频谱分析实验

本指南介绍如何使用 SDR 设备观察和分析附近的无线电频谱，包括蜂窝网络和 WiFi 信号。

前置条件

LibreSDR B210 或 USRP B210 已正确安装
UHD 驱动已安装并通过 uhd_usrp_probe 验证
连接合适的天线

注意

本指南仅用于接收和观察频谱，不涉及任何发射操作。被动接收在大多数国家是合法的，但请确认当地法规。

软件工具概览

软件	用途	实时显示	难度
uhd_fft	快速频谱查看	✅	⭐ 简单
GQRX	通用 SDR 接收器	✅	⭐ 简单
SDR++	现代 SDR 接收器	✅	⭐ 简单
GNU Radio	自定义信号处理	✅	⭐⭐⭐ 进阶
Inspectrum	离线信号分析	❌	⭐⭐ 中等

实验 1：使用 uhd_fft 快速查看频谱

uhd_fft 是 UHD 自带的简单频谱分析工具，无需额外安装。

安装

bash

# Ubuntu/Debian - uhd_fft 包含在 uhd-host 中
sudo apt install uhd-host

基本用法

bash

# 查看 2.4 GHz WiFi 频段
uhd_fft -f 2.45e9 -s 20e6

# 查看 5 GHz WiFi 频段  
uhd_fft -f 5.5e9 -s 40e6

# 查看 n78 频段 (3.5 GHz 5G)
uhd_fft -f 3.5e9 -s 40e6

参数说明

参数	说明	示例
`-f`	中心频率 (Hz)	`-f 2.45e9` = 2.45 GHz
`-s`	采样率/带宽 (Hz)	`-s 20e6` = 20 MHz
`-g`	增益 (dB)	`-g 40`
`--args`	UHD 设备参数	`--args="type=b200"`

观察 WiFi 信号

bash

# 2.4 GHz WiFi (信道 1-13: 2412-2472 MHz)
uhd_fft -f 2.437e9 -s 30e6 -g 40

你应该能看到：

突发性的宽带信号 - WiFi 使用 OFDM，带宽 20/40 MHz
信道间隔 - 每个信道间隔 5 MHz
信号强度变化 - WiFi 是突发传输的

实验 2：使用 GQRX 进行交互式频谱分析

GQRX 是一个功能丰富的 SDR 接收器，带有漂亮的瀑布图显示。

安装

bash

# Ubuntu/Debian
sudo apt install gqrx-sdr

# Arch Linux
sudo pacman -S gqrx

# Nix
nix-shell -p gqrx

配置 GQRX

启动 GQRX：gqrx
在设备配置对话框中：
- Device: uhd,type=b200
- Sample rate: 20000000 (20 MHz)
- Bandwidth: 0 (自动)
点击 OK 然后点击 播放按钮 开始接收

探索蜂窝频段

频段	频率范围	技术	GQRX 设置
LTE Band 3 (DL)	1805-1880 MHz	4G LTE	中心 1842 MHz, 40 MHz 带宽
LTE Band 7 (DL)	2620-2690 MHz	4G LTE	中心 2655 MHz, 40 MHz 带宽
n78	3300-3800 MHz	5G NR	中心 3500 MHz, 56 MHz 带宽
n41	2496-2690 MHz	5G NR	中心 2593 MHz, 56 MHz 带宽

GQRX 快捷操作

鼠标滚轮 - 调整频率
Ctrl + 滚轮 - 调整 FFT 缩放
点击瀑布图 - 跳转到该频率

实验 3：使用 SDR++ 现代化频谱分析

SDR++ 是一个现代化的跨平台 SDR 接收器，界面美观，性能优秀。

安装

bash

# 从源码构建 (Ubuntu)
sudo apt install libfftw3-dev libglfw3-dev libvolk2-dev libsoapysdr-dev
git clone https://github.com/AlexandreRouworworma/SDRPlusPlus.git
cd SDRPlusPlus
mkdir build && cd build
cmake .. -DOPT_BUILD_SOAPY_SOURCE=ON
make -j$(nproc)

