无人机挂载信道测量系统

系统描述

无人机挂载信道测量系统是基于软件无线电平台构建了空地一体化信道测量系统，其中：空中发射平台采用SDR-LW 2974实时发送可配置的ZC（Zadoff-Chu）序列探测信号（支持5/10/20MHz带宽动态切换），通过无线信道传输后，由地面接收站的USRP-LW X310（搭载TwinRX子板实现多通道同步接收）完成信号的实时采集、处理及存储。

发射端和接收端都配备了恒温晶体振荡器OCXO和外接GPS天线，可以获得时间和位置信息，当USRP设备搜索到GPS卫星并锁定时，发射端和接收端之间的频差在极低水平，从而降低了获得的信道冲激响应的载波频率偏移（Carrier Frequency Offset，CFO）和时间偏移（Tming Offset，TO）的影响，而确保测量数据的准确性和一致性。

图1 系统搭建框图

规格参数

(1)发射端

固定的ZC恒包络序列，带宽5M、10M、20M，采样率：5MHz、10M、20MHz

(2)接收端

带宽：5M、10M、20M

采样率：4倍过采样，与带宽对应为20M、40M、80M

频率：45M、250M、600M、1.1G、5.5G

采集时长：20min

(3)采集模式MIMO、SISO配置

1*1，1*2，1*4，2*1，2*2，2*4切换（通道可设置）。2天线发送时，发送天线端口#1与发送天线端口#2传输不同的序列（相互正交），便于在接收端分离信道。

(4)流盘存储机制

1s-5s周期更新监测窗口，根据频谱判断是否正确接收信号，决定开始流盘。以下两种方案均实现。

方案一：自动触发式：计算采样点功率的滑动平均（10000点），预设门限T，当连续10/50个平均值均超过门限T则认为收到有效信号，开始流盘，并以指示灯表示开始。同时记录流盘的第一个样点的时间戳，手动按钮控制结束，记录最后一个样点的时间戳（即记录开始和结束时间）。

方案二：人为触发式：每1s-5s探测一个通道的频谱，GUI显示，人为观察决定是否流盘（手动按钮控制开始和结束）。记录第一个流盘样点的时间戳，最后结束时记录最后一个流盘样点的时间戳（即记录开始和结束时间）

(5)实时显示和记录GPS信息，显示GPS有无失锁

经纬度、高程等信息

(6)输出数据格式

直接输出float32

系统组成

（1）一台上位机

按需配置的高性能服务器，I7 9700，16 GB内存，提供强大的计算处理能力。

（2）两台可编程SDR（USRP-LW X310、SDR-LW 2974）

图2 USRP-LW X310(两块TwinRX子板)

图3 SDR-LW 2974

采用USRP-LW X310，搭载两块TwinRX子板实现多通道同步接收；采用无人机挂载SDR-LW 2974，实现空中发射平台发送可配置的ZC（Zadoff-Chu）序列探测信号。

（3）无人机（FC100）

采用大疆DJI大型载重无人机FlyCart100套装80公斤运输机，用于挂载SDR-LW 2974。

（4）两套天线

机载端0-650MHz全频段天线、地面端5G天线（600-6000MHz）

（5）一套信号采集与发射软件

C++开发的QT信号采集与发射软件。

系统连接

（1）射频的连接

发射端采用一台SDR-LW 2974（通过射频线缆连接0-650MHz全频段天线）用定制的加固机箱挂载到无人机上，向地面端实时发送可配置的ZC（Zadoff-Chu）序列探测信号；采用1台USRP-LW X310模拟接收端，通过射频线缆连接USRP-LW X310与5G天线（600-6000MHz）。

（2）数据的连接

上位机与USRP-LW X310之间使用万兆光纤通过SFP+接口进行数据传输；软件层面部署C++开发的QT信号采集与发射软件。

关键技术

（1）MIMO/SISO信道测量

可配置的射频通道：支持1×1至2×4的MIMO/SISO模式灵活切换（X310搭配TwinRX-LW子板可实现4个接收通道）

正交信号收发：在2天线发射时，X310通过两个独立通道同步发送正交序列，实现信道矩阵的分离测量

实时模式切换：可通过软件指令快速调整通道配置，满足不同天线组合的测试需求

（2）触发式流盘机制

方案一（自动触发）：基于功率门限检测有效信号；通过FPGA硬判决实现无人值守采集

方案二（人工触发）：通过GUI实时监测频谱，灵活应对复杂电磁环境

稳定流盘：万兆网卡的数据传输能力与 SSD阵列存储方案，可稳定实现采样数据的零丢失流盘

软件界面图

图4 QT信号采集与流盘软件

典型应用场景

无人机挂载信道测量系统可用于 5G/6G 网络规划、应急通信评估、车空协同设计及航空航天通信优化等场景。