sdr技術(shù)原理解析

　　軟件無(wú)線電（SDR）概念

　　軟件無(wú)線電，即Software Defined Radio，SDR。通俗來(lái)講，SDR就是基于通用的硬件平臺(tái)上用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種通信模塊。

　　概念中有兩個(gè)關(guān)鍵詞，“通用硬件平臺(tái)”和“軟件”?！巴ㄓ糜布脚_(tái)”就是說(shuō)我們能基于這個(gè)硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各種各樣的通信功能，而不是說(shuō)一個(gè)硬件平臺(tái)只能實(shí)現(xiàn)一種通信功能?！败浖眮?lái)實(shí)現(xiàn)通信模塊是相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)線電技術(shù)來(lái)講的，傳統(tǒng)的無(wú)線電通信模塊都是用硬件電路來(lái)設(shè)計(jì)，一個(gè)通信電路只能完成一種通信功能，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)成本高，而且一旦設(shè)計(jì)好后功能就無(wú)法改變。軟件化可以加快通信模塊的開(kāi)發(fā)速度，降低開(kāi)發(fā)成本，便于調(diào)試和維護(hù)。

　　我們可以用圖1來(lái)簡(jiǎn)單看看軟件無(wú)線電基站與傳統(tǒng)的無(wú)線電基站的區(qū)別。圖片左邊的是傳統(tǒng)的大基站，圖片右邊的是基于軟件無(wú)線電的小型化基站。傳統(tǒng)的商用基站體積較大，需要設(shè)計(jì)很多專用的硬件電路；而SDR基站體積較小，大部分通信功能由軟件實(shí)現(xiàn)。

　　圖1 商用基站與SDR基站

　　SDR技術(shù)被譽(yù)為通信領(lǐng)域的第三次革命。第一次革命是1G通信系統(tǒng)，由有線通信到無(wú)線通信的革命；第二次革命是2G通信系統(tǒng)，由模擬通信到數(shù)字通信的革命。SDR是未來(lái)通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　SDR系統(tǒng)原理

　　下面正式開(kāi)始講解SDR的系統(tǒng)原理。在上面的介紹中我們知道GPP-Based SDR系統(tǒng)一般都是包含一個(gè)GPP和一個(gè)外設(shè)。我們以一臺(tái)筆記本電腦連接一個(gè)USRP B200為例來(lái)給大家講解SDR系統(tǒng)內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)原理。

　　.1 發(fā)射機(jī)

　　首先我們來(lái)看發(fā)射端的系統(tǒng)原理圖，即圖7。圖的左邊是一臺(tái)筆記本的示意圖，右邊的一個(gè)USRP B200的發(fā)射示意圖。

　　首先看筆記本結(jié)構(gòu)最上面的SDR程序。這個(gè)程序就是我們用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的通信模塊，在筆記本上我們可以用各種高級(jí)編程語(yǔ)言來(lái)編寫各種通信模塊，例如Turbo編碼模塊，OFDM模塊等。鑒于SDR系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，所以我們一般使用C或C++語(yǔ)言來(lái)編寫SDR程序。SDR程序里面包含了通信系統(tǒng)完整的協(xié)議棧，如果我們寫的是LTE系統(tǒng)，則包含PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC、NAS甚至MME等；而如果我們的是WiFi系統(tǒng)，則包含PHY、MAC、LLC等。SDR程序的主要功能是處理系統(tǒng)的基帶數(shù)據(jù)。

　　接下來(lái)UHD是USRP設(shè)備的驅(qū)動(dòng)模塊，不同的外設(shè)使用的驅(qū)動(dòng)也不一樣，因?yàn)槲覀兪且訳SRPB200為例，所以驅(qū)動(dòng)模塊是UHD。UHD驅(qū)動(dòng)的安裝方式可以參見(jiàn)使用C或者C++調(diào)用UHD的庫(kù)函數(shù)。

