USRP%E5%8F%82%E6%95%B0-toc" style="margin-left:0px;">1. USRP参数

1.1 收发机各项参数

1.2 结构框图

2. URSP仿真测试

USRP%E4%BB%BF%E7%9C%9F%E5%8F%82%E6%95%B0%E8%AE%BE%E7%BD%AE-toc" style="margin-left:40px;">2.1 USRP仿真参数设置

2.2 LFM参数设置

2.3 matlab仿真

实验仿真环境

USRP2944*1，matlab2021b，Labview2019，单LFM脉冲

USRP%E5%8F%82%E6%95%B0">1. USRP参数

1.1 收发机各项参数

参考USRP2944官网开发文档

图中上标注释见下文

1 增益设置产生的输出功率随频带和器件而异。

2 频率精度基于温度补偿晶体振荡器（TCXO）供应商规格，未进行测量。或者，您可以合并外部参考源，以提供更精确的频率参考时钟并实现更好的频率精度。

3 NI 2944 发射器路径在设备的整个频率范围内具有160 MHz 的带宽。

4 增益设置产生的接收信号幅度随频段和设备而异。

5 频率精度基于温度补偿晶体振荡器（TCXO）供应商规格，未进行测量。或者，您可以合并外部参考源，以提供更精确的频率参考时钟并实现更好的频率精度。

6 NI 2944 接收机路径具有84MHz 的带宽，用于10 MHz至500 MHz的中心频率

1.2 结构框图

USRP-2944接收到的信号在传递给主机之前要经过放大、下转换、滤波、数字化和销毁。USRP-2944发送的信号在传输前要经过上采样、重构、滤波、上转换和放大。

下面的列表描述了单个块:

发射路径:

上位机合成基带I/Q信号，并通过标准PCIe连接将信号传输到设备。

数字上转换器(DUC)混合、滤波并将信号内插到400MS/s（基带变换到中频）

数模转换器(DAC)将信号转换为模拟信号。

低通滤波器（Lowpass Filter）降低了信号中的噪声和高频成分。

混频器将信号上转换为用户指定的射频频率（中频变到射频）

锁相环控制VCO，使设备时钟和LO可以锁定到参考信号的频率。

信号通过直接转换路径或下转换路径传播，取决于用户所需频率。

发射放大器放大信号，并通过天线发射信号（可选TX1或TX2）

接收路径:

低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA)或LNA与低通滤波器(LPF)组合放大传入信号，这取决于传入频率。

信号通过直接转换路径或向上转换路径传播，这取决于频率（射频变到中频）

最后一个驱动放大器放大信号。

锁相环(PLL)控制压控振荡器(VCO)，这使得器件时钟和本振器(LO)可以锁频到参考信号。

混频器在10mhz - 500mhz路径上转换信号到2.44 GHz。

带通滤波器将10 MHz - 500 MHz频率范围内的信号限制为84 MHz带宽（为了采样）。

正交混合器将信号下转换为与基带同相(I)和正交相位(Q)分量。

低通滤波器降低了信号中的噪声和高频成分。

模数转换器(ADC)将I和Q数据数字化。

数字下变频(DDC)将信号混合、过滤和抽取到用户指定的速率（中频到基带）

下转换的样本通过标准PCIe连接传输到主机。

注：虚线内的区域表示使用默认的FPGA图像时在FPGA上的处理。当您使用LabVIEW FPGA时，您可以控制FPGA上的处理（我们就是使用LabView上位机来控制）

注:射频开关允许在同一个共享天线上进行发射和接收操作。在这个框图中，一个天线被指定为只接收（我们所使用的是两跟天线一发一收，半双工模式）

为什么要经过两次下变频呢？如下图所示，第一次变频是在模拟域通过晶振产生的信号与射频信号相乘把信号下变频到中频，这一次变频主要是为了后面做AD采样。我们知道采样需要满足奈奎斯特采样定律，采样的频率必须大于信号的最高频率的2倍，而射频信号的载波频率已经能都达到2.6GHz，甚至5GHz，根本无法做出载波频率两倍的采样速率的ADC。所以系统先把信号下变频到中频，然后再利用ADC对信号进行模数转化。因为USRP ADC的采样率为200MS/s，所以我们可以推出USRP对应的中频频率应该低于100MHz。

接着中频的数字信号被DDC下变频到基带。有人可能会问为什么不直接把信号一次变频到基带呢，这样的接收机叫做零中频接收机。如果载波频率高了，零中频的接收机设计会非常复杂，所以零中频接收机一般用于载波频率较低的系统里面。

