接收機(jī) - SDR的技術(shù)原理介紹及案例分析

首先接收部分的放大器變成了低噪放，顧名思義，低噪放就是低噪聲的放大器，本質(zhì)上還是個(gè)放大器。因?yàn)榻邮盏男盘?hào)里面包含了信道的噪聲，接收機(jī)不能把噪聲放的過大。

信號(hào)經(jīng)過低噪放后與USRP晶振產(chǎn)生的信號(hào)相乘把信號(hào)下變頻到中頻，同樣地再經(jīng)過一個(gè)低通濾波器把信號(hào)變得平滑。

之后中頻信號(hào)經(jīng)過ADC把模擬域的信號(hào)轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)域。ADC是USRP里面很重要的一個(gè)部件。ADC主要由兩個(gè)參數(shù)，采樣精度和采樣率。采樣精度表示采樣后的信號(hào)用多少bit來表示，例如USRP B200的ADC精度為12 bits，即采樣后的每一個(gè)數(shù)據(jù)用12bits來表示。采樣率就是系統(tǒng)的采樣速率，USRP B200的采樣速率為61.44MS/s。這也就是為什么大部分SDRLTE系統(tǒng)都采用USRP B系列作為外設(shè)的原因，61.44MS/s的采樣率剛好是LTE系統(tǒng)最大采樣速率30.72M的兩倍。

同樣的信號(hào)經(jīng)過ADC之后，數(shù)字信號(hào)被送入FPGA模塊處理。FPGA里面包含兩個(gè)模塊，數(shù)字下變頻和接收控制。接收控制用來控制整個(gè)USRP系統(tǒng)的接收流程，例如什么時(shí)候開始接受等。數(shù)字下變頻即DDC，用于把信號(hào)從中頻下變頻到基帶。

圖8：SDR接收機(jī)原理圖

為什么要經(jīng)過兩次下變頻呢？如圖9所示，第一次變頻是在模擬域通過晶振產(chǎn)生的信號(hào)與射頻信號(hào)相乘把信號(hào)下變頻到中頻，這一次變頻主要是為了后面做AD采樣。我們知道采樣需要滿足奈奎斯特采樣定律，采樣的頻率必須大于信號(hào)的最高頻率的2倍，而射頻信號(hào)的載波頻率已經(jīng)能都達(dá)到2.6GHz，甚至5GHz，根本無(wú)法做出載波頻率兩倍的采樣速率的ADC。所以系統(tǒng)先把信號(hào)下變頻到中頻，然后再利用ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化。因?yàn)閁SRP ADC的采樣率為61.44MS/s，所以我們可以推出USRP對(duì)應(yīng)的中頻頻率應(yīng)該低于30.72MHz。

接著中頻的數(shù)字信號(hào)被DDC下變頻到基帶。有人可能會(huì)問為什么不直接把信號(hào)一次變頻到基帶呢，這樣的接收機(jī)叫做零中頻接收機(jī)。如果載波頻率高了，零中頻的接收機(jī)設(shè)計(jì)會(huì)非常復(fù)雜，所以零中頻接收機(jī)一般用于載波頻率較低的系統(tǒng)里面。

圖9 ：下變頻原理示意圖

數(shù)字信號(hào)經(jīng)過USB3.0接口傳輸?shù)焦P記本電腦上后，電腦再把數(shù)據(jù)傳輸給SDR程序處理。物理層處理完后再把數(shù)據(jù)交給上層。這樣SDR接收機(jī)的信號(hào)接收過程便完成了。

SDR發(fā)射機(jī)/接收機(jī)里面的每一個(gè)模塊都對(duì)應(yīng)一大片知識(shí)，知識(shí)的海洋是無(wú)窮的，這里的介紹只能起一個(gè)拋磚引玉的作用。如果大家想深入學(xué)習(xí)的話，還得要多查閱資料。

五、SDR LTE系統(tǒng)