# Nix
nix-shell -p sdrpp

配置 SDR++

启动 SDR++
在左侧面板选择 Source → SoapySDR 或 UHD
选择你的设备
设置采样率和增益
点击 Start

SDR++ 优势

🎨 现代化深色主题界面
📊 高性能 FFT 渲染
🔌 模块化插件系统
💾 支持录制 IQ 数据

实验 4：GNU Radio 自定义频谱分析器

使用 GNU Radio Companion 创建自定义频谱分析工具。

安装

bash

# Ubuntu/Debian
sudo apt install gnuradio gr-uhd

# Nix
nix-shell -p gnuradio

创建流程图

创建文件 spectrum_analyzer.grc：

[UHD: USRP Source] → [QT GUI Frequency Sink]
                   → [QT GUI Waterfall Sink]
                   → [QT GUI Time Sink]

命令行快速启动

bash

# 使用 GNU Radio 内置示例
gnuradio-companion /usr/share/gnuradio/examples/uhd/uhd_fft.grc

Python 脚本示例

python

#!/usr/bin/env python3
"""Simple spectrum analyzer using GNU Radio"""

from gnuradio import gr, uhd, qtgui
from PyQt5 import Qt
import sys

class SpectrumAnalyzer(gr.top_block):
    def __init__(self, center_freq=2.45e9, samp_rate=20e6, gain=40):
        gr.top_block.__init__(self, "Spectrum Analyzer")
        
        # UHD Source
        self.usrp = uhd.usrp_source(
            device_addr="type=b200",
            stream_args=uhd.stream_args(cpu_format="fc32")
        )
        self.usrp.set_samp_rate(samp_rate)
        self.usrp.set_center_freq(center_freq)
        self.usrp.set_gain(gain)
        
        # FFT Sink
        self.fft_sink = qtgui.freq_sink_c(
            1024,           # FFT size
            5,              # Window type (Blackman-Harris)
            center_freq,    # Center frequency
            samp_rate,      # Sample rate
            "Spectrum"      # Title
        )
        
        # Waterfall Sink
        self.waterfall = qtgui.waterfall_sink_c(
            1024,
            5,
            center_freq,
            samp_rate,
            "Waterfall"
        )
        
        # Connect blocks
        self.connect(self.usrp, self.fft_sink)
        self.connect(self.usrp, self.waterfall)

if __name__ == '__main__':
    app = Qt.QApplication(sys.argv)
    tb = SpectrumAnalyzer()
    tb.start()
    app.exec_()
    tb.stop()

实验 5：观察 LTE 信号特征

LTE 信号识别

LTE 信号有独特的频谱特征：

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  ▁▂▃▄▅▆▇█▇▆▅▄▃▂▁                                            │
│  └──────────────┘                                           │
│     10/15/20 MHz                                            │
│   典型 LTE 信号带宽                                          │
│                                                             │
│  特征:                                                       │
│  • 平坦的顶部 (OFDM)                                         │
│  • 陡峭的边缘                                                │
│  • 中心直流子载波可能有凹陷                                   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

扫描 LTE 频段

bash

# 中国移动 LTE Band 41 (2575-2635 MHz)
uhd_fft -f 2.605e9 -s 40e6 -g 50

# 中国联通 LTE Band 3 (1805-1880 MHz)
uhd_fft -f 1.8425e9 -s 40e6 -g 50

# 中国电信 LTE Band 1 (2110-2170 MHz)
uhd_fft -f 2.14e9 -s 40e6 -g 50

使用 LTE-Cell-Scanner (可选)

bash

# 安装
git clone https://github.com/JiaoXianjun/LTE-Cell-Scanner.git
cd LTE-Cell-Scanner
mkdir build && cd build
cmake ..
make

# 扫描 LTE 小区
./CellSearch --freq-start 1805e6 --freq-end 1880e6

实验 6：观察 5G NR 信号

5G NR 信号特征

5G NR 使用更宽的带宽和不同的子载波间隔：

子载波间隔 (SCS)	带宽选项	典型用途
15 kHz	5-50 MHz	FR1 低频
30 kHz	10-100 MHz	FR1 主流
60 kHz	10-100 MHz	FR1/FR2
120 kHz	50-400 MHz	FR2 毫米波

