我從何處入手？

哪一款通用軟件無線電外設(shè)（USRP）適合我？

我應(yīng)該使用哪種軟件開發(fā)工具？

本技術(shù)白皮書介紹了各種USRP型號(hào)之間的主要差異，可以幫助您選擇合適的無線電。

軟件無線電簡介

軟件無線電是一種無線設(shè)備，通常用于無線研究的原型驗(yàn)證和部署應(yīng)用程序。SDR通常用于通信、新一代雷達(dá)、電子戰(zhàn)（EW）、空口（OTA）測試和5G研究等領(lǐng)域。大部分SDR具有通用的硬件架構(gòu)，其中包括不同性能的通用處理器（GPP）、FPGA以及RF前端。

圖1.SDR的標(biāo)準(zhǔn)硬件架構(gòu)

針對主機(jī)應(yīng)用程序代碼開發(fā)，工程師使用以下常見工具：

LabVIEW

使用開源硬件驅(qū)動(dòng)程序的C/C++或Python

Redhawk或GNU Radio等開源SDR框架

MathWorks MATLAB?軟件

軟件開發(fā)工具和操作系統(tǒng)可以幫助確定哪一款無線電最適合您的應(yīng)用程序。

許多應(yīng)用程序需要使用FPGA設(shè)備進(jìn)行信號(hào)處理硬件加速。多款USRP具備這項(xiàng)功能，它們均提供了眾多FPGA開發(fā)選項(xiàng)，稍后將更詳細(xì)地介紹這一點(diǎn)。

圖2概述了USRP上可用的軟件和FPGA開發(fā)的通用工具流程。

圖2：SDR的軟件和FPGA選項(xiàng)

NI和Ettus Research USRP產(chǎn)品是一系列軟件無線電，旨在滿足廣泛的無線原型驗(yàn)證和部署需求。讓我們來了解各種硬件和軟件的注意事項(xiàng)，以幫助您選擇合適的無線電。

硬件選項(xiàng)

在為您的應(yīng)用程序挑選合適的USRP設(shè)備時(shí)，最好先問自己一些與信號(hào)參數(shù)、大小、重量、功率、成本（SWaP-C）、性能和環(huán)境應(yīng)用要求相關(guān)的問題。問題1：我需要多大的中心頻率和帶寬？

這個(gè)問題很容易回答，但下一個(gè)問題就復(fù)雜多了：我打算如何將信號(hào)數(shù)據(jù)移至設(shè)備上，或?qū)⑵湟瞥鲈O(shè)備？

為此，我們需要關(guān)注數(shù)據(jù)接口的重要性。例如，USRP-290x型號(hào)通過USB連接到主機(jī)，并且受到該接口的最大持續(xù)帶寬的限制；而NI Ettus USRP X410配備兩個(gè)雙路100 GbE接口，可傳輸更多的數(shù)據(jù)。

想要了解有關(guān)USRP接口帶寬注意事項(xiàng)的更多內(nèi)容，請查閱Ettus Research知識(shí)庫上USRP帶寬和采樣率。

大多數(shù)USRP設(shè)備的最高頻率可達(dá)6 GHz，部分設(shè)備更高；但是NI Ettus USRP X410可在7 GHz頻帶內(nèi)運(yùn)行。在低頻端，部分無線電的頻率可低至75 MHz，有些甚至可低至直流頻率，具體情況取決于使用的模擬芯片組。查看圖15可了解每個(gè)型號(hào)的細(xì)分情況。

價(jià)格和性能的權(quán)衡

在選擇USRP設(shè)備時(shí)需要權(quán)衡利弊，特別是要權(quán)衡價(jià)格和性能。 如果您需要高性價(jià)比的無線電，并且沒有高級(jí)FPGA或高帶寬方面的需求，那么NI USRP 290x或Ettus Research B200mini都是不錯(cuò)的選擇。如果您需要最高的帶寬，高達(dá)7.2 GHz的頻率，NI Ettus USRP X410可能是最合適的選擇。 介于這兩款例舉的型號(hào)之間還有很多選擇。 下面的圖15介紹了所有型號(hào)的細(xì)分情況。

