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[经验] 介绍SDR的技术原理 以SDR LTE体系为例进一步解析SDR体系的工作流程

前天 16:47  153 SDR
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本文档通俗地介绍SDR的技术原理:先简略介绍SDR的概念,SDR体系的分类,基于GPP的SDR体系,接着详细介绍SDR体系原理,末了再以SDR LTE体系为例进一步解析SDR体系的工作流程。
一、软件无线电(SDR)概念
软件无线电,即Software Defined Radio,SDR。通俗来讲,SDR便是基于通用的硬件平台上用软件来实现各种通讯模块。
概念中有两个关键词,“通用硬件平台”和“软件”。“通用硬件平台”便是说咱咱咱们能基于这个硬件平台实现各种各样的通讯功效,而不是说一个硬件平台只能实现一种通讯功效。“软件”来实现通讯模块是相对付传统的无线电技术来讲的,传统的无线电通讯模块都是用硬件电路来计划,一个通讯电路只能实现一种通讯功效,开拓周期长,开拓本钱高,而且一旦计划好后功效就无法改变。软件化可以或许或许加快通讯模块的开拓速率,低落开拓本钱,便于调试和掩护。
咱咱咱们可以或许或许用图1来简略看看软件无线电基站与传统的无线电基站的差别。图片左边的是传统的大基站,图片右边的是基于软件无线电的小型化基站。传统的商用基站体积较大,必要计划很多公用的硬件电路;而SDR基站体积较小,大部分通讯功效由软件实现。

图1:商用基站与SDR基站
SDR技术被誉为通讯领域的第三次反动。第一次反动是1G通讯体系,由有线通讯到无线通讯的反动;第二次反动是2G通讯体系,由模拟通讯到数字通讯的反动。SDR是未来通讯体系的睁开趋向。
二、SDR体系分类
比较通用的SDR体系分类因此SDR的硬件平台来分类。SDR体系分为三类:基于FPGA的SDR体系,基于DSP的是SDR体系和基于GPP的SDR体系。
2.1、FPGA-BasedSDR体系
基于FPGA平台开拓的SDR体系,实时处理能力强,但是开拓难度大,开拓本钱也高。这里夸大一下在SDR体系中对实时处理能力请求很高,咱咱咱们以LTE体系为例,LTE体系的子帧长1ms,也便是说咱咱咱们的SDR体系必需在1ms内把这一子帧的数据全体处理完并发送出去,不能有任什么时候延。通讯体系带宽越大,吞吐率越高,对体系的实时性请求就越高。
2.2、DSP-BasedSDR体系
基于DSP平台开拓的SDR体系,实时性比FPGA略差,而且同样的开拓难度大,开拓本钱也高。
2.3、GPP-BasedSDR体系
GPP即General Purpose Processor,通用处理器。咱咱咱们可以或许或许简略的把GPP懂得为电脑,即咱咱咱们应用的台式机、笔记本等。基于GPP能高效地开拓各种通讯模块、通讯体系,因为咱咱咱们可以或许或许很便利的基于各种高级编程语言、各种链接库来实现各种通讯功效,如编码、调制等。而且,基于GPP的SDR体系开拓相比其余两种具有较低的开拓门坎,较低的开拓本钱,开拓周期也较短、便于调试等。GPP-Based SDR体系是目前最为通用的一种SDR体系实现情势。
GPP-based SDR体系通常包含两部分,一部分是GPP,另外一部分是外设。下一个章节咱咱咱们将介绍SDR外设的种类。
三、SDR体系外设
如图2所示,SDR基站/UE都各自包含一个GPP和一个外设。GPP即咱咱咱们平常所用的台式机或笔记本电脑。SDR的外设有很多种类,如USRP,bladeRF,HackRF,和低端的RTLSDR等。下面咱咱咱们分离介绍各种外设的相干信息。

