Skydel如何使用USRP完成GNSS信號(hào)仿真

作者介紹

一、Skydel與NI USRP

軟件定義架構(gòu)（Software Defined Architecture）是一種新型的架構(gòu)模式，它是一種基于軟件的架構(gòu)，通過軟件來定義系統(tǒng)的功能，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和能量效率。軟件定義架構(gòu)可以將硬件資源抽象化，從而使得應(yīng)用程序可以更好地利用硬件資源，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。

Skydel GNSS仿真引擎是創(chuàng)新型的軟件定義GNSS模擬仿真引擎，它利用PC的GPU的計(jì)算能力并借助Nvidia GPU極快的數(shù)學(xué)計(jì)算能力處理星座、頻率與軌跡信息，并生成IQ信號(hào)，使用SDR進(jìn)行IQ信號(hào)的處理與RF信號(hào)的輸出兼具兩全其美的優(yōu)勢(shì)：頂級(jí)GNSS模擬器獲得的高端性能，以及使用其GNSS軟件架構(gòu)的硬件所帶來的規(guī)模經(jīng)濟(jì)性和靈活性。

NI（National Instruments，美國國家儀器公司）是一家總部位于美國的跨國公司，成立于1976年，專注于測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化領(lǐng)域的產(chǎn)品和服務(wù)，是測(cè)試測(cè)量行業(yè)的世界級(jí)龍頭企業(yè)。

NI的核心產(chǎn)品之一USRP（Universal Software Radio Peripheral，通用軟件無線電外設(shè)）系列，是一套開源的軟件定義無線電（SDR）設(shè)備。USRP允許研究人員、工程師和愛好者通過軟件編程來定義和重新定義無線電的通信協(xié)議，而無需更改硬件。這使得USRP非常適合于無線通信研究、原型設(shè)計(jì)、教育和業(yè)余無線電活動(dòng)。

Ettus Research是USRP（Universal Software Radio Peripheral）產(chǎn)品的原始開發(fā)商，這是一家專注于軟件定義無線電（SDR）技術(shù)的公司。2010年，Ettus Research被National Instruments（NI）收購。這次收購使得NI能夠擴(kuò)大其在無線通信和軟件定義無線電領(lǐng)域的影響力。

Skydel允許用戶使用NI USRP294xR/295xR系列以及同級(jí)別的Ettus Reserch的X300/X310/N310系列進(jìn)行GNSS信號(hào)的仿真模擬，為各個(gè)行業(yè)的技術(shù)工程師帶來直觀、高效的GNSS仿真與測(cè)試方法。

二、硬件部署

Skydel可以在NI USRP-294xR/USRP-295xR部署環(huán)境下實(shí)現(xiàn)單一場(chǎng)景與多場(chǎng)景的仿真。

使用一個(gè)USRP

在使用一個(gè)USRP的情況下，允許仿真單個(gè)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)單頻雙頻GNSS信號(hào)輸出。

使用USRP時(shí)，需要Skydel所在的計(jì)算機(jī)具有10GbE網(wǎng)卡，并使用10 GbE SFP光纜與SDR端口1連接，推薦的萬兆網(wǎng)卡有：

● Intel X710-BM2

● Intel E810XXV-AM2

● Intel XXV710-AM2

● Intel E81oXXV-DA2

● Intel XXV710-DA2

注意：一個(gè) Skydel 實(shí)例只能與一個(gè)USRP通信，兩個(gè)Skydel實(shí)例無法與一個(gè)USRP同時(shí)通信。

使用多個(gè)USRP

在使用一個(gè)USRP的情況下，允許仿真復(fù)數(shù)個(gè)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)單頻雙頻GNSS信號(hào)輸出或反正一個(gè)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)三頻GNSS信號(hào)輸出。

與之前相同，使用USRP時(shí)，需要Skydel所在的計(jì)算機(jī)具有10GbE網(wǎng)卡，并使用10 GbE SFP光纜與SDR端口1連接。

為了執(zhí)行準(zhǔn)確的GNSS模擬，SDR需要精確的參考時(shí)鐘，每個(gè) SDR都需要共享相同的10MHz參考時(shí)鐘并具有共同的每秒脈沖 (PPS) 信號(hào)才能同步。

需要注意的是，USRP本身具有80dB的增益，因此在使用線纜連接GNSS接收機(jī)時(shí)，一定要使用足夠的衰減與隔直器以確保兩端設(shè)備的安全使用。

三、軟件部署

-固件安裝

Skydel要正常使用，需要為USRP安裝非常特定版本的FPGA映像，在首次將Skydel用于您的設(shè)備之前，您必須將此特定映像刻錄到您的設(shè)備中。我們提供了簡單可用的UHD驅(qū)動(dòng)包（windows/Linux），直接安裝應(yīng)用即可，詳細(xì)的固件安裝方法請(qǐng)查閱Skydel使用手冊(cè)。

為什么Safran Skydel需要這個(gè)特定版本呢?——GNSS信號(hào)模擬有一個(gè)非常重要的要求：RF信號(hào)傳輸絕不能中斷。缺少單個(gè) I/Q樣本會(huì)將誤差引入載波相位，從而使整個(gè)模擬對(duì)于GNSS 接收器測(cè)試來說太不精確。為了實(shí)現(xiàn)不間斷的RF信號(hào)，SDR 必須具有I/Q樣本緩沖區(qū)。緩沖區(qū)必須足夠大，以減輕軟件和SDR之間I/Q樣本傳輸?shù)闹袛?。為了確保I/Q樣本流穩(wěn)定，這個(gè)特殊的FPGA映像使用板載DDR RAM作為流緩沖區(qū)；這種 FPGA映像稱為“HG”映像。

