信号处理通数字信号处理软件完成软件出厂修改SDR 关注线电系统信号处理实现方式[8]
认知线电技术种软件线电技术发展线通信技术认知线电软件线电基础采时变化通讯协议技术时增加新元素——工智支持够感知环境处位置基础改变功率频率调制参数求更高频带利率确定绕障碍佳传输路径意义讲认知线电更高层概念仅包括信号处理包括根相应务政策 规目标进行推理规划高层功正种外界环境适应力认知线电成实现动态频谱分配种流方案[10]
总结述三者间异认知线电具面两特征：
（1）认知
认知力 CR 够工作线环境中捕获者感知信息标识特定时间空间未频谱资源(称频谱空洞)选择适频谱工作参数务通常包括 3 步骤：频谱感知频谱分析频谱判决频谱感知功监测频段检测频谱空洞频谱分析估计频谱感知获取频谱空洞特性频谱判决根频谱空洞特性户需求选择合适频段传输数
（2）重构
重构力 CR 设备根线环境动态编程允许 CR 设备采线传输技术收发数重构参数包括：工作频率调制方式发射功率通信协议等重构核心思想频谱授权户(LU)产生害干扰前提利授权系统空闲频谱提供通信服务旦该频段 LU CR 两种应方式：切换空闲频段通信二继续该频段改变发射统率者调制方案避免 LU 害干扰
22 软件线电基理
软件线电 Joe Mitola 1991 年提出种线通信新概念 指种重新编程者重构线电系统说种软件线电系统硬件需变更情况时候根需通软件加载完成功软件线电概念然通信领域提出概念提出包括通信 雷达电子战导航 测控卫星载荷民广播电视等整线电工程领域广泛关注已成线电工程领域具广泛适性现代方法[12]
传统线电系统完成项专属务接收电视信号AMFM 广播信号者进行线通信 wifi 者 GSM 通信种线电系统专属线制式包括载频调制解调方式功率等线电系统间线波形调解方式纠错方式间够相互通信种通软件改变线制式适应通信制式新型线电系统出现软件线电传统线电系统物理层数链路层硬件实现设计完成改变软件线电系统物理层数链路层够软件控制改变物理层调制解调信号软件控制少部分编程硬件实现数链路层更完全软件控制差错控制媒体介入协议根求意改变图 21 示：
20 年推广全世界范围深入研究 软件线电概念仅普遍认 已获广泛应尤年 软件线电发展势头更猛 已触动线电工程角落 3G 4G美军 MBMMR(频段模式电台 ) JTRS (联合战术线电系统 )软件线电概念进行设计开发军外民者科研领域出现 sandbridge SDRcommunication platform the virtual radio GNU Radio
理想软件线电结构图 22 示 特点减少模拟处理环节接收端信号 RF 前端接收然 ADC 模拟信号转化数字信号然通编程器件计算处理软件线电代码作转信息发射端数字信号软件线电代码计算处理生成然 DAC 数字信号转化模拟信号 RF 前端发射出
图 22 示软件线电结构适线电工程领域 通信雷达电子战 测控等 该硬件结构完成功关 完成功取决软件线电代码称软件 线电原
理想软件线电硬件接收发送频率意制式线电现技术力实现相难度首先根奈奎斯特采样定理该软件线电工作带宽宽 AD 采样少带宽两倍工作 2～2 000MHz JTRS电台 采样频率少 4 GHz考虑滤波器矩形系数采样频率需超 5GHz高采样速率高分辨率情况少目前难实现次高采样速率ADC 续信号处理 ( FPG A DSP)提出非常高求提高信号处理部分实现难度着电磁环境复杂化宽瞬时处理带宽导致动态范围高求高增益 LNA 高速 ADC动态范围法满足实际需求
针理想软件线电结构实际实现时存问题 作者软件线电结构进行分类提出软件线电三种基结构[ 13]基低通采样软件线电结构 基带通采样宽带中频软件线电结构基射频直接带通采样软件线电结构
十年全世界范围广泛研究 软件线电快速发展 特软件线电硬件核心软件核心设计理念转变已渗透线电工程领域 继续深刻影响引领线电工程未发展尤认知线电提出 软件线电带新发展机遇发展空间[14]