上一章節(jié)從SDR發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的角度分別介紹SDR系統(tǒng)的原理。下面我們以SDR LTE系統(tǒng)為例給大家介紹一個(gè)SDR系統(tǒng)的例子，有助于大家理解實(shí)際項(xiàng)目的中SDR通信系統(tǒng)。

目前國(guó)際上已經(jīng)有好幾個(gè)開源的SDR LTE系統(tǒng)，如OpenAirInterface，srsLTE，OpenLTE等， 詳情可以查看。開源的SDR LTE系統(tǒng)非常適合用來學(xué)習(xí)SDR和LTE的原理和知識(shí)。

下面以圖10來介紹SDR LTE系統(tǒng)的工作流程。

首先LTE的上層有數(shù)據(jù)需要物理層發(fā)送，比如我們要發(fā)送一個(gè)經(jīng)典的字符串”Hello World”，上層把數(shù)據(jù)編碼成Bit流自后交給物理層。上層可能采用的ASCII編碼，把Hello World編碼成對(duì)應(yīng)的Bit流。即物理層收到的是一連串的100110等。

Bit流傳到物理層后開始進(jìn)行編碼，LTE采用的是1/3 碼率的Turbo編碼，再經(jīng)過加擾，加擾可以理解為將Bit流隨機(jī)化，避免出現(xiàn)一大串連續(xù)的0或者1。此外，在發(fā)送端用小區(qū)專用擾碼序列進(jìn)行加擾，接收端再進(jìn)行解擾，只有本小區(qū)內(nèi)的UE才能根據(jù)本小區(qū)的ID形成的小區(qū)專用擾碼序列對(duì)接收到得本小區(qū)內(nèi)的信息進(jìn)行解擾，這樣可以在一定程度上減小臨小區(qū)間的干擾。

接著Bit流經(jīng)過調(diào)制模塊后被調(diào)制成復(fù)數(shù)。LTE里面采用的是QPSK，16QAM和64QAM等調(diào)制方式，出來的數(shù)據(jù)形式如0.707+0.707j。然后對(duì)復(fù)數(shù)序列進(jìn)行資源映射，把復(fù)數(shù)映射到LTE的時(shí)頻資源上，最后再對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行OFDM把信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域。此時(shí)，SDR程序的工作便完成了，生成了LTE系統(tǒng)的基帶數(shù)據(jù)。

緊接著，GPP把基帶數(shù)據(jù)通過USB3.0接口把數(shù)據(jù)傳輸給USRP，由USRP經(jīng)過上一章講述的流程把基帶信號(hào)上變頻到射頻并發(fā)送出去。

圖10：SDR LTE系統(tǒng)原理

LTE接收機(jī)的過程基本與發(fā)射機(jī)相反。USRP把接收到的射頻信號(hào)下變頻到基帶后通過USB3.0接口傳輸給SDR程序。SDR程序把接收到的一連串復(fù)數(shù)先做OFDM解調(diào)，接著信道估計(jì)/均衡。此時(shí)的數(shù)據(jù)仍然是復(fù)數(shù)形式的。經(jīng)過軟解調(diào)之后數(shù)據(jù)變成Bit流，最后再進(jìn)行解擾，解碼恢復(fù)出 “Hello World” 的ASCII碼，傳輸給UE的上層后，UE識(shí)別出有人給它發(fā)送了一串信息，即“Hello World”。

至此，通信的過程完成。

六、參考文獻(xiàn)

X. Xiong, W. Xiang, K. Zheng, H. Shen and X. Wei, "An open source SDR-based NOMA system for 5Gnetworks," in IEEE Wireless Communications, vol. 22, no. 6, pp. 24-32,December 2015.

作者簡(jiǎn)介：魏興光，北京郵電大學(xué)智能計(jì)算與通信研究組（Intelligent Computing andCommunication Lab，IC2 Lab）研究生，主要研究方向?yàn)檐浖o(wú)線電（Software Defined Radio，SDR）。