獨(dú)立的或已連接主機(jī)的SDR選項(xiàng)

USRP被視為是一種計(jì)算機(jī)外設(shè)，可將軟件與電磁頻譜相連。自第一個(gè)USRP問世以后，應(yīng)用一直在發(fā)展，許多應(yīng)用需要板載嵌入式處理器。如果您應(yīng)用中的SDR分布在集中式控制系統(tǒng)之外或單獨(dú)部署，則您可能需要此獨(dú)立配置。如果獨(dú)立配置是必要的，則您需要決定Xilinx Zynq多處理器片上系統(tǒng)（MPSOC）或射頻片上系統(tǒng)（RFSOC）是否足夠，或者您是否需要強(qiáng)大的板載Intel X86處理器。圖1介紹了各種型號(hào)及其板載處理器的細(xì)分情況，可參考USRP規(guī)格文檔了解更多信息。

表1：搭載板載處理器的可獨(dú)立式USRP型號(hào)

有加固需求的嚴(yán)苛環(huán)境

盡管許多USRP用于實(shí)驗(yàn)室，但一些應(yīng)用需要在戶外或更嚴(yán)苛的環(huán)境下操作。如果您的應(yīng)用需要在更高的操作溫度下運(yùn)行，或者無法依靠氣冷系統(tǒng)，您可以考慮為應(yīng)用使用Ettus Research品牌的嵌入式系列。此外，在Ettus Research品牌下，可以選擇配置USRP B205mini來適應(yīng)更高的溫度范圍，并使用工業(yè)級(jí)鋁制外殼組件，以實(shí)現(xiàn)低SWaP運(yùn)行。

多通道同步

許多應(yīng)用需要具有不同同步級(jí)別的多輸入多輸出（MIMO）配置。一些MIMO系統(tǒng)只需要共享時(shí)鐘來用于ADC和DAC；而其他系統(tǒng)則需要每個(gè)通道被鎖定到一個(gè)通用時(shí)鐘和本地振蕩器以實(shí)現(xiàn)全相位相干運(yùn)行。

常見的MIMO應(yīng)用適用于使用空間多路復(fù)用的通信。因?yàn)檫@只需要時(shí)鐘同步，大多數(shù)USRP有一個(gè)外部的10 MHz參考時(shí)鐘就足夠了。 有一款這樣的系統(tǒng)是由布里斯托大學(xué)和隆德大學(xué)合作打造的，他們使用基于SDR的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)打破了無線頻譜效率的世界紀(jì)錄。 在此應(yīng)用中使用的大規(guī)模MIMO原型驗(yàn)證系統(tǒng)是由使用板載FPGA的NI USRP軟件無線電設(shè)備組成的。

當(dāng)需要全相位相干運(yùn)行時(shí)，您有兩種可以考慮的選擇。如果您需要最多四個(gè)通道的僅接收操作，具有兩個(gè)TwinRx子板的Ettus Research USRP X310可以設(shè)置為共享LO并以相位相干的方式運(yùn)行。如果需要超過四個(gè)通道，則可以考慮一下圖7中所示的Ettus Research USRP N320和N321。USRP N321配備了內(nèi)置LO分布硬件，允許最高128 x 128相位相干運(yùn)行：圖8顯示了一個(gè)32 x 32配置示例。

圖8：USRP N320和N321多通道相位相干系統(tǒng)

分布式多無線電同步

在一些應(yīng)用中，無線電需要同步，但它們并不位于一處。在這些情況下，全相位相干運(yùn)行是一項(xiàng)挑戰(zhàn)；但是有了GPS馴服的振蕩器（GPSDO），可以通過基于GPS的同步獲取頻率和相位穩(wěn)定性。許多USRP型號(hào)出廠配備GPSDO。要了解更多信息，可查閱“利用NI USRP-293x軟件無線電實(shí)現(xiàn)全局同步和時(shí)鐘馴服。”