图2:SDR通讯体系
3.1、USRP
USRP是Ettus公司的产品,目前重要有B系列,E系列,N系列和X系列等,基本上系列字母越靠后价钱越贵。因为USRP型号太多,咱咱咱们以B系列为例来介绍USRP。B系列主打小型化,目前有USRP B200/B210、USRP mini系列等,此中mini系列更是只要一张咭片大小。而且B系列都采纳USB3.0接口与GPP通讯,间接采纳USB供电,应用非常便捷。USRP B系列的产品大部分单价都在7000-8000块之间,但是如果加上税钱、运费等,差不多就得10000块了。USRP相干产品的介绍请链接官网https://www.ettus.com/product

图3:USRP设备
3.2、BladeRF
BladeRF重要有三种型号,BladeRF X40,BladeRF X115,BladeRF X115 Thermal。BladeRF X40 是低配版,便是咱咱咱们手机里面的青春版,大概约$420,即3000块阁下;BladeRF X115是高配版,FPGA比BladeRF X40好,价钱约$650,即4500块阁下;而BladeRF X115 Thermal则是顶配版,可以或许或许耐受极端环境,价钱约$1500,即10000块阁下。BladeRF的详细信息请查阅官网  http://www.nuand.com/

图4:BladeRF设备
3.3、HackRF
HackRF,顾名思义是黑客版的SDR外设,它主打性价比高,价钱便宜。HackRF重要有两种版本,HackRF blue和HackRF one,此中HackRF blue是低配版,HackRF是高配版。注意的是HackRF只能支撑半双工。HackRF详细的信息请查阅官网http://greatscottgadgets.com/hackrf/

图5:HackRF设备
在外洋网站上找到一篇介绍上述SDR外设的差别的博客,http://www.taylorkillian.com/201 ... laderf-vs-usrp.html 。有空我给大家翻译翻译。如今先给大家预览一下里面的一个表格。

3.4、RTLSDR
如果说上述设备对门生党来说都太贵了,毕竟动不动就好几千块钱,那么不得不隆重介绍下入门级的SDR外设,RTLSDR。淘宝一搜RTLSDR就能进去一大堆,而且都只必要几十块钱,博主目前就买了一个,正在研究怎么应用。便宜就意味着机能的低,RTLSDR本来是用来接收电视信号的,所以也称为电视棒。RTLSDR只能接收信号,不能发射信号,而且只要2.8M/s的采样速率,根据奈奎斯特采样定律换算一下实践上最大支撑的带宽只要1.4M。但这仍然是一款非常得当用来入门的SDR外设。RTLSDR详细应用办法参见http://sdr.osmocom.org/trac/wiki/rtl-sdrhttp://www.rtl-sdr.com/

