基于GNURadio的频谱分析仪设计
金伟正， 赵小月， 肖 云， 林漫晖
【摘 要】设计了一种基于软件无线电(SDR)平台GNURadio便携式频谱分析仪，给出了完整的设计方案。频谱分析仪由天线、收发转换开关、射频前端、中频接收、ADC、混频器、抽取滤波、DSP、移动客户端显示、云端存储组成，采用HackRF One作为信号处理模块的射频中频硬件平台。该分析仪具有频率分辨率可调、频带宽、便携性好、灵活性强等特点，可广泛用于实验教学。 【期刊名称】实验室研究与探索 【年(卷),期】2024(038)001 【总页数】5
【关键词】频谱分析仪；软件无线电；频率分辨率
基金项目：武汉大学2024年国家级大学生创新创业训练计划(202410486134)
0 引 言
目前，频谱分析仪主要分为超外差式扫描调谐分析仪和傅里叶分析仪两大类[1]。傅里叶分析仪难以对高频信号进行分析；超外差式扫描调谐分析仪对硬件要求很高，且这两类频谱分析仪难以同时满足高频率分辨率和宽频带的要求。将模数转换器和数模转换器尽量靠近天线，直接使射频模拟信号转换为适合在数字信号处理器和计算机中处理的数据信息，在计算机中编写软件模块来实现信号的复杂处理过程，最后使这样的无线电系统具有良好的灵活性和扩展性，这就是软件无线电技术的设计思想[2]。随着信息技术的快速发展，现代频谱分析仪朝着数字化、模块化、软件化的方向不断演进[3-4]。现代的频谱分析仪中已经采用软件无线电结构，利用模拟的射频接收端和全数字式的中频接收处理系统，
实现高频率分辨率和多测量功能。
本文基于软件无线电的采用宽带中频数字化方案的频谱分析仪可广泛用于信号的实时频谱分析，相比传统的频谱分析仪，具有频谱分析误差小，频率分辨率高；频带宽；具有灵活性、开放性、模块化结构；便于携带等优点。
1 总体方案设计
设计的频谱分析仪设计框图如图1所示，系统由天线、收发转换开关、中频接收模块、ADC模块、混频模块、抽取滤波模块、参数设置模块、DSP模块、移动客户端显示模块、云端存储模块组成。设计的性能目标：频率分辨率 1-3-10为步进，共有6个档位(0.03，0.10，0.30，1，3，10 kHz)；中频频率为2.6 GHz；动态范围为75 dB；AD工作频率为20 MHz。
2 硬件设计
硬件模块由射频模块、中频接收模块、ADC模块、混频模块组成，与软件无线电支持的外部设备HackRF One有着相似的架构。故可采用HackRF One作为频谱分析仪进行射频和中频信号处理的硬件平台，其基本架构如图2所示。在软件无线电系统中，要求天线尽可能覆盖多频段[5],HackRF One 可覆盖0.03～6 GHz的大范围频率，其中频频点为2.6 GHz，最高采样频率为22 MHz。
HackRF One支持GNURadio[6]并可与之配合使用，通过USB口与PC端进行相连，主要作用是对信号的收发，并对信号进行放大、滤波、混频、采样等处理。以接收过程为例，信号由天线进入后流程如下[7]：①由射频开关决定是否经由14 dB的放大器进行放大；②经过镜像抑制滤波器对信号进行高通或低通滤波；③信号进行RFFC5072芯片混频到2.6 GHz固定中频(中频范围
2.15～2.75 GHz)；④信号送入MAX2837芯片混频到基带，输出差分的IQ信号(其间MAX2837芯片可以对信号进行带宽限制)；⑤MAX5864芯片对基带信号进行数字化后送入CPLD和单片机；⑥CPLD处理数据；⑦LPC4320/4330处理器将采样数据通过USB送至计算机。
3 软件设计
软件模块主要包括抽取滤波模块、DSP模块、移动客户端显示模块、云端存储模块。移动客户端显示模块和云端存储模块分别是利用APP开发技术和云端数据库开发技术实现。抽取滤波模块和DSP模块则是在软件平台GNURadio上实现。GNURadio 软件平台上有很多现成的信号处理模块，这些模块可以通过某种机制连接起来，形成一个模块流程图，这样就迅速搭建好一个软件无线电系统[8]。常见的信号处理模块库有各种调制方式，观察信号波形图、频谱图、星座图、图形模块、纠错码、滤波器、均衡器等。用户可通过搭建相应的模块构建无线电应用的流图，也可根据应用的需要自定义编码扩展模块来构建自定义的无线应用，构建应用的信号处理模块可通过某种机制连接成一个系统。在GNURadio软件平台上，采用Python 脚本语言[9]和C++语言混合方式进行软件模块的编程[10]。C++语言执行效率高，主要被用于编写一些信号处理模块；Python语言不需要编译、语法简单、面向对象，主要用于各个信号处理模块连接的程序编写。
3.1 移动客户端显示和云端存储模块设计
移动客户端显示模块界面如图3 (a)所示，软件结构框图如图3 (b)所示。
移动端软件结构主要包括主进程MainActivity、HackrfSource、FileIQSource、IQSourceInterface
、Scheduler、AnalyzerProcessingLoop、
基于GNURadio的频谱分析仪设计