23 认知软件线电基理
认知线电早 Joseph Mitola 博士 1999 年提出[15]描述认知线电样通种线电知识描述语言（RKRL）新语言提高线业务灵活性着线电技术高速发展现认知线电研究应已局限早范畴中方领域研究员角度提出认知线电定义涵
（1）Mitola 初始定义
Mitola 2000 年瑞典皇家科学院博士文答辩中提出样观点认：认知线电术语确定样观点线资源相关计算机计算机间通信方面线数字助理(Personal DigitalAssistantPDA)相关网络具足够计算智包括检测户通信需求作环境函数提供符合需求线资源服务
实现认知线电外界环境良交互功Joseph Mitola 博士文中提出认知环思想图 23 示
外界激励作种干扰进入认知线电系统分配认知环中等响应认知线电系统断历观察（observe）定位(orient)计划(plan)决定(decide)执行(act)五种状态中种状态涉工智学(learn)
观察阶段认知线电通读取测位温度等传感器推断户前通信环境认知线电通决定外界刺激优先级进行定位动力障够直接引起执行阶段反应图中立表示通常情况认知线电会输入信息产生计划图中正常表示判决阶段认知线电候选计划中做出合适选择执行阶段触动选中程序学观察决定阶段功函数目前先前部状态期值进行较认知线电够知道现通信模型效性
（2）Simon Haykin 信号处理角度提出定义
SimonHaykin 教授结合 Mitola 博士认知线电解释篇名ConitiveRadio：BrainEmpowered WirelessCommunications文章里出认知线电种新定义：认知线电智线通信系统够感知外界环境工智技术环境中学通实时改变某操作参数(传输功率载波频率调制技术等)部状态适应接收线信号统计性变化实现时间点高度通信频谱资源效利图 24 基 Simon Haykin理认知环结构：
包括三部分容：
a线频谱探测
b信道状态估计预测
c发射功率控制频谱理
（3）美国联邦通信委员会 FCC 频谱理角度提出定义
现通信系统频谱资源需求断增加频谱资源利日益明显美国联邦通信委员会充分注意点情况开始重新思考新频谱资源理政策 2003年 5 月认知线电研讨会讨利认知线电技术实现灵活频谱利相关技术问题
FCC认知线电做出相狭隘定义：认知线电指够通工作环境交互改变发射机参数线电设备认知线电体软件定义线电(Software Defined RadioSDR)没软件没现场编程求
FCC认实现认知线电需高度灵活性适应快变信道质量干扰环境报告中FCC 进步描述认知线电五种应领域：
a低口密度低频谱率（郊区）区域增加发射功率 8dB
b户中断方式认知线电户出租频谱
c利户空间时间特性动态协调频谱享
d促进系统间互操作
e利发射功率控制环境判决实现跳射频网络(multihop RF network)
综合较三种定义知：Mitola认知概念现技术水求相距较FCC 仅仅充分利频谱角度引入认知线电 Simon Haykin 教授定义较整合数字信号处理网络工智计算机硬件实现等方面容提出认知模型较反映认知线电概念涵
24 章结
结合线电台发展背景介绍软件线电认知线电等方面背景理知识介绍基软件线电认知线电台基结构原理
第三章 基 GNU Radio USRP 认知线电台
31 选择 GNU Radio USRP 作实验台原
广义软件线电分三类：
（1）种制式设备集成起例 GSMCDMA 双模手机方式预置种制式切换增加新制式支持意味着集成更电路重配置力十分限
（2）基现场编程门阵列（FPGA）数字信号处理器（DSP）类编程硬件重配置力提高 FPGA VERILOGVHDL 等语言DSP 汇编语言针特定厂商产品种方式软件分赖具体硬件移植性较差外广技术员说 FPGA DSP 开发门槛然较高开发程相较繁琐
（3）第三类软件线电设备采通硬件（例：商服务器普通 PC 嵌入式系统）作信号处理软件台具方面优势： 纯软件信号处理具灵活性 采通高级语言（ CC++）进行软件开发扩展性移植性强开发周期短基通硬件台成较低享受计算机技术进步带种优势[13]
