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

1、軟件無線電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

J.Mitla在1992年首次提出了軟件無線電的概念，此后該技術(shù)一直受到業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究。與傳統(tǒng)的無線電設(shè)備相比較，在軟件無線電中，諸如信號發(fā)生、調(diào)制/?解調(diào)、信道編譯碼等信號處理過程以及協(xié)議棧皆由軟件實現(xiàn)，而不是固定電路，因此軟件無線電設(shè)備更易于重新配置，從而可靈活地進行多制式切換并適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展演進。廣義上的軟件無線電分為三類。a）將多種不同制式的設(shè)備集成在一起，?例如現(xiàn)在市場上的GSM-CDMA雙模手機。顯然，這種方式只能在預(yù)置的幾種制式下切換，要增加對新的制式的支持則意味著集成更多的電路，重配置能力十分有限。b）基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）?和數(shù)字信號處理器（DSP），這類可編程硬件，重配置的能力得到了很大提高。但是用于FPGA的VHDL、Verilog等語言以及418?的匯編語言都是針對特定廠商的產(chǎn)品，使得這種方式下的軟件過分依賴于具體的硬件，可移植性較差。此外，對廣大技術(shù)人員來說，F(xiàn)PGA和DSP開發(fā)的門檻依然較高，開發(fā)過程也相對比較繁瑣。c）針對以上兩類缺陷，第三類軟件無線電設(shè)備采用通用硬件（例如：商用服務(wù)器、普通PC以及嵌入式系統(tǒng)）作為信號處理軟件的平臺，具有以下幾方面的優(yōu)勢：純軟件的信號處理具有很大的靈活性；可采用通用的高級語言（如C/C++）進行軟件開發(fā)，擴展性和可移植性強，開發(fā)周期短；基于通用硬件的平臺，成本較低，并可享受計算機技術(shù)進步帶來的各種優(yōu)勢（如：CPU處理能力的不斷提高以及軟件技術(shù)的進步等）。

盡管基于通用硬件平臺的軟件無線電具有諸多優(yōu)點，但是目前通用硬件平臺在處理速度效率、體積和功耗以及實時性方面仍然比不上FPGA和DSP這樣的專用硬件。所以現(xiàn)在第二類軟件無線電仍然是主流，但由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，軟件無線電將越來越青睞于通用的硬件平臺。

2、GNU Radio概述

GNU Radio是由Eric Blossom發(fā)起的、完全開放的軟件無線電項目，旨在鼓勵全球技術(shù)人員在這一領(lǐng)域協(xié)作與創(chuàng)新，目前已經(jīng)具有一定的影響力。GNU（GNU’s Not Unix）本身是一個推進軟件開放源代碼的著名項目，?由FSF（Free Softwaer Foundation）支持，目前廣泛使用的GNU/Linux操作系統(tǒng)則是來源于此。GNU Radio主要基于Linux操作系統(tǒng)，也可以移植到其他操作系統(tǒng)上，采用C++結(jié)合Python腳本語言進行編程，其代碼完全開放，用戶可以在其網(wǎng)站-R.上下載和參與更新維護其代碼。利用GNU Radio提供的一套軟件，再加上一臺普通PC機和廉價的硬件前端即可開發(fā)各種軟件無線電應(yīng)用。硬件前端可以是一套專用的射頻前端或者AD/DA卡，甚至是一塊普通的聲卡。Matt Ettus為GNU Radio設(shè)計了一套射頻前端USRP（Universal Software Radio Peripheral），可在0GHz～2.9GHz載頻上提供最高可達16Mhz帶寬的信號收／發(fā)能力。

除了具有第三類軟件無線電系統(tǒng)的優(yōu)點外，GNU Radio和USRP還具有如下優(yōu)勢：

a)成本較低。軟件免費，USRP的價格大約與一臺普通PC相當(dāng)，帶寬可滿足目前多數(shù)音視頻廣播和無線通信制式的要求，支持雙工和多天線應(yīng)用。
b)技術(shù)門檻較低，具有一定編程經(jīng)驗和Linux使用經(jīng)驗的用戶可在較短時間內(nèi)掌握其配置、使用和開發(fā)。
c)獲得來自全世界眾多GNURadio擁護者以及Eric Blossom?和Matt Ettus本人的技術(shù)支持。

3、GNU Radio的軟件結(jié)構(gòu)

GNU Radio的編程基于Python腳本語言和CH?的混合方式。C++由于具有較高的執(zhí)行效率，被用于編寫各種信號處理模塊，如：濾波器、FFT變換、調(diào)制／解調(diào)器、信道編譯碼模塊等，GNU Radio中稱這種模塊為block。Python是一種新型的腳本語言，具有無須編譯、語法簡單以及完全面向?qū)ο蟮奶攸c，因此被用來編寫連接各個block成為完整的信號處理流程的腳本，GNU Radio中稱其為graph。

GNU Radio的軟件結(jié)構(gòu)頂層是面向用戶的block及其“粘合劑”—— aph。用戶除了能夠開發(fā)自己的block之外，還可使用GNU Radio所包含的豐富的block，包括各種濾波器、FFT變換、調(diào)制／解調(diào)模塊、時頻同步模塊等等，其中一些利用了CPU的增強指令集(如：MMX、SSE、3D Now!)進行了優(yōu)化，以提高性能。

在用戶用block和graph構(gòu)造的應(yīng)用程序下面是GNU Radio的運行支持環(huán)境，主要包括緩存管理、線程調(diào)度以及硬件驅(qū)動。GNU Radio中巧妙地設(shè)計了一套零拷貝循環(huán)緩存機制，保證數(shù)據(jù)在block之間高效的流動。多線程調(diào)度主要用于對信號處理流程進行控制以及各種圖形顯示，GNU Radio對此也提供了支持。GNU Radio的硬件驅(qū)動包括USRP、AD卡、聲卡等等，用戶也可根據(jù)需求進行擴充。

GNU Radio除了支持Linux的多種發(fā)行版本之外，還被移植到Mac OS X、NetBSD以及Windows等操作系統(tǒng)上，這也意味著它也支持多種類型的計算機系統(tǒng)。

4、USRP射頻前端

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。基于G1、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機連接。最高可達到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)采樣進行單收或單發(fā)，則最高可達到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)用進行介紹，以期使讀者對GNU Radio的功能有一個更直觀的認識。

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上進行解調(diào)、解碼和播放。受PC機的運算能力所限，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代碼進行改進和增強，通過為采樣數(shù)據(jù)加上時間戳，可以對采樣流進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構(gòu)可以像購買PC機一樣擁有一套能自由進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作的所有細節(jié)，并可自由地對其進行修改和開發(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。

參考文獻

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