应用笔记

用USRP设备实现低成本宽带RF记录和频谱分析

Ettus Research

简介

USRP™ 是一个灵活地低成本软件定义无线电，用于光谱监测和射频录音。很多USRP 用户在Linux环境中操作使用这些应用程序，一般是在GNU 无线电软件框架内。但是，USRP设备由很多预编译和开箱即用的软件解决方案。不要求进行多余的开发。这些方案对于那些想要通过使用新工具而不投资开发时间，实现某些功能的访问的用户是很有吸引力的。USRP 的灵活以及广泛接收可以通过UHD得到实现。

HDSDR 是现有Windows 应用程序支持USRP 产品线的一个例子。由Alberto di Bene开发，HDSDR 是一个免费可下载程序，带有一个FFT和一个瀑布显示图。有助于USRP无线电带宽功能之内的观察感兴趣的信号。HDSDR 提供以下功能：

1)快速、可配置FFT和瀑布图显示

2）可调节过滤、选择切口过滤RFI缓解

3)AM, ECSS, FM, LSB, USB, CW,和 DRM调节

4)AGC and AFC

5)宽带记录

6）用直观用户控件装置和控制射频前端

本文解释了HDSDR 的安装程序，并介绍了应用程序中可用的一些特性。

UHD和HDSDR 端口

这个软件包的全部功能有三部分组成。直接与USRP 设备进行交互的软件组件是UHD。UHD 允许用户在Windows, Linux,或者 MacOS.上装配软件无线电。不同的软件架构，例如GNURadio, LabVIEW, MATLAB, 和Simulink使用UHD 驱动器访问USRP设备。如果你想快速开发定制应用程序，这些是理想的架构。UHD 在没有没有明确的抽象到您的应用程序支持所有的USRP设备。

如果你想快速开发自定义应用程序,这些是理想的框架。UHD支持所有没有明确的抽象到您的应用程序的USRP 设备。因此，一旦您使用UHD开发一应用程序，支持所有的USRP模型和子板。

此系统中的第二个组件是由HDSDR 软件提供的ExtIO DLL 特性。从本质上讲,这是一个抽象层，将HDSDR的常用功能映射到UHD的API 功能上。这允许HDSDR被用于各种前端上。Balint Seeber(spench.net)开发了动态——链接库DLL，通过这个Ext IO DLL 端口对UHD 进行访问。

该接口还提供将相同的I/Q 样本传入外部程序的功能，如GNU 软件无线电流程图。

图1——用HDSDR、UHD和一个USRP设备进行频谱显示和射频记录

安装程序

这次，该软件只能在Windows环境中运行，在装有Windows7系统的PC 上进行测试。在 Linux环境中，用模拟机器也可以完成相同的功能，但是这个未经过测试。

为了安装这个软件，主要有三步：

1.安装UHD

2.安装 HDSDR

3.为USRP设备安装包含BorIP/ExtIO 的功能包

安装 UHD

目前，软件已经用UHD 3.3.0和3.4.0版本进行测试了。理想的状况是，HDSDR 支持UHD所有未来版本。但是，如果出现任何问题，您可以转换到这两个版本。windows的二进制安装程序可在此页面的“二进制下载”部分找到：