內(nèi)嵌信號(hào)處理和FPGA注意事項(xiàng)

有些應(yīng)用的處理要求最適合板載FPGA。這些應(yīng)用通常有寬信號(hào)帶寬或低/確定性延時(shí)需求。在這種情況下，挑選能夠?qū)PGA進(jìn)行編程的無線電很重要。許多USB和更低成本的USRP型號(hào)，如USRP B200mini或N210，都是用更小的FPGA設(shè)備構(gòu)建的，因此沒有空間添加用戶代碼。許多更高端的無線電配備了Kintex 7類設(shè)備，一直到基于Xilinx Zynq Ultrascale+ RFSOC的最先進(jìn)的NI Ettus USRP X410?；赬ilinx Zynq構(gòu)建的設(shè)備包含了更多內(nèi)核數(shù)，例如板載SD-FEC、多臂處理器以及內(nèi)置ADC和DAC。

表2： 啟用FPGA的USRP的比較

軟件選項(xiàng)

可編程性是SDR的主要特征，它能讓人利用無線電外設(shè)，并將其變?yōu)橐粋€(gè)先進(jìn)的無線系統(tǒng)。USRP是市面上最開放和最通用的SDR，可幫助工程師使用各種軟件開發(fā)工具基于主機(jī)和FPGA構(gòu)建系統(tǒng)。

主機(jī)編程注意事項(xiàng)

如上面圖2所示，有多種選項(xiàng)可以為基于SDR的系統(tǒng)的主機(jī)編程。

使用安裝了NI-USRP驅(qū)動(dòng)程序的LabVIEW進(jìn)行編程

LabVIEW是圖形化的數(shù)據(jù)流編程環(huán)境，非常適合用于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)通信算法。在最基本的層級(jí)上，LabVIEW使用NI-USRP驅(qū)動(dòng)程序來指定USRP硬件配置和收發(fā)正確格式化的基帶I/Q數(shù)據(jù)，為主機(jī)端信號(hào)處理做好準(zhǔn)備。

如果LabVIEW是您首選的開發(fā)環(huán)境，值得注意的是，盡管它確實(shí)提供一些基于Linux的操作系統(tǒng)支持，但它主要是一個(gè)基于Microsoft Windows的工具。此外，一些Ettus Research品牌的USRP型號(hào)和配置可能不受支持；可以參見下面的圖15。

圖11： 具有NI-USRP驅(qū)動(dòng)程序API的LabVIEW屏幕的結(jié)構(gòu)框圖

使用開源工作流編程：USRP硬件驅(qū)動(dòng)程序（UHD）和GNU Radio

許多SDR用戶更喜歡使用基于C/C++和Python構(gòu)建的基于文本的開源工具流來為USRP硬件編程。所有NI和Ettus Research USRP型號(hào)均支持USRP硬件驅(qū)動(dòng)程序（UHD），可輕松集成到開源社區(qū)開發(fā)的工具中，如GNU Radio。

GNU Radio是專為SDR開發(fā)人員打造的開源工具。雖然USRP不是GNU Radio支持的唯一無線電，但它是最受歡迎且經(jīng)過測試的。要了解更多關(guān)于GNU Radio的信息，請?jiān)L問gnuradio.org，要查看所有現(xiàn)有社區(qū)共享的GNU Radio的IP，請?jiān)L問cgran.org。

圖12：GNU Radio配套流程圖

使用MATLAB編程

如果MATLAB是您首選的編程工具，則MathWorks Communications Toolbox?可支持多個(gè)USRP型號(hào)。支持的型號(hào)包括B200、B200mini、X300、N200和N300系列。另外，工程師可以使用MATLAB腳本節(jié)點(diǎn)將MATLAB代碼直接嵌入LabVIEW中。

FPGA編程注意事項(xiàng)

