一種場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于GNU Radio和USRP的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量 系統(tǒng)及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在通信信號(hào)傳輸?shù)倪^程中，無線信道特性的測(cè)量是非常具有意義的。對(duì)比國(guó)際主 流及國(guó)內(nèi)的信道測(cè)量?jī)x與建?，F(xiàn)狀，目前商用的無線信道測(cè)量?jī)x不但價(jià)格高昂，而且其所 提供的高速測(cè)量能力有限，與軟件無線電平臺(tái)相比，無論在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度、信道的采樣速度 還是在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量方面都沒有優(yōu)勢(shì)。通過與國(guó)際上主流的無線信道測(cè)量?jī)x進(jìn)行對(duì)比，本 測(cè)量?jī)x器在價(jià)格成本以及連續(xù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面優(yōu)勢(shì)明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供了一種基于GNU Radio和USRP的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)，本發(fā)明可以對(duì)室內(nèi)無 線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量室內(nèi)無線信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)分布和信道特性，詳見下文描述：
[0004] 一種場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)，所述場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)基于GNU Radio和USRP，所述場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量系 統(tǒng)包括：發(fā)送裝置和接收裝置，
[0005] 所述發(fā)送裝置包括：第一 PC機(jī)、第一 USRP ;
[0006] 所述第一 PC機(jī)為基帶信號(hào)的產(chǎn)生器，將基帶信號(hào)傳輸至所述第一 USRP ;
[0007] 所述第一 USRP完成基帶信號(hào)的數(shù)字上變頻處理，將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，傳 輸至射頻前端，在所述射頻前端經(jīng)過處理后，獲取處理后模擬信號(hào)；
[0008]所述接收裝置包括：第二PC機(jī)、第二USRP，
[0009] 所述第二USRP的子板將處理后模擬信號(hào)搬移到中頻，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)傳入所述 第二USRP的FPGA中，在所述FPGA中進(jìn)行數(shù)字下變頻和多級(jí)抽取濾波；
[0010] 所述第二PC機(jī)將處理后數(shù)字信號(hào)分割為塊，將每部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的FFT變 換，在頻域內(nèi)濾除帶外噪聲，將有用的帶內(nèi)信號(hào)進(jìn)行能量的累積，求取場(chǎng)強(qiáng)的大小。
[0011] 其中，所述發(fā)送裝置還包括：
[0012] 第一 USB，用于將所述第一 PC機(jī)產(chǎn)生的基帶信號(hào)傳輸至所述第一 USRP中。
[0013]其中，所述接收裝置還包括：第二USB，
[0014] 所述第二USRP的FPGA，用于將數(shù)據(jù)速率降至所述第二USB的處理范圍之內(nèi)；
[0015] 所述第二USB將處理后數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)剿龅诙C機(jī)。
[0016] 一種場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，所述場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量方法包括以下步驟：
[0017] 對(duì)FFT變換后數(shù)據(jù)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算；
[0018] 對(duì)計(jì)算出的場(chǎng)強(qiáng)采用滑動(dòng)平滑進(jìn)行濾波處理，從陰影衰落中分離出快衰落和慢衰 落；
[0019] 將幅度與環(huán)路增益相乘后，與參考電平相減，根據(jù)得到的差值調(diào)節(jié)環(huán)路增益的大 ??；
[0020] 輸出輸入復(fù)信號(hào)與環(huán)路增益的乘積。