-軟件配置

本文將會(huì)介紹在WINDOW環(huán)境下如何快速實(shí)現(xiàn)NI USRP的部署并使用Skydel進(jìn)行GNSS仿真，Ubuntu下的部署請(qǐng)咨詢我們的相關(guān)技術(shù)工程師。

Skydel 支持以下 Microsoft Windows 版本：

● Windows 10 家庭版/專業(yè)版

● Windows 11 家庭版/專業(yè)版

-BIOS設(shè)置

我們強(qiáng)烈建議您在BIOS中修改以下設(shè)置：

● 禁用Intel SpeedStep；

● 禁用Intel Turbo Boost。

需要禁用這些設(shè)置才能強(qiáng)制CPU始終以相同頻率運(yùn)行。否則，當(dāng)CPU頻率變化時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)與SDR之間的通信鏈接不穩(wěn)定。這反過來可能會(huì)導(dǎo)致GNSS信號(hào)傳輸中斷。

-windows系統(tǒng)設(shè)置

① 電源計(jì)劃

● 打開控制面板、電源選項(xiàng)，然后單擊“選擇電源計(jì)劃”。

● 選擇“高性能”電源計(jì)劃。

● 點(diǎn)擊“更改計(jì)劃設(shè)置”，將所有時(shí)間設(shè)置為“從不”。

說明：在GNSS模擬期間始終保持顯示器打開。Windows能夠檢測(cè)顯示器是打開還是關(guān)閉，當(dāng)顯示器關(guān)閉時(shí)，Windows可能會(huì)降低GPU的性能，從而導(dǎo)致模擬錯(cuò)誤（例如，流緩沖區(qū)不足）。

② 注冊(cè)表項(xiàng)：FastSendDatagramThreshold

僅在使用Ettus或NI SDR時(shí)需要設(shè)置。使用regedit工具打開Windows注冊(cè)表：

●在HKEY_LOCAL_MACHINESystemCurrentControlSet ServicesAFDParameters下添加或修改DWORD注冊(cè)表項(xiàng) FastSendDatagramThreshold；

● 確保該值為9000（十進(jìn)制）；

● 重新啟動(dòng)PC使之生效。

③ 通知

GNSS 模擬期間，強(qiáng)烈建議關(guān)閉所有 Windows 通知以避免中斷。為此，請(qǐng)打開通知與操作，然后禁用通知。

-Nvidia GPU驅(qū)動(dòng)程序

安裝的Nvidia顯卡驅(qū)動(dòng)程序必須支持CUDA Runtime API 11.8.0或更高版本。確保您的計(jì)算機(jī)使用的是最新的WHQL認(rèn)證的Nvidia GPU驅(qū)動(dòng)程序（520.06或更高版本）。您可以在 Nvidia網(wǎng)站下載最新版本。

-網(wǎng)卡設(shè)置

① 驅(qū)動(dòng)程序

僅在使用Ettus或NI SDR時(shí)需要設(shè)置，從英特爾網(wǎng)站下載并安裝最新版本。

② 巨幀數(shù)據(jù)包

打開控制面板、網(wǎng)絡(luò)和共享中心，然后更改適配器設(shè)置。右鍵單擊連接到 SDR 的適配器并選擇屬性。單擊配置，然后在高級(jí)選項(xiàng)卡中查找“巨幀數(shù)據(jù)包”：

● 啟用巨幀數(shù)據(jù)包，并將大小設(shè)置為最大值。

● 在高級(jí)選項(xiàng)中，將傳輸緩沖區(qū)設(shè)置為最大值 (16384)

③ 靜態(tài) IP 地址

打開控制面板、網(wǎng)絡(luò)和共享中心、更改適配器設(shè)置。右鍵單擊連接到 SDR 的適配器并選擇屬性。雙擊 Internet 協(xié)議版本 4 (TCP/IPv4)：

● 選擇單選按鈕“使用以下 IP 地址”；

● IP地址：192.168.40.1

● 子網(wǎng)掩碼：255.255.255.0

四、硬件連接

1. 軟件配置完成后，關(guān)閉計(jì)算機(jī)，NI USRP連接電源

2. 黃色光纖連接到兩臺(tái)設(shè)備，聽到“咔噠”一聲就說明連接好了。如果需要拔出，拉住光纖頭的塑料手柄平行拔除即可。

a. USRP插“1”端口，PC插入對(duì)應(yīng)設(shè)置靜態(tài)IP為“192.168.40.1”的SFP端口。

b. 拔出塑料把手如圖

3. 連接好之后，在命令行輸入“ping 192.168.40.2”。如果沒有ping通，嘗試檢查硬件后重啟電腦。

五、啟動(dòng)Skydel

至此，您可以正常打開Skydel，并選擇對(duì)應(yīng)的SDR開始您的仿真。

打開Skydel，如果需要直接使用，可打開例程“usrp-testing.sdx”(usrp-testing.sdx)，即可進(jìn)行Skydel GUI的測(cè)試，如需要API控制，也需要打開Skydel。

警告：

一定要加隔直器單元，否則反向電流會(huì)打壞USRP！

一定要加衰減器，否則過大功率會(huì)損壞待測(cè)件！

審核編輯 黃宇