图6:RTLSDR设备
四、SDR体系原理
下面正式开端讲解SDR的体系原理。在上面的介绍中咱咱咱们知道GPP-Based SDR系同一样平常都是包含一个GPP和一个外设。咱咱咱们以一台笔记本电脑衔接一个USRP B200为例来给大家讲解SDR体系内部的实现原理。
4.1、发射机
首先咱咱咱们来看发射端的体系原理图,即图7。图的左边是一台笔记本的示用意,右边的一个USRP B200的发射示用意。
首先看笔记本布局最上面的SDR程序。这个程序便是咱咱咱们用软件来实现的通讯模块,在笔记本上咱咱咱们可以或许或许用各种高级编程语言来编写各种通讯模块,例如Turbo编码模块,OFDM模块等。鉴于SDR体系对实时性请求较高,所以咱咱咱们一样平常应用C或C++语言来编写SDR程序。SDR程序里面包含了通讯体系完备的协定栈,如果咱咱咱们写的是LTE体系,则包含PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC、NAS甚至MME等;而如果咱咱咱们的是WiFi体系,则包含PHY、MAC、LLC等。SDR程序的重要功效是处理体系的基带数据。
接下来UHD是USRP设备的驱动模块,分歧的外设应用的驱动也不一样,因为咱咱咱们因此USRPB200为例,所以驱动模块是UHD。UHD驱动的装配办法可以或许或许参见http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/53002311应用C或许C++调用UHD的库函数可以或许或许参见http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/53142911
接下来是体系的各种体系库和体系调用的接口和内核。夸大一点,大部分SDR程序都是基于Linux来开拓的,很少基于Windows开拓。因为Linux体系开源,而且实时性较好。这一块重要触及操纵体系方面的知识,咱咱咱们不在这里深入讨论。
USRP B200与GPP的接口是USB3.0。外设接口的抉择也很重要,接口的传输速率必需快,不能成为全体体系的瓶颈。USRP早期的产品的都是用的USB2.0接口,因为其时通讯体系的吞吐量较小,所以不会限制应用。如今大部分外设都是用USB3.0或许以太网网口作为外设接口。USB3.0的接口速率可以或许或许到达500MBps,基本能称心大部分通讯体系的必要。
接着笔记本电脑颠末过程USB3.0把数据传输给USRP B200。USRP最底下的两个模块是发送节制模块和数字上变频模块(DUC)。这两个模块是用FPGA里面实现的,用FPGA实现的好处是处理速率快。发送节制模块好懂得便是用来节制全体USRP的发送行为,例如什么时候发送等。DUC模块是为了把电脑发生的基带数据上变频到中频。之后数字信号颠末USRP的DAC之后转化为模拟域的数据,数模转化之后必要过一个低通滤波器使信号变的加倍平滑。末了中频模拟域数据在与晶振发生的信号相乘把咱咱咱们的中频信号调制到制定的射频频点上。
末了射频信号再颠末功率放大器把信号发射出去。信号放大器里面也有很多知识可以或许或许学习。例如信号放大器分为A类,B类和C类等,详细每一类的特征本文就不详细解释了。咱咱咱们可以或许或许颠末过程UHD供给的库函数来修改发射信号的发射增益,即tx_gain。tx_gain这个参数对信号的影响还是挺大的,tx_gain设置的太小导致信号功率太小,而如果设置的过大可能会导致体系的低噪上升,也有可能会影响其余通讯体系的正常工作。

图7:SDR发射机原理图
4.2、接收机
可能有人会问为什么要颠末两次变频。咱咱咱们以SDR接收机给大家讲解。如图8所示是SDR接收机的原理图。同样的,左边是笔记本的示用意,与发射机的一样;右边是USRP的接收示用意,USRP接收示用意与发射示用意稍有分歧。
首先接收部分的放大器变成为了低噪放,顾名思义,低噪放便是低噪声的放大器,本质上还是个放大器。因为接收的信号里面包含了信道的噪声,接收机不能把噪声放的过大。
信号颠末低噪放后与USRP晶振发生的信号相乘把信号下变频到中频,同样地再颠末一个低通滤波器把信号变得平滑。
之后中频信号颠末ADC把模拟域的信号转到数据域。ADC是USRP里面很重要的一个部件。ADC重要由两个参数,采样精度和采样率。采样精度表示采样后的信号用多少bit来表示,例如USRP B200的ADC精度为12 bits,即采样后的每个数据用12bits来表示。采样率便是体系的采样速率,USRP B200的采样速率为61.44MS/s。这也便是为什么大部分SDRLTE体系都采纳USRP B系列作为外设的原因,61.44MS/s的采样率刚好是LTE体系最大采样速率30.72M的两倍。
同样的信号颠末ADC之后,数字信号被送入FPGA模块处理。FPGA里面包含两个模块,数字下变频和接收节制。接收节制用来节制全体USRP体系的接收流程,例如什么时候开端接受等。数字下变频即DDC,用于把信号从中频下变频到基带。

