USRP射頻前端 - 軟件無線電技術(shù)-GNU Radio軟硬件教程及應(yīng)用舉例

USRP是GNU Radio最重要的硬件“伙伴”。與GNU Radio軟件相同，USRP也是完全開放的，其所有的電路圖、設(shè)計文檔和FPGA代碼均可從EttusResearch的網(wǎng)站下載?；贕1、radio和USRP的組合，用戶可以構(gòu)建各種具有想象力的軟件無線電應(yīng)用。

一套USRP由一快主板(Motherboard)和最多四塊子板(Daughter Board)搭配構(gòu)成。主板的主要功能為中頻采樣以及中頻信號到基帶信號之間的互相轉(zhuǎn)換。子卡的功能在于射頻信號的接收／發(fā)送以及到中頻的轉(zhuǎn)換。子卡有多種類型，分別覆蓋不同的射頻頻譜范圍，且具有不同的收／發(fā)能力和增益。

4．1? USRP主板

主板主要由以下幾個部分構(gòu)成：

1)AD／DA芯片
USRP采用兩塊Analog Device的AD9862芯片，每塊可分別提供兩路12bit、64MSample／s的AD變換和兩路14bit、128MSample／s的DA變換。那么一塊主板可提供4路模擬轉(zhuǎn)換器(ADC)和4路的數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換器(DAC)，也即收／發(fā)各兩路的復(fù)采樣。此外DAC單元還集成了數(shù)字上變頻(DUC)功能。

2)FPGA
FPGA有兩個主要功能：將DAC采來的中頻信號進(jìn)行數(shù)字下變頻(DDC)，變換到基帶，并通過層疊梳狀濾波器(of)對樣值進(jìn)行可變速率的抽取以符合用戶對信號帶寬的要求。FPGA中同時也實現(xiàn)了針對DAC的插值率波的功能；另一個功能是作為路由器協(xié)調(diào)適配各路ADC、DAC和USB 2．0接口之間的數(shù)據(jù)交換。

3)USB 2．0接口
USRP采用USB 2．0接口與PC機(jī)連接。最高可達(dá)到32MByte／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。如果AD和DA分別采用12bit和14bit的采樣精度，那么每個實采樣點占用2Bytes，每個復(fù)采樣點占用4Bytes。如果以一路復(fù)數(shù)采樣進(jìn)行單收或單發(fā)，則最高可達(dá)到32M／4=8M?復(fù)采樣每秒，即最高發(fā)送或接收8MHz帶寬的信號。如果用8bit采樣，則最高可收／發(fā)16MHz帶寬的信號。ADC和DAC始終分別以64M和128M?的速率進(jìn)行采樣，用戶實際獲得的采樣速率是通過設(shè)置抽值率或插值率得到的。

4．2? USRP子卡

USRP的子卡有如下幾種：
USRP是GNU Radio最重要的硬件“伙伴”。與?1)Basic TX、Basic RX：這兩種子卡沒有中頻與射頻間的頻譜變換，僅僅提供主板上中頻信號與天線間的接口。盡管如此，由于ADC和DAC可進(jìn)行帶通采樣，仍然可支持2MHz~200MHz的載頻。

2)TVRX：可覆蓋50MHz一800MHz廣播電視頻段的接收子卡。
3)DBSRX：可覆蓋800MHz~2．4GHz的接受子卡。
4)RFX400、RFX900、RFX1200、RFX1800、

RFX2400：這些子卡均為支持雙工，可分別覆蓋400Ⅻ?z 500?、800?忸z一1000 m?z、1150 m?z一1450MHz、1．5MHz一2．1MHz、2．3MHz一2．9MHz頻段。

4．3? USRP的原理

主板上共有4個子板接口，可支持兩路并行的發(fā)送或接收。整套USRP的原理如圖1所示。

5、GNU Radio安裝

同多數(shù)基于Linux的軟件一樣，GNU Radio需要在將其源代碼編譯、安裝之后方可運(yùn)行。源代碼可從網(wǎng)站．org／trac／wiki?獲得，GNURadio采用SubVersion工具管理全球各地志愿者對代碼更新和擴(kuò)充，用戶利用客戶端工具SVll可隨時從網(wǎng)站上下載GNU Radio代碼的最新版本。在編譯安裝GNU Radio之前，必須首先安裝一些所依賴的軟件庫，?主要有SWIG、FFTW、cppunit、numarray、Numric和wxPytholl。分別為GNU Radio提供C++與Python互操作性、快速算法和圖形界面等方面的支持。這些軟件同樣也是開源的，可分別從互聯(lián)網(wǎng)上下載安裝。GNU Radio的網(wǎng)站上有詳細(xì)的軟件編譯安裝方法，此處不再贅述。

