一种场强测量系统及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及场强测量系统领域，尤其涉及一种基于GNU Radio和USRP的场强测量 系统及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 在通信信号传输的过程中，无线信道特性的测量是非常具有意义的。对比国际主 流及国内的信道测量仪与建模现状，目前商用的无线信道测量仪不但价格高昂，而且其所 提供的高速测量能力有限，与软件无线电平台相比，无论在数据存储速度、信道的采样速度 还是在数据存储容量方面都没有优势。通过与国际上主流的无线信道测量仪进行对比，本 测量仪器在价格成本以及连续数据存储方面优势明显。
【发明内容】
[0003] 本发明提供了一种基于GNU Radio和USRP的场强测量系统，本发明可以对室内无 线信号场强进行测量，测量室内无线信号的场强分布和信道特性，详见下文描述：
[0004] 一种场强测量系统，所述场强测量系统基于GNU Radio和USRP，所述场强测量系 统包括：发送装置和接收装置，
[0005] 所述发送装置包括：第一 PC机、第一 USRP ;
[0006] 所述第一 PC机为基带信号的产生器，将基带信号传输至所述第一 USRP ;
[0007] 所述第一 USRP完成基带信号的数字上变频处理，将中频信号转换为模拟信号，传 输至射频前端，在所述射频前端经过处理后，获取处理后模拟信号；
[0008]所述接收装置包括：第二PC机、第二USRP，
[0009] 所述第二USRP的子板将处理后模拟信号搬移到中频，转变为数字信号传入所述 第二USRP的FPGA中，在所述FPGA中进行数字下变频和多级抽取滤波；
[0010] 所述第二PC机将处理后数字信号分割为块，将每部分的数据进行相应的FFT变 换，在频域内滤除带外噪声，将有用的带内信号进行能量的累积，求取场强的大小。
[0011] 其中，所述发送装置还包括：
[0012] 第一 USB，用于将所述第一 PC机产生的基带信号传输至所述第一 USRP中。
[0013]其中，所述接收装置还包括：第二USB，
[0014] 所述第二USRP的FPGA，用于将数据速率降至所述第二USB的处理范围之内；
[0015] 所述第二USB将处理后数字信号传输到所述第二PC机。
[0016] 一种场强测量系统的测量方法，所述场强测量方法包括以下步骤：
[0017] 对FFT变换后数据进行场强计算；
[0018] 对计算出的场强采用滑动平滑进行滤波处理，从阴影衰落中分离出快衰落和慢衰 落；
[0019] 将幅度与环路增益相乘后，与参考电平相减，根据得到的差值调节环路增益的大 小；
[0020] 输出输入复信号与环路增益的乘积。
[0021] 其中，所述对FFT变换后数据进行场强计算具体为：
[0022] 从功率频谱中选取功率最大频点，若功率最大频点在发送频率范围内，则记录功 率最大频点对应的功率值；
[0023] 寻找小于功率值3dB的所有频点，所有频点的范围即为所发送的频率带宽；
[0024] 将所有频点对应的功率累加，求取此时的功率值，即为此时刻所有频点的功率值， 经过校验值的处理即为场强的大小。
[0025] 其中，所述将幅度与环路增益相乘后，与参考电平相减，根据得到的差值调节环路 增益的大小的步骤具体为：
[0026] 当差值 Diff 大于环路增益 G 时，G = G_DifT*attack_rate ;
[0027] 当差值 Diff 小于环路增益 G 时，G = G+Diff*attack_rate ;
[0028] 其中，attack_rate为补偿率，可以自己设定初始值，一般设置为1。
[0029] 本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明可以比较精确地测量无线信号的场 强大小，它具有测量精度高、操作方便、可复制性高、成本低廉的优点，其次创新性地在接收 端应用自动增益控制提升了可以测量的距离范围和提高了测量精度。对于研究室内场强分 布和信道特性具有重要意义。
【附图说明】
[0030] 图1为一种基于GNURadio和USRP的场强测量系统的结构原理图；
[0031] 图2为无线信号发送装置结构框图；
[0032] 图3为无线信号接收装置结构框图；
[0033] 图4为接收信号的处理流程图；
[0034] 图5为自动增益控制流程图；
[0035] 图6为室内信号强度和运动距离的关系图。
[0036] 附图中，各部件的列表如下：
[0037] 1 :发送装置； 2 :接收装置；
[0038] 11 :第一 PC机； 12 :第一USRP;
[0039] 13 :第一 USB; 14 :第一天线；
[0040] 21 :第二 PC机； 22 :第二USRP;
[0041] 23 :第二 USB; 24 :第二天线。