图8:SDR接收机原理图
为什么要颠末两次下变频呢?如图9所示,第一次变频是在模拟域颠末过程晶振发生的信号与射频信号相乘把信号下变频到中频,这一次变频重要是为了后面做AD采样。咱咱咱们知道采样必要称心奈奎斯特采样定律,采样的频率必需大于信号的最高频率的2倍,而射频信号的载波频率已经能都到达2.6GHz,甚至5GHz,基本无法做出载波频率两倍的采样速率的ADC。所以体系先把信号下变频到中频,然后再利用ADC对信号停止模数转化。因为USRP ADC的采样率为61.44MS/s,所以咱咱咱们可以或许或许推出USRP对应的中频频率应该低于30.72MHz。
接着中频的数字信号被DDC下变频到基带。有人可能会问为什么不间接把信号一次变频到基带呢,如许的接收机叫做零中频接收机。如果载波频率高了,零中频的接收机计划会非常复杂,所以零中频接收机一样平常用于载波频率较低的体系里面。

图9 :下变频原理示用意
数字信号颠末USB3.0接口传输到笔记本电脑上后,电脑再把数据传输给SDR程序处理。物理层处理完后再把数据交给上层。如许SDR接收机的信号接收过程便实现为了。
SDR发射机/接收机里面的每个模块都对应一大片知识,知识的海洋是无穷的,这里的介绍只能起一个抛砖引玉的感化。如果大家想深入学习的话,还得要多查阅资料。
五、SDR LTE体系
上一章节从SDR发射机和接收机的角度分离介绍SDR体系的原理。下面咱咱咱们以SDR LTE体系为例给大家介绍一个SDR体系的例子,有助于大家懂得实际项偏向中SDR通讯体系。
目前国际上已经有好几个开源的SDR LTE体系,如OpenAirInterface,srsLTE,OpenLTE等, 详情可以或许或许检查http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/53026659。开源的SDR LTE体系非常得当用来学习SDR和LTE的原理和知识。
下面以图10来介绍SDR LTE体系的工作流程。
首先LTE的上层有数据必要物理层发送,比如咱咱咱们要发送一个经典的字符串”Hello World”,上层把数据编码成Bit流自后交给物理层。上层可能采纳的ASCII编码,把Hello World编码成对应的Bit流。即物理层收到的是一连串的100110等。
Bit流传到物理层后开端停止编码,LTE采纳的是1/3 码率的Turbo编码,再颠末加扰,加扰可以或许或许懂得为将Bit流随机化,防止出现一大串连续的0或许1。别的,在发送端用小区公用扰码序列停止加扰,接收端再停止解扰,只要本小区内的UE能力根据本小区的ID构成的小区公用扰码序列对接收到得本小区内的信息停止解扰,如许可以或许或许在一定程度上减小临小区间的干扰。
接着Bit流颠末调制模块后被调制成复数。LTE里面采纳的是QPSK,16QAM和64QAM等调制办法,进去的数据情势如0.707+0.707j。然后对复数序列停止资源映射,把复数映射到LTE的时频资源上,末了再对这些信号停止OFDM把信号转换到时域。此时,SDR程序的工作便实现为了,天生为了LTE体系的基带数据。
紧接着,GPP把基带数据颠末过程USB3.0接口把数据传输给USRP,由USRP颠末上一章讲述的流程把基带信号上变频到射频并发送出去。

图10:SDR LTE体系原理
LTE接收机的过程基本与发射机相反。USRP把接收到的射频信号下变频到基带后颠末过程USB3.0接口传输给SDR程序。SDR程序把接收到的一连串复数先做OFDM解调,接着信道估计/均衡。此时的数据仍然是复数情势的。颠末软解调之后数据变成Bit流,末了再停止解扰,解码规复出 “Hello World” 的ASCII码,传输给UE的上层后,UE辨认出有人给它发送了一串信息,即“Hello World”。
至此,通讯的过程实现。
六、参考文献
我的博士师兄带我飞的论文:
X. Xiong, W. Xiang, K. Zheng, H. Shen and X. Wei, "An open source SDR-based NOMA system for 5Gnetworks," in IEEE Wireless Communications, vol. 22, no. 6, pp.>2019-05-13,December 2015.
作者简介:魏兴光,北京邮电大学智能计算与通讯研究组(Intelligent Computing andCommunication Lab,IC2 Lab)研究生,重要研究偏向为软件无线电(Software Defined Radio,SDR)。

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