http://code.ettus.com/redmine/ettus/projects/uhd/wiki#Binary-downloads

每个UHD 发布包括几个操作系统的二进制安装器上。选择二进制安装器标记为：UHD-[uhd_version]-win32.exe

完成安装之后，将USRP 设备连接到主机PC上并测试功能。通过简单的几步就可以完成。打开一个命令提示并且写下以下指令：

uhd_find_devices

应该对USRP 设备进行定位，将不同的参数输出到设备上，例如名字（默认为空）和IP地址。如果这是一个新的安装，遇到任何问题，请参考网络：

http://files.ettus.com/uhd_docs/manual/html/

完成这一步以后，更深入的测试：

uhd_usrp_probe

如果您有多个USRP设备连接到主机上，您需要指定一个地址：

使用uhd_usrp_probe指令“帮助”参数获取更多信息

这个步骤可能揭示了USRP 的FPGA 图像，需要作出改变以和驱动器相匹配。再次重申：关于如何完成的更多信息请参考uhd_docs手册。

如您已经执行了uhd_usrp_probe，在设备和任意集成子板上接收一个完整的报告，UHD 和 USRP 端口功能正常。

安装 HDSDR

安装HDSDR 是一个很直接的过程。本应用笔记的测试通过2.11版本完成。该软件的最新版本可在HDSDR网址上找到：

http://www.hdsdr.de/download/HDSDR_install.exe

Ettus Research 鼓励您使用最新版本的软件，因为新软件将提供给您新的特性并且有一个更好地体验。如果软件升级后仍有什么问题，您可以

http://files.ettus.com/app_notes/hdsdr/HDSDR_install.exe

执行这个Windows安装程序会启动安装程序。该向导将浏览几个典型的windows安装程序步骤，:安装目录选择,快捷方式的选择等。

安装由Balint Seebger开发的ExtIO端口

Windows 安装程序也可用于ExtIO DLL，进行USRP 集成。本文档可以从这里下载：

http://spench.net/drupal/files/ExtIO_USRP+FCD+BorIP_Setup.zip

再次重申，如果链接坏了或新版本有问题,你可以恢复到本应用笔记中用到的1.1版本。备份文件在这里：

http://files.ettus.com/app_notes/hdsdr/ExtIO_USRP+FCD+BorIP_

Setup.zip

到达“选择安装内容”界面，你必须使LibUSB,vc++运行时，并且选择ExtIO USRP + FCD + BorIP。此软件不要求使用BorIP 。因此，你不需要选择“Autorun BorIP”。已经安装HDSDR 。

安装过程中的其他步骤也相当直接，如果您在此步骤中遇到问题，请参考这个网址：

http://wiki.spench.net/wiki/USRP_Interfaces

运行程序

安装完成之后，重新启动电脑。确保将USRP 设备插头插入电脑然后打开电源。启动HDSDR应用程序。一开始，HDSDR应该认识到存在USRP ExtIO DLL，打开这个窗口:

图2——ExtIO配置屏幕

该窗口用于配置USRP装置操作。

远程函数允许HDSDR通过BorIP 服务器在远程机器上访问USRP 设备。设备提示包括各种参数如地址、帧样本大小等。在大多数情况下，如果您只有一个USRP 设备连接到主机上，那么您可以将此区域空着。关于此设备的其他提示细节，请参考这个网站：

http://wiki.spench.net/wiki/ExtIO_USRP

采样率设置复杂的基带采样率从USRP设备传输到主机。这个采样率必须是USRP 设备 ADC采样率的整数倍。 USRP1的ADC采样率是64 MS / s，USRP N200/N210的是100 MS/s。USRP E100/110的默认采样率是64 MS/s, 但都是可配置的。最大采样率受USRP设备和主机之间的端口带宽限制。也可能受主机的处理能力限制。换言之，即使USRP N200/N210 的千兆级以太网端口可以支持25 MS/s，主机也不可能进行足够快的DSP 操作。

如果抵消复选框被选中时,UHD将抵消LO设置相应,赔偿DDC在FPGA中的偏移量。这样就可以将载波泄漏转移使之远离感兴趣的信号。增益设置控制子板的模拟增益然后配到配到USRP设备上。所有剩余的设置对于这个应用程序的例子已经不重要。

准确的设置完ExtIO组件，USRP 设备就应该准备操作了。点击“开始”键开始接收流。瀑布图和FFT 展示也应该开始。如果采样率低于10 MS/s,就可以完成第二个瀑布图、FFT和 解调器。

图3——HDSDR 显示屏上导航的项目

关于导航的重要点

这个软件的全套指令是超出了本文的范围。Ettus Research 建议您参考由HDSDR 开发商提供的指示。但也值得我们对一些有用的特性进行快速回顾：

1）点——和——单击调优——HDSDR 开发者已将频率导航变得很直观。

您可以点击沿着主瀑布图的频率轴的任意点或者FFT 点来优化接收机。左击可以将HDSDR解调器调解到一个特定的频率。右击将自动调整USRP接收链,包括LO和FPGA控制盘。这样，您在瀑布图上观察过后，就能够快速调整到一个感兴趣的信号上。