GNURadio 开源构建软件线电台软件包 Eric Blossom发起完全开放软件线电项目旨鼓励全球技术员领域协作创新目前已具定影响力GNU Radio 基 Linux 操作系统 移植操作系统 采 C++结合 Python 脚语言进行编程代码完全开放[18]
USRP Universal Software RadioPeripheral 通软件线电台 Matt Ettus杰作开源低价格专门 GNU Radio 设计硬件台USRP 非常灵活 USB 设备 PC 连接 RF 世界 059G 载频实现高 16M 带宽信号收发[19]
基 GNU Radio USRP 软件线电台正属第三类软件线电系统具第三类软件线电系统优点外具优势：
（1）成较低软件免费USRP 价格 700 美元相台 PC 价格带宽满足目前数音视频广播线通信制式求 支持双工天线应
（2）技术门槛较低 具定编程验 Linux 验户较短时间掌握配置开发
（3）开源软件获全世界众 GNU RADIO 拥护者 Eric Blossom Matt Ettu（分 GNU RADIO USRP 发明者）技术支持[12]
GNU Radios USRP 功信息线射频信号互相转化程部分功图 31信息流图
32 GNU Radio 软件线电介绍
321 GNU Radio 概述
线电领域中 Eric Blossom 发起完全开放软件线电项目 GNURadio 倍受关注GNU Radio 开源免费构建软件线电台软件包种运行普通 PC 开放软件线电台软件代码完全公开具备智处理信号拥重配置线电硬件设备特点基该台户够软件编程方式灵活构建种线应进实现认知线电认知务[13]
NURadio 旨鼓励全球技术员领域协作创新目前已具定影响力GNU Radio 理解开源软件精神线领域延伸开放性低成特点低成技术员资金充裕机构购买 PC 机样拥套进入频谱空间软硬件系统更广泛技术创新基础 GNU Radio 邮件讨组中天世界户种相关技术问题讨户包括学生学教师软硬件工程师线工程师业余线电爱者正推动新技术发展进步
GNURadio 开放特性具广泛吸引力重素时生命力源泉代码技术资料完全开放解运作细节进行修改开发种开放氛围取知识成果充分交流享更益创新
322 GNU Radio 软件结构
GNURadio 提供信号处理模块库库包含种调制模式（GMSK PSKQAMOFDM 等）种纠错编码（ReedSolomonViterbiTurbo Codes 等）种信号处理结构（意滤波器FFT量化器等）机制单处理模块连接起形成系统编程者通建立流图（flow graph）搭建成线电系统
GNURadio 编程基 Python 脚语言 C++混合方式C++具较高执行效率编写种信号处理模块：滤波器FFT 变换调制解调器信道编译码模块等GNU Radio 中称种模块 blockGNU Radio 提供超 100 信号处理块扩展新处理模块非常容易
Python种新型脚语言具须编译语法简单完全面象特点编写连接 block 成完整信号处理流程脚GNU Radio 中称flow graph 流图相强语言新 libraries 功常加进某种程度GNU Radio 实时效信号处理库扩展 Python结合库拥量功说结合 GNU Radio SCIPY(Python 科学计算库)实时记录 RF 信号离线做量数学操作保存统计数字数库中等等结合库 MATLAT 样软件实现
编程者通建立流图（flow graph）图 31 示搭建线电系统形象说flow graph 块电路板 flow graph 基础 blocks 电路板电路模块需做模块连接起