【具体实施方式】
[0042] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0043] 开源软件无线电（GNURadio)是EricBlossom(埃里克布洛瑟姆）发起组建的一 个免费开源的软件包。该软件包可以组建部署自己的无线电平台，提供信号运行和处理的 软件模块，最小程度的结合硬件，用编写的软件来替代高性能的无线电设备中的硬件设施。 GNURadio是基于Python脚本语言和C++的混合编程，其中Python语言主要做上层的模块 连接，信号处理模块采用C++浮点扩展库来实现的，C++具有较高的执行效率被用来编写各 种信号处理模块，比如：滤波器，调制/解调，信道的编码和译码等。
[0044] USRP(Universal Software Radio Peripheral，通用软件无线电外设）是一套通 用软件无线电射频前端，是GNU Radio运行的重要硬件平台。USRP实际上就是一块集成的 电路板，主要由USRP母板和子板组成，每个母板上最多可以容纳4个子板。USRP母板主要 由AD9862芯片、FPGA以及一些输入输出通道（I/O channel)组成。子板提供射频（RF)前 端，如果进行实采样时，每个子板可以使用两个独立的RF和天线，如果进行复采样时，则只 能够使用一个RF和天线，也就是只能够进行一路的电波发送或接收。每个子板上都有一 个I2C总线的EEPR0M来存储子板的一些标示信息和一些校准信息，当子板连接到母板上之 后，这些就会被系统所辨识。
[0045] 一种基于GNU Radio和USRP的场强测量系统，参见图1、图2、图3,包括：发送装 置1和接收装置2。
[0046] 其中，发送装置1包括：第一 PC机11、第一 USRP12、第一 USB 13和第一天线14,第 一 PC机11为基带信号的产生器，将所产生的基带信号通过第一 USB 13传输到第一 USRP12 中。在第一 USRP12中完成基带信号的数字上变频（即CIC(cascade imtegrator comb，积 分梳状滤波器）内插滤波、数字的混频）处理，将基带信号的中心频率搬移到中频；通过数 模转换器（DA)将中频信号转换为模拟信号，传输送至射频前端，在射频前端经过模拟的混 频、滤波和功率放大获取处理后模拟信号，并经第一天线14发送出去。
[0047] 其中，接收装置2包括：第二PC机21、第二USRP22、第二USB 23和第二天线24， 第二USRP22的子板会将处理后模拟信号搬移到中频，通过模数转换器（AD)转换变为数字 信号传入第二USRP22的FPGA中，在FPGA中进行数字下变频和多级抽取滤波，将数据速率 降至第二USB 23的处理范围之内，第二USB 23将处理后数字信号传输到第二PC机21。
[0048] 进入第二PC机21之后会将处理后数字信号分割为块，将每部分的数据进行相应 的FFT变换，将处理后数字信号信号变换到频域范围之内，在频域内将滤除带外噪声，将有 用的带内信号进行能量的累积求取场强的大小。
[0049] 同时为了能够方便后续对数据的处理和分析，会将所求的场强大小按照时间的顺 序存入数据库之中。为了能够降低噪声对信号的影响，本系统加入了 AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制）。在测量信号强度低于设定值的时候接收端会自动增加天线的增 益，使得信号的强度能够很好的从噪声中分离，对信号进行补偿，进而扩大测量信号强度的 范围。
[0050] 由于软件无线电的灵活性，在发送装置1采用两种信号源，一种为单一频率的正 弦波的窄带信号，另一种为高斯滤波最小频移键控调制的宽带信号。
[0051] 其中，第一 PC机11为基带信号的产生器，将基带信号经过高斯滤波器之后，再 进行 MSK(Minimum Shift Keying，最小频移键控），从而形成 GSMK(Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，高斯滤波最小频移键控）。由于它具有良好的频谱和功特性，因此 在功率测量中选择它作为发射源的调制方式。其调制方式的原理分为以下两个步骤：
[0052] 高斯滤波原始数据ai经过高斯滤波器之后的响应可由式（1)来表示：
[0053] g(t) = h(t)*a x (1)
[0054] 其中，g(t)为高斯滤波响应，*为卷积，h(t)为高斯滤波器的冲击响应，具体表达 公式⑵：
[0055]
(2)
[0056] 其中，d ,符号周期 T 为 3. 69 y s，BT = 0? 3。
[0057] GMSK调制信号的相位表示为公式（3):
[0058]
C3)
[0059] 其中，_)为相位；a i为第i个调制数据源，i为下标号；g(u)为原始信号经过高 斯滤波后的信号；U为时间；T = -iT ;g( T -iT)