2. URSP仿真测试

在知晓了USRP各项参数后，我们先会在Matlab中设置对应参数来进行系统仿真，然后在下一章节才会进行实际USRP测试

USRP%E4%BB%BF%E7%9C%9F%E5%8F%82%E6%95%B0%E8%AE%BE%E7%BD%AE">2.1 USRP仿真参数设置

参数设置	参数含义
Fc	射频载波频率（4GHz）
fs	USRP采样率200MHz（这已经是最大采样率）
B	B=0.4fs（带通信号要满足带奎斯特采样定律）
PRF	USRP发射脉冲的速率，我们设置为一秒发射100次（详见下文）
Pt	USRP发射机Tx功率，设置为5dbm（详见下文）
Gt	射频发射天线增益，标准增益喇叭天线在4GHz的增益约为14.5dB
Gr	射频接收天线增益，标准增益喇叭天线在4GHz的增益约为14.5dB
Rx_reference_level	接收机参考电平 65dBm

基于上表中的几个重要参数设置提醒：

USRP发射机Tx功率Pt设置一定先要计算自由空间损耗公式，确定好接收端的接收功率。如果Pt过大，在不接衰减头的情况下可能会在接收端烧毁USRP

自由空间损耗（LBF）计算：

$Lbf=32.5+20lgF+20lgD$

Lbf单位为dB，F是载波频率，单位MHz，D是距离，单位km。

对于4GHz频点，在0.1km范围内，自由空间损耗计算如下

$Lbf_{4GHz} = 32.5+20lg4000+20lg0.1=32.5+92-20=104.5dB$

信号接收强度（RSS）计算：

$RSS=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf$

RSS单位为dBm，Lc为电缆衰减dB，Pt单位dBm，Gr、Gt单位dB，Lbf单位dB

因此接收端信号强度为：

$RSS_{4GHz}=5+14.5+14.5-0-104.5=-70.5dBm$

因此我们接收机参考电平应该设置为-71dBm即可

注意：如果我们想检测距离更近的目标物体（如20米），我们只需要将参考电平修改即可

USRP脉冲发射频率PRF我们设置成每秒100个脉冲波新，也就是说我们在发射LFM时，每一个Chrip信号的PRF也是100，因此Chrip信号的脉冲重复周期Tr=1/PRF=10ms

2.2 LFM参数设置

参数设置	参数含义
Tp	一个Chrip信号的时宽0.4us，Tp=4e-7
PRF	每秒脉冲重复频率为100
Tr	脉冲重复周期等于1/PRF=10ms
Kr	调频率Kr=B/Tp=4e14
t	总采样时间t= 0:1/Fs:2*Tp
N_samples	总采样点个数161
Rmax	最大检测距离（受到采样时间的限制）Rmax = c/21Tp=120m
R_targets	物体的距离随机生成R_targets = [10,43,88]
RCS	标物体RCS，幅度为10，相位在（0,2pi）之间随机分布

2.3 matlab仿真

%==========================================================================
%%   单脉冲LFM雷达测距
%%   完美实现，没有bug
% matlab2021b
%==========================================================================

clear;clc;close all;
%% LFM参数设置
fc = 4e9;               %载波频率
PRF = 100;              %脉冲重复频率
Tr = 1/PRF;             %脉冲重复周期
B = 80e6;               %带宽
Fs = 2.5*B;             %采样频率
Ts = 1/Fs;              %采样时间
Tp = 4e-7;             %脉宽800ns
c = 3e8;                %光速
lamda = c/fc;           %载波波长
Kr = B/Tp;              %调频斜率
t = 0:1/Fs:2*Tp;        %总采样时间
N_samples = length(t);  %采样点个数
N_targets= 3;           %目标物体个数
Rmax = c/2*2*Tp;       %最大检测距离（受到采样时间的限制）
R_targets = [10,43,88];%物体的距离随机生成
RCS = 10*(exp(1i*2*pi*rand(1,N_targets)));%目标物体RCS，幅度为10，相位在（0,2pi）之间随机分布

%% 接收信号sr计算
sr = zeros(1,N_samples);
for k=1:N_targets
    tao=2*(R_targets(k))/c;   %在当前时刻，雷达信号往返的时间
    sr_temp=RCS(k).*rectpuls(t-tao-Tp/2,Tp).*exp(-1j*2*pi*fc*tao+1j*pi*Kr.*(t-tao-Tp/2).^2);
    sr=sr+sr_temp;
end
R_range = c*t/2;    %在采样时间内，距离的范围

%% 脉冲压缩
% 参考信号st
st=rectpuls(t-Tp/2,Tp).*exp(1i*pi*Kr*(t-Tp/2).^2);%时域参考信号（将原始信号右移Tp/2）
stf=conj(fft(st));%匹配滤波器的频域特性
sr_mf = ifft(fft(sr).*stf);       
% 归一化
Z = abs (sr_mf);
Z = Z/max(Z);
Z_dB = 20*log10(Z);
%% 图像输出
%----------------------------测距（Range FFT）------------------------------
% 第一个回波信号的距离幅度谱
figure(1)
plot(t*c/2,Z_dB)                       
title('回波信号的归一化距离幅度谱');