图示信号数流停信号处理模块输入端口流入相应信号处理模块输出端口流出信号处理块 (blocks)属性包括输入输出端口数流端口数类型常数流类型短整型(short)浮点型(float)复数（complex）类型处理模块仅仅输入端口者输出端口分成信号源(data source)信号接收器(data sink)信号源文件者 ADC 读入数信号接收器数写入文件者 DACPC 媒体接口
信号处理模块仅处理输入输出采样速率整数倍关系步模块处理异步模块步模块通常继承 gr_sync_block(输入输出 11 采样)者gr_sync_interpolator (1N)者 gr_sync_decimator (N1)异步模块通常直接继承 gr模块模块已实现Python 通模块输入输出连接起形成信号流图 main class 连接起样运行
户 block graph 构造应程序面 GNU Radio 运行支持环境包括缓存理线程调度硬件驱动GNU Radio 中巧妙设计套零拷贝循环缓存机制保证数 block 间高效流动运行着 GNU Radio 实例中GNU Radio 通特线程调度控制模块模块间数流采样速率外需 forecast()辅助编程者告诉线程调度模块需少种输入采样速率产生需数量输出采样速率
实际信号处理函数 general_work()者 respwork()中实现函数线程调度调赋予干输入采样速率然进行信号处理返回输入采样处理量输出采样产生量
GNURadio 处理数缓存信号处理模块通常输入速率处理时候 CPU 处理速率者素数处理速度够快需缓存（buffer）缓求编程者注意：数传送速率处理速度时缓存会溢出导致数丢失数传送速率处理速度时缓存常空会产生脉
GNURadio 支持 Linux 种发行版外移植 Mac OS X NetBSD Windows 等操作系统
33 USRP 介绍
331 认知线电硬件台求
第二章 Simon Haykin 教授认知线电理解中认知线电系统硬件方面求：
（1）频带信道进行监测
认知线系统收发器够工作频段提供宽带频谱感知力收发器前端够调谐频谱范围意频带必须选宽带天线时根电波传播条件设计天线具定极化方图分集控制力认知线电工作频段 AD 转换器求较高求射频前端 AD 转换器具宽带高频高精度高采样率高分辨率动态范围特性
（2）具定工智
认知线电先环境进行感知进行学达决策程通量算法实现硬件台应该具运行实现算法载体说 DSPFPGA等算法进行调度控制
（3）容易升级扩展
认知线电求需种频段进行支持频段调制方式数传输数率传输协议等求该硬件台根实际情况进行重新配置外目前认知线电种算法成熟处研究阶段便系统升级求硬件台重新配置具备良扩展力提供更类接口等
332 USRP 硬件结构分析
Matt Ettus发明硬件系统USRP 射频前端GNU Radio重硬件伙伴 非常灵活 USB 设备 PC 连接 RF 世界 GNU Radio 软件相USRP 完全开放电路设计文档 FPGA 代码均 Ettus Research站载具低成高效率等特点 GNU Radio 者佳选择基GNU Radio USRP 组合户构建种具想象力软件线电应
简易说USRP 集成电路板块板四块子板构成USRP包含母板前端子板母板包含 4 12bit 64M 抽样率 ADC4 14bit128M DAC百万门 FPGA 芯片 Altera Cyclone EP1C12 FPGA10 编程 USB20 控制器母板完成信号模拟数字转换基带信号生成 PC 通信功处理数字基带中频信号 USRP 母板支持 4 子板2 接收2 发射RF前端实现子板子板处理频率带宽现覆盖 DC 59GHz 频段信号子板中频完成初步滤波信号混叠
板面包含 ADDA 转换器 FPGA完成中频采样中频信号基带信号间互相转换子板负责处理频带射频信号进行射频中频信号间转换硬件部分相关特性极重会作影响线电设计软件编程时必须严格硬件约束条件求进行操作
面分介绍 USRP 部件相关功：
（1）ADDA 转换器