[0021] 其中，所述對(duì)FFT變換后數(shù)據(jù)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算具體為：
[0022] 從功率頻譜中選取功率最大頻點(diǎn)，若功率最大頻點(diǎn)在發(fā)送頻率范圍內(nèi)，則記錄功 率最大頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率值；
[0023] 尋找小于功率值3dB的所有頻點(diǎn)，所有頻點(diǎn)的范圍即為所發(fā)送的頻率帶寬；
[0024] 將所有頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率累加，求取此時(shí)的功率值，即為此時(shí)刻所有頻點(diǎn)的功率值， 經(jīng)過校驗(yàn)值的處理即為場(chǎng)強(qiáng)的大小。
[0025] 其中，所述將幅度與環(huán)路增益相乘后，與參考電平相減，根據(jù)得到的差值調(diào)節(jié)環(huán)路 增益的大小的步驟具體為：
[0026] 當(dāng)差值 Diff 大于環(huán)路增益 G 時(shí)，G = G_DifT*attack_rate ;
[0027] 當(dāng)差值 Diff 小于環(huán)路增益 G 時(shí)，G = G+Diff*attack_rate ;
[0028] 其中，attack_rate為補(bǔ)償率，可以自己設(shè)定初始值，一般設(shè)置為1。
[0029] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：本發(fā)明可以比較精確地測(cè)量無線信號(hào)的場(chǎng) 強(qiáng)大小，它具有測(cè)量精度高、操作方便、可復(fù)制性高、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，其次創(chuàng)新性地在接收 端應(yīng)用自動(dòng)增益控制提升了可以測(cè)量的距離范圍和提高了測(cè)量精度。對(duì)于研究室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分 布和信道特性具有重要意義。
【附圖說明】
[0030] 圖1為一種基于GNURadio和USRP的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0031] 圖2為無線信號(hào)發(fā)送裝置結(jié)構(gòu)框圖；
[0032] 圖3為無線信號(hào)接收裝置結(jié)構(gòu)框圖；
[0033] 圖4為接收信號(hào)的處理流程圖；
[0034] 圖5為自動(dòng)增益控制流程圖；
[0035] 圖6為室內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)距離的關(guān)系圖。
[0036] 附圖中，各部件的列表如下：
[0037] 1 :發(fā)送裝置； 2 :接收裝置；
[0038] 11 :第一 PC機(jī)； 12 :第一USRP;
[0039] 13 :第一 USB; 14 :第一天線；
[0040] 21 :第二 PC機(jī)； 22 :第二USRP;
[0041] 23 :第二 USB; 24 :第二天線。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步 地詳細(xì)描述。
[0043] 開源軟件無線電（GNURadio)是EricBlossom(埃里克布洛瑟姆）發(fā)起組建的一 個(gè)免費(fèi)開源的軟件包。該軟件包可以組建部署自己的無線電平臺(tái)，提供信號(hào)運(yùn)行和處理的 軟件模塊，最小程度的結(jié)合硬件，用編寫的軟件來替代高性能的無線電設(shè)備中的硬件設(shè)施。 GNURadio是基于Python腳本語言和C++的混合編程，其中Python語言主要做上層的模塊 連接，信號(hào)處理模塊采用C++浮點(diǎn)擴(kuò)展庫來實(shí)現(xiàn)的，C++具有較高的執(zhí)行效率被用來編寫各 種信號(hào)處理模塊，比如：濾波器，調(diào)制/解調(diào)，信道的編碼和譯碼等。
[0044] USRP(Universal Software Radio Peripheral，通用軟件無線電外設(shè)）是一套通 用軟件無線電射頻前端，是GNU Radio運(yùn)行的重要硬件平臺(tái)。USRP實(shí)際上就是一塊集成的 電路板，主要由USRP母板和子板組成，每個(gè)母板上最多可以容納4個(gè)子板。USRP母板主要 由AD9862芯片、FPGA以及一些輸入輸出通道（I/O channel)組成。子板提供射頻（RF)前 端，如果進(jìn)行實(shí)采樣時(shí)，每個(gè)子板可以使用兩個(gè)獨(dú)立的RF和天線，如果進(jìn)行復(fù)采樣時(shí)，則只 能夠使用一個(gè)RF和天線，也就是只能夠進(jìn)行一路的電波發(fā)送或接收。每個(gè)子板上都有一 個(gè)I2C總線的EEPR0M來存儲(chǔ)子板的一些標(biāo)示信息和一些校準(zhǔn)信息，當(dāng)子板連接到母板上之 后，這些就會(huì)被系統(tǒng)所辨識(shí)。