許多USRP都配備了大型FPGA，有足夠的空閑容量，允許用戶嵌入特定于其應(yīng)用程序的內(nèi)聯(lián)信號(hào)處理。如硬件部分所述，一些USRP配備了Xilinx Zynq SOC設(shè)備，一些則配備了傳統(tǒng)的FPGA架構(gòu)，如Kintex 7。可以通過兩種方法訪問USRP上的FPGA：LabVIEW FPGA和片上射頻網(wǎng)絡(luò)（RFNoC）框架。

與許多FPGA開發(fā)板或COTS FPGA板不同，USRP基于通用FPGA框架構(gòu)建，提供更高級(jí)的抽象能力。這消除了從基本FPGA板支持包構(gòu)建基于FPGA的系統(tǒng)時(shí)遇到的一些復(fù)雜性。

LabVIEW FPGA

LabVIEW FPGA是LabVIEW的附加擴(kuò)展模塊，支持在NI USRP RIO設(shè)備上為FPGA進(jìn)行圖形化編程。 雖然必須熟悉FPGA的概念，如定點(diǎn)數(shù)學(xué)和時(shí)鐘邏輯，但LabVIEW不僅可將硬件和數(shù)據(jù)接口抽象化，還可簡化寄存器配置和數(shù)據(jù)移動(dòng)。LabVIEW FPGA的優(yōu)勢是能夠使用統(tǒng)一開發(fā)工具鏈同時(shí)為主機(jī)和FPGA編程。

是否有想要利用的舊版IP？LabVIEW FPGA可以通過組件級(jí)IP（CLIP）節(jié)點(diǎn)導(dǎo)入外部VHDL或Verilog，允許導(dǎo)入非LabVIEW IP。此外，LabVIEW允許Xilinx Vivado項(xiàng)目導(dǎo)出，供專家用戶直接在Vivado工具內(nèi)使用。

如果LabVIEW FPGA是您選擇用于主機(jī)編程的工具，請注意，它僅限于在基于Windows的操作系統(tǒng)中使用。 許多Ettus Research設(shè)備在LabVIEW或LabVIEW FPGA下不受支持，例如USRP N300和USRP E300系列。請查看下方的圖15了解完整列表。

圖13：簡單的LabVIEW FPGA結(jié)構(gòu)框圖

片上射頻網(wǎng)絡(luò)（RFNoC）框架

對于開源USRP用戶而言，首選的FPGA編程方法是使用RFNoC框架。 LabVIEW FPGA等RFNoC是一種數(shù)據(jù)接口兼命令抽象框架，可簡化將IP添加到USRP中的流程，而無需從頭重新構(gòu)建整個(gè)FPGA板支持包。顧名思義，數(shù)據(jù)作為壓縮報(bào)頭網(wǎng)絡(luò)包從無線電流經(jīng)FPGA。RFNoC框架的核心是一個(gè)交叉開關(guān)矩陣接口，讓用戶只需將新IP導(dǎo)入交叉開關(guān)矩陣，即可將數(shù)據(jù)路由到其他IP塊或讓數(shù)據(jù)傳入傳出主機(jī)。網(wǎng)絡(luò)交叉開關(guān)矩陣設(shè)計(jì)降低了將數(shù)據(jù)和命令傳入傳出主機(jī)的復(fù)雜性。

如果您偏愛使用Vivado和RFNoC來為USRP的FPGA編程，請考慮為您的應(yīng)用使用USRP X300、USRP E300、USRP N300以及NI Ettus USRP X410系列。

圖14： 與GNU Radio集成的RFNoC概念結(jié)構(gòu)框圖

圖15：NI和Ettus Research USRP型號(hào)矩陣

結(jié)論

SDR是強(qiáng)大的無線研究、設(shè)計(jì)、原型驗(yàn)證和開發(fā)工具。由于存在許多選項(xiàng)，為應(yīng)用挑選合適的無線電需要考慮很多因素。然而，只要仔細(xì)評估本技術(shù)白皮書中列出的各種軟件和硬件因素，您一定能使用市場上最流行的開放式SDR。

審核編輯：郭婷