USRP采两块 Analog Device AD9862 芯片美国模拟器件公司设计适合线宽带通信应高性混合信号前端块提供两路 12bit64M Samples AD 变换两路 14bit128M Samples DA 变换块板提供 4 路模拟数字信号转换器（ADC） 4 路数字模拟信号转换器（DAC）收发两路复采样理讲果实时采样话四输入输出通道然果复数（IQ）采样会更灵活性需进行配两组复数输入两组复数输出
AD9862接收路径包括基带低中频（IF）接收种数正交（I&Q）数两高性 ADC输入缓器接收端编程增益放器（RxPGA）抽取滤波器AD9862 包含编程延迟锁定环路（DLL）时钟倍频器集成定时电路（允许单基准时钟）辅助 ADC DAC（接收信号强度指示进行监视控制）温度传感器增益失调调整电路
AD9862发送路径允许接受种数格式包括两高性 DAC发送端编程增益放器（TxPGA）2 倍 4 倍插滤波器希尔伯特（Hilbert）数字滤波器复合真实信号变频数字混频器特点系统结构质减少重构抗混叠滤波求
注意 RX 板 TX 板 PGA 编程说通 GNU Radio调 USRP 相关函数定义
（2）FPGA
明白 FPGA 作 GNU Radio 者说重USRP 采块型号EP1C12 PQ240 FPGA等效门数 65 万门高性行计算机样完成需设计务设计 FPGA 需技果慎会烧坏硬件电路板里 USRP 设计者提供标准适应性广 FPGA 配置者应程中需做改动
ADC DAC 连接 FPGA 块 FPGA 扮演角进行高带宽数学处理降低数速率便数通 USB 传 PC 处理接收通道FPGA ADC 采进数字信号进行数字变频 DDC通层叠梳状滤波器 CIC 数进行变速率抽取发送通道原理相反进行数字变频 DUC AD9862 里进行FPGA 数进行梳状插
FPGA 行处理数 USRP 实现全双工数处理种模式接收发送两路完全互相独立唯需注意收发复合速率超32MBytes
FPGA两功： ADC 采中频信号进行数字变频 （DDC） 变换基带通层叠梳状滤波器 CIC 采样值进行变速率抽取符合户信号带宽求FPGA 包含四 DDC DDC I Q 两输入口ADC 输出会连接四 DDC 中 I 者 Q 端口中 MUX 决定图示MUX 路者电路交换器决定 ADC 输出连 DDC输入端 USRP 中部函数进行控制
DDC实现两作：首先中频信号变频基带信号次信号抽取信号速率 USB20 采 PC 运算力匹配结构图见图 35：
抽取器认低通滤波器面紧接采样器假设抽取倍数 N果数字频谱低通滤波器选出[πNπN]频带然采样器频谱扩展[ππ]扩展频谱成分原频谱成分[πNπN]应者说前者准确表示者[πNπN]频率分量时扩展频谱进行处理等原信号频谱处理前者数流率者 N 分降低信号处理（解调分析等）速度求
抽取数 16 位符号整数 IQ 信号形式通 USB20 接口结果形成通 USB20 8M Samples 复数采样速率（参见文关 USB20 说明）
数字变频产生 IQ 信号通 USB 接口进入 PC接软件编程世界
发送路径情况相反需发送基带 IQ 信号 USRP 板数字变频器（DUC）会信号进行修正通插变频中频发送 DAC 进行模数转换工作交子板完成形成 RF 信号进行发送
(3)前端子板
母版四插槽总够两接收子板两发送子板者供两收发子板子板提供RF 接收接口者调谐器发送器允许实采样时子板两独立 RF 天线果复采样子板 RF 天线通常子板两 SMA 连接口供输入者输出子板 I2C EEPROM 便储存子板标识信息校准信息：直流偏置值 IQ 误差子板插母板时够系统正确识
子板种类型分覆盖射频范围具收发功目前面种子板：
BasicTXBasic RX：两种子卡没中频 IF 射频 RF 间频谱变换仅仅提供板中频信号天线间接口 ADC DAC 进行带通采样然支持 2MHz～200MHz 载频
TVRX：覆盖 500MHz～800MHz 广播电视频段接收子卡