2）选择按键，为几个装置提供访问参数，从瀑布图的出现到通过DDE自动解调功能的装置再到I / Q操作。

3）解调控制 ——该控制通过鼠标或者主板提供解调功能。进入一个新的频率然后，点击控制键并开始编辑想要的频率。

4）记录控制——位于优化控制的下方，记录控制可以让您实现快速轻松记录。文件名字可自动生成。使用这些控制也可以播放到DSP链上。

5）瀑布图和FFT扩展——该控制就位于瀑布图的下方，并且FFT 可以让您对每个分区的单元、参考水平、分辨率带宽、速度和平均值进行调整。

关于记录

此软件包提供的记录功能是最有吸引力的特性之一。在很多应用程序中，如GPS 研究、信号情报和干扰抑制等，对于用户来说，射频记录是很重要的一项功能。此软件包显示USRP设备很容易使用这些应用程序。HDSDR可以让您实时鉴别出潜在的感兴趣的信号、实时记录然后在其他灵活的环境中（如GNU 无线电）公布处理数据。

该软件也支持射频回放。当前，该回放没有路由到USRP 设备上进行传输。但是，在瀑布图上展示记录信号的能力以及FFT 展示都可以让你检测不同信号的鲜明特征和模式。当全速运行瀑布图和FFT时,参考系统能够记录2 0 M S / S的吞吐量。这优于其他软件或开发环境的性能。系统中几个组件可能会限制记录特性的功能。在很多情况下，硬件驱动会限制记录的最大采样率。记住每一个复杂的示例是一组两个16位的数字。以2 0 0 MS / s的速率进行记录，转移到80 MB/s 到磁盘上。

一些有趣的屏幕截图

为了展示此系统的潜力，几个信号类型和带截屏显示如下。该软件展示了整个 FM广播波段和一部分高频带。也有802.11 n的信号和900 MHz的ISM波段的截屏，它显示了几个跳频扩频(FHSS)和直接扩频(DSS)收发器。

图4—— 915 MHz ISM带(N200, SBX)中FHSS 和DSSS 信号截屏

图5——802.11n回放(N200, SBX)

图6——捕获整个调频广播带-25 MS/s(N200, WBX)

图7——捕捉25兆赫的高频波段表现出强烈的短波广播,连续波、USB和其他信号(N200)LFRX、外部放大器)

关于参考系统

在不同的电脑上标注性能。处理性能影响最大速度和DSP操作的吞吐量。硬盘的速度将限制记录和回放速度。在有限的情况下,USB控制器或千兆以太网适配器也已经限制了吞吐量。表1显示了应用于此应用笔记的参考系统的主要参量。

表1——参考系统特点

突起

在光谱中显示的很多突起是USRP无线电外部的人造资源。还有USRP自身产生的突起。处理这些突起是低成本宽带软件音频的挑战之一。通过LO抵消UHD ExtIO控制中提供的功能可以重置基带信号中的突起。过滤射频信号将减少这种突起。

USRP 硬件便携性

USRP N200 用于此参考设计。但是也值得再次提起，低成本音频包括USRP B100, USRP1或者N210可以很容易替换N200。当然，用USB 2.0 主机端口选择一个USRP 设备会减少带宽性能。

由于软件包只支持Windows,USRP E100 和E110 不兼容。但是，Ettus Research调查使用很容易分享这个USRP E100/E110 嵌入式的UHD 功能穿越网络连接。

Linux 功能

虽然这个软件包不会在Linux环境中运行，仍有几个相似功能的其他途径。您可以在Linux系统中使用一个GNU 无线电运行类似程序。据说，也有可能会在虚拟机上运行此应用， 尽管性能一般在这样的应用中会造成伤害。Ettus Research 并没有测试虚拟机。

保证书

本应用笔记的目的是向您介绍UHD提供的灵活性。HDSDR是一个非常有用的例子,可以实现USRP软件定义无线电。但是，Ettus Research并没有用HDSDR或者USRP ExtIO 开发商并没有承认HDSDR 或者 USRP ExtIO 开发者之间的联系。Ettus Research并没有对这些产品作担保。Ettus Research 不会产生那些程序会产生的伤害。Ettus Research产品的USRP硬件保修信息可以在这个网上呈现：

www.ettus.com

结语

本应用笔记简要概述了如何安装和运行一个叫HDSDR的应用程序。这个应用程序提供了宽波段光谱分析,解调,记录/回放功能。

通过UHD驱动，这个软件可以访问并且安装用于宽带信号收集的USRP。如果您对USRP具体的项目有疑问请发送至：

support@ettus.com