USRP的安裝須要在軟件安裝完畢后進(jìn)行。首先在主板上插上所需子板，然后按順序接駁穩(wěn)壓電源、直流輸入和USB 2．0連接線，接著就可利用GNU Radio軟件包中自帶的實例程序初步體驗GNU Radio了。GNU Radio提供了豐富的例程可供嘗試，其中包括FM、AM?廣播接收、信號發(fā)生器、信號頻譜和波形顯示，GMSK?／QPSK／BPSK信號收發(fā)、USB 2．0接口測速等等。其中usrp_fR．PY是一個可顯示出指定頻率附近信號頻譜的腳本。

6、GNU Radio的應(yīng)用舉例

這一部分將對基于GNU Ra dio已經(jīng)成功實現(xiàn)或者正在開發(fā)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，以期使讀者對GNU Radio的功能有一個更直觀的認(rèn)識。

1)MIMO(Multi—In Muti—Out)

USRP已經(jīng)為多天線應(yīng)用做好了準(zhǔn)備。一套USRP即可實現(xiàn)雙天線的發(fā)送或接收，如果要進(jìn)一步增加天線數(shù)量，可通過將多套USRP同步起來加以實現(xiàn)。此時需要對電路做一些改動(改變幾個電阻和電容的位置)使多塊主板和子板之間達(dá)到時鐘同步和相位相關(guān)。

2)數(shù)字高清電視接收

用一塊MCA020 AD卡采集數(shù)字高清電視的信號，在PC上進(jìn)行解調(diào)、解碼和播放。受PC機(jī)的運(yùn)算能力所限，目前還不能實時的收看，因此先將原始信號采集并保存在硬盤上，待采集完畢后再進(jìn)行解調(diào)和解碼，生成可播放的視頻文件。

3)TDMA和TDD

目前的GNU Radio和USRP尚不支持TDMA多址方式和TDD的雙工方式。Eric Blossom?和Matt Ettus以及BBN Technology公司正在對GNU Radio軟件體系以及USRP中的FPGA代碼進(jìn)行改進(jìn)和增強(qiáng)，通過為采樣數(shù)據(jù)加上時間戳，可以對采樣流進(jìn)行更精確的時間控制，從而實現(xiàn)TDMA?和TDD。

7、結(jié)束語

GNU Radio可以被理解為開源軟件的自由精神在無線領(lǐng)域的延伸，開放性和低成本是其最大的優(yōu)勢。低成本使得技術(shù)人員以及資金不那么充裕的研究機(jī)構(gòu)可以像購買PC機(jī)一樣擁有一套能自由進(jìn)入頻譜空間的軟硬件系統(tǒng)，從而為更廣泛的技術(shù)創(chuàng)新打下基礎(chǔ)。在GNU Radio的郵件討論組中每天都有來自世界各地的用戶對各種相關(guān)技術(shù)問題的討論，這些用戶包括學(xué)生、大學(xué)教師、軟硬件工程師、無線工程師、業(yè)余無線電愛好者，而這些人正是推動技術(shù)進(jìn)步的主力。

GNU Radio的開放特性也是其具有廣泛吸引力的重要因素，同時也是其生命力的源泉。由于代碼和技術(shù)資料完全開放，人們可以了解到其運(yùn)作的所有細(xì)節(jié)，并可自由地對其進(jìn)行修改和開發(fā)。在這種開放的氛圍之下，人們?nèi)〉玫闹R、成果可以得到充分的交流共享，更有益于創(chuàng)新。

自組織網(wǎng)絡(luò)、頻譜自由動態(tài)分配、可重配置智能終端是目前無線通信領(lǐng)域幾大熱點，不難看出，基于GNU Radio和USRP可以快速地設(shè)計出終端原型，因而在這些領(lǐng)域的研究中具有相當(dāng)?shù)臐摿?。盡管目前GNU Radio在最大頻帶寬度、PC處理能力以及軟件的易用性方面受到一定限制，但相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，G 7 Radio必將在無線領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新中扮演更加重要的角色。

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