DBSRX：覆盖 800MHz～24G 接受子卡
RFX400RFX900RFX1200RFX1800RFX2400：子卡均支持双工分覆盖400～500MHz800～1000 MHz1150～1450 MHz15～21 GHz23～29GHz频段通性较实验台般 RFX400RFX2400
图 38 RFX400 子板子板两接口连接输入输出信号
(4)USB20
USRP采 USB20 接口 PC 连接高达 32M Bytes 数传输速率果AD DA 分采 12Bit 14Bit 采样精度实采样点占 2Bytes复采样点占 4Bytes果路复数采进行单收单发高达 32M48M复采样秒高发送接收 8MHz 带宽信号果 8bit 采样高收发16MHz 带宽信号ADC DAC 始终分 64M 128M 速率进行采样户实际获采样速率通设置抽值率插值率
USB支持三种传输方式：命令bulk 读写步传输里命令包配置USRP装入固件 FPGA bitstream bulk 读写者步传输传送 FPGA PC间数
图 39 知数接收程例射频 RF 端模拟基带信号数字系带信号 PC 传输整流程转换程见 GNU Radio USRP 处理线信号具极强重构力
34 GNU Radio USRP 应举例
年发展研究者爱者已发展种应面典型应做简单介绍
（1）意利 PISA 学研究 DVBT 实时接收播放播放系统单核奔腾 30G CPU 处 理 模 块 快 集 成 GNU Radio 中 详 细 信 息 见
httpwwwmailarchivecomdiscussgnuradio@gnuorgmsg11639html
（2）弗吉尼亚理工学 CWT 研究 GNU Radio USRP 实现 SmartRadio认知线电项目项目灾迅速发现周围线电通信信号通信 获 SDR Forum Smart Radio Challenge 2007 金 奖 详 细 信 息 见
httpwwwcognitiveradiowirelessvtedudokuwikidokuphpidhome
（3）德克萨斯学 WNCG 研究利 GNU Radio USRP 实现 MIMO 跳网络测试详细见httphydraeceutexasedutestbed
（4）常应：MIMOGPS 接收机线电天文学总想线电项目GNU Radio USRP 实现
35 基 GNU Radio USRP 认知线电台简介
文基 GNU Radio USRP 认知线电台实现功：频谱检测传输频率选择软件线电台重构线传输
第步——频谱检测选择检测授权户否段频率段频率空闲认知线电非授权户频谱检测信息认知线电户分享合作认知种方法中合作认知分具中心节点（中心节点收集频谱信息做决策）非中心节点式（普通节点决策）认知线电网络终决策出通信频段通信方式
第二步认知线电台根决策某种调制方式传输功率重构某空闲频率重构程应快
步传输数单物理层重构MAC 层层级需作出相应策略保证传输速率质量
36 章结
章介绍GNU Radio USRP软件硬件技术进行详细描述提出基该台设计认知线电台基框架
第四章 基 GNU Radio USRP 频谱检测方法
41 频谱检测方法介绍
411 认知线电频谱感知原理
目前认知线电领域检测某频段否信号存信号存方法种检测类型划分分信号存性检测信号覆盖范围检测两类检测节点数划分分单节点检测节点联合检测检测方法划分分匹配滤波量检测周期特性检测三类[23]总结纳种方法图示：
信号存检测指某特定频段信号进行观测做出该频段否信号存判断种探测原理基模型面公式表示：
中x(t)认知线电接收信号s(t)第户传输信号n(t)加性白高斯噪声h 信道增益Ho 未占假设表明目前确定频段没第户H1 种假设表明目前存第户
面单节点检测种方法进行介绍分析：
（1）匹配滤波器探测
认知线电获悉第户信号静态高斯噪声理想探测器匹配滤波器原接收信号信噪（SNR）化匹配滤波器优点需短时间获高处理增益然必须效第户信号进行解调意味着需第户先验知识解调方式阶数数包格式等