　　接下來(lái)是系統(tǒng)的各種系統(tǒng)庫(kù)和系統(tǒng)調(diào)用的接口以及內(nèi)核。強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，大部分SDR程序都是基于Linux來(lái)開(kāi)發(fā)的，很少基于Windows開(kāi)發(fā)。因?yàn)長(zhǎng)inux系統(tǒng)開(kāi)源，而且實(shí)時(shí)性較好。這一塊主要涉及操作系統(tǒng)方面的知識(shí)，我們不在這里深入討論。

　　USRP B200與GPP的接口是USB3.0。外設(shè)接口的選擇也很重要，接口的傳輸速率必須快，不能成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。USRP早期的產(chǎn)品的都是用的USB2.0接口，因?yàn)楫?dāng)時(shí)通信系統(tǒng)的吞吐量較小，所以不會(huì)限制使用?，F(xiàn)在大部分外設(shè)都是用USB3.0或者以太網(wǎng)網(wǎng)口作為外設(shè)接口。USB3.0的接口速度可以達(dá)到500MBps，基本能滿足大部分通信系統(tǒng)的需求。

　　接著筆記本電腦通過(guò)USB3.0把數(shù)據(jù)傳輸給USRP B200。USRP最底下的兩個(gè)模塊是發(fā)送控制模塊和數(shù)字上變頻模塊（DUC）。這兩個(gè)模塊是用FPGA里面實(shí)現(xiàn)的，用FPGA實(shí)現(xiàn)的好處是處理速度快。發(fā)送控制模塊好理解就是用來(lái)控制整個(gè)USRP的發(fā)送行為，例如什么時(shí)候發(fā)送等。DUC模塊是為了把電腦產(chǎn)生的基帶數(shù)據(jù)上變頻到中頻。之后數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)USRP的DAC之后轉(zhuǎn)化為模擬域的數(shù)據(jù)，數(shù)模轉(zhuǎn)化之后需要過(guò)一個(gè)低通濾波器使信號(hào)變的更加平滑。最后中頻的模擬域數(shù)據(jù)在于晶振產(chǎn)生的信號(hào)相乘把我們的中頻信號(hào)調(diào)制到制定的射頻頻點(diǎn)上。

　　最后射頻信號(hào)再經(jīng)過(guò)功率放大器把信號(hào)發(fā)射出去。信號(hào)放大器里面也有很多知識(shí)可以學(xué)習(xí)。例如信號(hào)放大器分為A類，B類和C類等，具體每一類的特征本文就不具體解釋了。我們可以通過(guò)UHD提供的庫(kù)函數(shù)來(lái)修改發(fā)射信號(hào)的發(fā)射增益，即tx_gain。tx_gain這個(gè)參數(shù)對(duì)信號(hào)的影響還是挺大的，tx_gain設(shè)置的太小導(dǎo)致信號(hào)功率太小，而如果設(shè)置的過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的低噪上升，也有可能會(huì)影響其他通信系統(tǒng)的正常工作。

　　圖2 SDR發(fā)射機(jī)原理圖

　　2 接收機(jī)

　　可能有人會(huì)問(wèn)為什么要經(jīng)過(guò)兩次變頻。我們以SDR接收機(jī)給大家講解。如圖8所示是SDR接收機(jī)的原理圖。同樣的，左邊是筆記本的示意圖，與發(fā)射機(jī)的一樣；右邊是USRP的接收示意圖，USRP接收示意圖與發(fā)射示意圖稍有不同。

　　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(guò)大。

　　信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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。

　　同樣地信號(hào)經(jīng)過(guò)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(lái)控制整個(gè)USRP系統(tǒng)的接收流程，例如什么時(shí)候開(kāi)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3 SDR接收機(jī)原理圖

　　為什么要經(jīng)過(guò)兩次下變頻呢？如圖9所示，第一次變頻是在模擬域通過(guò)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(wèn)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4 下變頻原理示意圖

　　數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)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。