扫描 n78 频段

bash

# n78 频段全览 (3300-3800 MHz)
uhd_fft -f 3.55e9 -s 56e6 -g 50

# 注意: B210 最大带宽 56 MHz，无法一次看到完整 n78

信号识别技巧

信号类型	频谱特征	时域特征
LTE	平坦 OFDM，10-20 MHz	连续传输
5G NR	更宽带宽，可能有 SSB 突发	周期性 SSB
WiFi	20/40/80 MHz 突发	短脉冲
蓝牙	1 MHz 窄带跳频	快速跳频

实验 7：录制和离线分析

录制 IQ 数据

bash

# 使用 uhd_rx_cfile 录制 (GNU Radio)
uhd_rx_cfile -f 2.45e9 -r 20e6 -g 40 -N 20000000 wifi_capture.cf32

# 参数说明
# -f: 中心频率
# -r: 采样率  
# -g: 增益
# -N: 采样点数 (20M samples = 1 秒 @ 20 MS/s)

使用 Inspectrum 分析

bash

# 安装
sudo apt install inspectrum

# 打开录制文件
inspectrum wifi_capture.cf32

Inspectrum 功能：

🔍 时频分析 (瀑布图)
📏 光标测量
📊 符号同步可视化
🎛️ 可调 FFT 大小和重叠

常见问题

信号太弱看不到？

检查天线 - 确保天线频率匹配
增加增益 - 使用 -g 60 或更高 (注意不要饱和)
靠近信号源 - 走近窗户或室外

频谱全是噪声？

检查 USB 连接 - USB 3.0 端口更稳定
降低采样率 - 先用 -s 10e6 测试
检查设备 - 运行 uhd_usrp_probe

如何识别不同信号？

观察点	分析方法
带宽	测量 -3dB 带宽
调制	观察星座图 (需要解调)
时域特征	使用 Time Sink 观察
周期性	瀑布图中的重复模式

下一步

硬件需求 - SDR 设备详细介绍
srsRAN 安装 - 搭建自己的基站
Open5GS 配置 - 核心网部署

进阶学习

掌握频谱分析后，可以尝试使用 srsRAN 的 cell_search 工具解析 LTE/NR 小区信息。

频谱分析实验 ​

前置条件 ​

软件工具概览 ​

实验 1：使用 uhd_fft 快速查看频谱 ​

安装 ​

基本用法 ​

参数说明 ​

观察 WiFi 信号 ​

实验 2：使用 GQRX 进行交互式频谱分析 ​

安装 ​

配置 GQRX ​

探索蜂窝频段 ​

GQRX 快捷操作 ​

实验 3：使用 SDR++ 现代化频谱分析 ​

安装 ​

配置 SDR++ ​

SDR++ 优势 ​

实验 4：GNU Radio 自定义频谱分析器 ​

安装 ​

创建流程图 ​

命令行快速启动 ​

Python 脚本示例 ​

实验 5：观察 LTE 信号特征 ​

LTE 信号识别 ​

扫描 LTE 频段 ​

使用 LTE-Cell-Scanner (可选) ​

实验 6：观察 5G NR 信号 ​

5G NR 信号特征 ​

扫描 n78 频段 ​

信号识别技巧 ​

实验 7：录制和离线分析 ​

录制 IQ 数据 ​

使用 Inspectrum 分析 ​

常见问题 ​

信号太弱看不到？ ​

频谱全是噪声？ ​

如何识别不同信号？ ​

下一步 ​

频谱分析实验

前置条件

软件工具概览

实验 1：使用 uhd_fft 快速查看频谱

安装

基本用法

参数说明

观察 WiFi 信号

实验 2：使用 GQRX 进行交互式频谱分析

安装

配置 GQRX

探索蜂窝频段

GQRX 快捷操作

实验 3：使用 SDR++ 现代化频谱分析

安装

配置 SDR++

SDR++ 优势

实验 4：GNU Radio 自定义频谱分析器

安装

创建流程图

命令行快速启动

Python 脚本示例

实验 5：观察 LTE 信号特征

LTE 信号识别

扫描 LTE 频段

使用 LTE-Cell-Scanner (可选)

实验 6：观察 5G NR 信号

5G NR 信号特征

扫描 n78 频段

信号识别技巧

实验 7：录制和离线分析

录制 IQ 数据

使用 Inspectrum 分析

常见问题

信号太弱看不到？

频谱全是噪声？

如何识别不同信号？

下一步