述信息预存认知线电存中然解调讲认知线电必须通时间载频步甚信道步获第户相关性果信息准确匹配滤波器性会变差匹配滤波器探测明显缺点认知线电类型第户专门接收器
（2）量探测
果接收机够收集第户信号足够信息时佳探测器量探测器测量接收信号量需带宽 W 带通滤波器输出信号进行方运算观测时间段 T 进行积分积分器输出 Y 门限值进行较判定合法户否出现检测程示意图示：
量探测器门限容易受噪声功率变化影响解决问题已文献提出通第户发射机导频音（Pilot Tone）提高认知线电量探测器准确性外够适应性设定门限值带干扰出现会扰乱量探测器量探测器外缺点探测信号出现够区分信号类型区分已调制信号 噪声干扰量探测器容易明信号误导产生误判决
（3）静态循环特征探测
调制信号般载波脉序列重复性扩展跳频循环前缀等耦合处理已调信号具周期性然数静态机调制信号均值相关函数具周期性称具循环性通分析频谱相关函数探测出特征频谱相关函数优点够噪声量已调信号量区分开噪声宽带静态没相关性信号已调信号具频谱相关性周期性静态循环特征探测器具更强抵抗噪声功率中确定性力够量探测器更分辨出噪声信号量探测器更加复杂需更长观测时间
412 感知务
综合较述三种检测方法优缺点面：
认知线电实验台中选择量检测方式做频谱感知匹配滤波需授权户信号模型针某种信号进行检测量检测方法意信号适匹配滤波需重构某种调制解调方式解码成型需花费量计算时间周期特性检测复杂度太高时间较长作初步实验需复杂检测技术
次实验采量检测方法感知务：
选取子板接收频率范围意频段进行量检测针RFX400 子板接收范围 400M500MHz 400M500M 选定意范围进行检测检测频段情况控制时间记录文件中通图形显示出
42 量检测 FFT 方法
FFT离散傅立叶变换快速算法信号变换频域信号时域难出什特征果变换频域容易出特征信号分析采 FFT 变换原外FFT 信号频谱提取出频谱分析方面常信号频域变换进行模值运算出某频率值幅度特性
模拟信号 ADC 采样变成数字信号采样数字信号做 FFT 变换N 采样点 FFT N 点 FFT 结果方便进行 FFT 运算通常 N 取 2 整数次方假设采样频率 Fs信号频率 F采样点数 N FFT 结果 N 点复数点应着频率点点模值该频率值幅度特性具体原始信号幅度什关系呢？假设原始信号峰值 A FFT 结果点（第点直流分量外）模值 A N2 倍第点直流分量模值直流分量 N 倍点相位该频率信号相位第点表示直流分量（ 0Hz）点 N 点（实际点存里假设第 N+1 点做第点分做两半分半移）表示采样频率 Fs中间N1 点均分成 N 等份点频率次增加例某点 n 表示频率：Fn(n1)*FsN面公式出Fn 分辨频率 FsN果采样频率Fs 1024Hz采样点数 1024 点分辨 1Hz1024Hz 采样率采样 1024 点刚 1 秒说采样 1 秒时间信号做 FFT结果分析 1Hz果采样 2 秒时间信号做 FFT结果分析 05Hz果提高频率分辨力必须增加采样点数采样时间频率分辨率采样时间倒数关系
假设 FFT 某点 n 复数 a+bi 表示复数模
相位 Pnatan2(ba)根结果计算出 n 点（n≠1 n
知：假设采样频率 Fs采样点数 N做FFT 某点 n（n 1 开始）表示频率：Fn(n1)*FsN该点模值 N2 应该频率信号幅度（直流信号 N）该点相位应该频率信号相位相位计算函数 atan2(ba)计算atan2(ba)求坐标(ab)点角度值范围pi pi精确 xHz需采样长度 1x 秒信号做 FFT提高频率分辨率需增加采样点数实际应中现实需较短时间完成分析解决问题方法频率细分法较简单方法采样较短时间信号然面补充定数量 0长度达需点数做 FFT定程度够提高频率分辨力
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