图 2. 软件架构概述
NI USRP 平台提供多种频带,从 50 MHz 到 5.9 GHz 都有,所以我们的被动式雷达系统可以涵盖大范围的无线讯号,包含 FM、GSM、LTE、IEEE 802.11x、IEEE 802.16,以及数位声音广播 (DAB) 或数位影像广播 (DVB)。 我们在每个频带上使用一个速度为 25 MS/s 的 20 MHz 基频 I/Q 频宽串流,以便搭配 LabVIEW 完成主机为主的处理作业。 够大的频宽可以撷取用于被动式目标侦测示范、最广的通讯讯号。
除了宽带带范围之外,USRP 还有另一个好处,就是有个专属的连接埠,可用于菊链串联并同步化进阶的多重输入/输出 (MIMO) 系统。 如果日后研究必须扩充雷达系统,此功能可说是相当实用。
如需设定 USRP,LabVIEW 提供一个 API 可让我们快速开启、设定并启动接收器的工作阶段;还可以设定中央频率、IQ 取样率、通道增益、样本长度等参数;也可接收空中的资料。 API 提供复杂的双/半精度浮点资料,可根据不同的处理准确度和速度需求加以调整。 完成撷取之后,就可使用 LabVIEW 的数学与讯号处理工具,把模糊处理套用至 IQ 资料。
我们透过 USRP 和 LabVIEW,迅速建置并测试被动式无线侦测示范系统。 我们透过 LabVIEW 内建的函式,即可在单一区块中有效实作一系列的矢量操作,例如阵列子集、索引阵列、阵列重新定型和分析。 除了数学函式之外,我们也可以使用内建的 LabVIEW 讯号处理函式,执行量身打造的快速傅立叶转换,缩短运算和程序设计的时间。
完成时频模糊分析之后,我们针对处理过的讯号套用了一个可以随着环境灵活变动的临界值,藉此判断所侦测到的结果是否是目标本身,或者只是假警报。
透过实际的实验来验证概念我们使用两个侦测情境来示范系统设计的功能。 第一个情境是使用 15 dBm 的常见 WiFi 存取点 (AP) 所提供的 WiFi 讯号发射,侦测一个行人。 就实验设定而言,25 公分厚的砖墙会区分行人和 WiFi AP vs. 参考和监控天线 (图 3)。 USRP 会把参考和监控讯号数字化,并且透过 LabVIEW 处理这两种讯号。
第二个情境是使用相同的实验环境,穿透墙面侦测人体动作。 两个情境的差别在于人体目标动作的类型和强度。 如要侦测情境二的小动作,必须针对更长的整合时间和更低的侦测临界值,使用不同的软件处理参数。
图 3. 穿透墙面侦测动作的实验设定
图 4 显示了情境一的侦测结果,有个人正在来回走动。 LabVIEW 前面板显示了实时的 Doppler 表面结果 (左上方)、确定的目标 (中上方)、目标范围槽的频谱 (右上方)、显示 60 分钟侦测历史的Doppler 纪录 (左下方),以及目标强度的索引纪录 (右下方)。 临界值会套用至目标强度索引,只要侦测讯号超过特定准位,系统就会把目前的侦测状况当成有效的目标。 Doppler 纪录图 (左下方) 清楚显示了 Doppler 正/负转换,对应至向前/向后的行走方向。
图 4. 穿透墙面侦测行人 (情境一)
图 5 显示了小型人体动作的侦测结果,也就是某人从蹲姿改成站姿。 在此情况下,系统可以辨识小型干扰所造成、低于 1 Hz 的 Doppler 差异。 每个间歇性波形都代表一个侦测到的蹲姿-站姿动作周期,Doppler 正转换代表部分人体正在接近监控天线。 因此我们改良了雷达系统,藉此侦测甚至更小的动作,例如手势。
图 5. 穿透墙面侦测人体动作 (情境二)
透过 USRP 架构雷达系统取得的实验结果确切地证实了穿墙被动式 WiFi 感测的概念。 此外,由于 NI 解决方案具有高灵敏度,我们还可以侦测远比当初设想还小的动作。
结论如果要快速制作原型,以便完成无线讯号的传输、接收与处理作业,LabVIEW 和 NI USRP 都是相当理想的选择。 宽带带和现成的讯号处理函式库有助于加快程序码开发和实验速度。
对于创新被动式雷达方案的未来使用方式,我们感到非常兴奋,例如公共安全 (劫机或人质安危)、eHealth (老年人监控系统) 和全新的人机界面 (可用于工业和娱乐)。
除了可以确实验证概念之外,我们的示范被动式侦测系统可做为高度互动的教学平台,适用于工程学生,也可做为未来被动式侦测算法开发的测试台。
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