[0045] 一種基于GNU Radio和USRP的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)，參見圖1、圖2、圖3,包括：發(fā)送裝 置1和接收裝置2。
[0046] 其中，發(fā)送裝置1包括：第一 PC機(jī)11、第一 USRP12、第一 USB 13和第一天線14,第 一 PC機(jī)11為基帶信號(hào)的產(chǎn)生器，將所產(chǎn)生的基帶信號(hào)通過第一 USB 13傳輸?shù)降谝?USRP12 中。在第一 USRP12中完成基帶信號(hào)的數(shù)字上變頻（即CIC(cascade imtegrator comb，積 分梳狀濾波器）內(nèi)插濾波、數(shù)字的混頻）處理，將基帶信號(hào)的中心頻率搬移到中頻；通過數(shù) 模轉(zhuǎn)換器（DA)將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，傳輸送至射頻前端，在射頻前端經(jīng)過模擬的混 頻、濾波和功率放大獲取處理后模擬信號(hào)，并經(jīng)第一天線14發(fā)送出去。
[0047] 其中，接收裝置2包括：第二PC機(jī)21、第二USRP22、第二USB 23和第二天線24， 第二USRP22的子板會(huì)將處理后模擬信號(hào)搬移到中頻，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD)轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字 信號(hào)傳入第二USRP22的FPGA中，在FPGA中進(jìn)行數(shù)字下變頻和多級(jí)抽取濾波，將數(shù)據(jù)速率 降至第二USB 23的處理范圍之內(nèi)，第二USB 23將處理后數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)降诙C機(jī)21。
[0048] 進(jìn)入第二PC機(jī)21之后會(huì)將處理后數(shù)字信號(hào)分割為塊，將每部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng) 的FFT變換，將處理后數(shù)字信號(hào)信號(hào)變換到頻域范圍之內(nèi)，在頻域內(nèi)將濾除帶外噪聲，將有 用的帶內(nèi)信號(hào)進(jìn)行能量的累積求取場(chǎng)強(qiáng)的大小。
[0049] 同時(shí)為了能夠方便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析，會(huì)將所求的場(chǎng)強(qiáng)大小按照時(shí)間的順 序存入數(shù)據(jù)庫之中。為了能夠降低噪聲對(duì)信號(hào)的影響，本系統(tǒng)加入了 AGC(Automatic Gain Control，自動(dòng)增益控制）。在測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度低于設(shè)定值的時(shí)候接收端會(huì)自動(dòng)增加天線的增 益，使得信號(hào)的強(qiáng)度能夠很好的從噪聲中分離，對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而擴(kuò)大測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度的 范圍。
[0050] 由于軟件無線電的靈活性，在發(fā)送裝置1采用兩種信號(hào)源，一種為單一頻率的正 弦波的窄帶信號(hào)，另一種為高斯濾波最小頻移鍵控調(diào)制的寬帶信號(hào)。
[0051] 其中，第一 PC機(jī)11為基帶信號(hào)的產(chǎn)生器，將基帶信號(hào)經(jīng)過高斯濾波器之后，再 進(jìn)行 MSK(Minimum Shift Keying，最小頻移鍵控），從而形成 GSMK(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，高斯濾波最小頻移鍵控）。由于它具有良好的頻譜和功特性，因此 在功率測(cè)量中選擇它作為發(fā)射源的調(diào)制方式。其調(diào)制方式的原理分為以下兩個(gè)步驟：
[0052] 高斯濾波原始數(shù)據(jù)ai經(jīng)過高斯濾波器之后的響應(yīng)可由式（1)來表示：
[0053] g(t) = h(t)*a x (1)
[0054] 其中，g(t)為高斯濾波響應(yīng)，*為卷積，h(t)為高斯濾波器的沖擊響應(yīng)，具體表達(dá) 公式⑵：
[0055]
(2)
[0056] 其中，d ,符號(hào)周期 T 為 3. 69 y s，BT = 0? 3。
[0057] GMSK調(diào)制信號(hào)的相位表示為公式（3):
[0058]
C3)
[0059] 其中，_)為相位；a i為第i個(gè)調(diào)制數(shù)據(jù)源，i為下標(biāo)號(hào)；g(u)為原始信號(hào)經(jīng)過高 斯濾波后的信號(hào)；U為時(shí)間；T = -iT ;g( T -iT)