SDR技術原理深入解析

手機與無線通信 時間:2018-08-07來源:網絡

一 軟件無線電(SDR)概念

軟件無線電,即Software Defined Radio,SDR。通俗來講,SDR就是基于通用的硬件平臺上用軟件來實現各種通信模塊。

概念中有兩個關鍵詞,“通用硬件平臺”和“軟件”。“通用硬件平臺”就是說我們能基于這個硬件平臺實現各種各樣的通信功能,而不是說一個硬件平臺只能實現一種通信功能。“軟件”來實現通信模塊是相對于傳統的無線電技術來講的,傳統的無線電通信模塊都是用硬件電路來設計,一個通信電路只能完成一種通信功能,開發周期長,開發成本高,而且一旦設計好后功能就無法改變。軟件化可以加快通信模塊的開發速度,降低開發成本,便于調試和維護。

我們可以用圖1來簡單看看軟件無線電基站與傳統的無線電基站的區別。圖片左邊的是傳統的大基站,圖片右邊的是基于軟件無線電的小型化基站。傳統的商用基站體積較大,需要設計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現。


圖1 商用基站與SDR基站

SDR技術被譽為通信領域的第三次革命。第一次革命是1G通信系統,由有線通信到無線通信的革命;第二次革命是2G通信系統,由模擬通信到數字通信的革命。SDR是未來通信系統的發展趨勢。

二 SDR系統分類

比較通用的SDR系統分類是以SDR的硬件平臺來分類。SDR系統分為三類:基于FPGA的SDR系統,基于DSP的是SDR系統和基于GPP的SDR系統。

2.1 FPGA-BasedSDR系統

基于FPGA平臺開發的SDR系統,實時處理能力強,但是開發難度大,開發成本也高。這里強調一下在SDR系統中對實時處理能力要求很高,我們以LTE系統為例,LTE系統的子幀長1ms,也就是說我們的SDR系統必須在1ms內把這一子幀的數據全部處理完并發送出去,不能有任何時延。通信系統帶寬越大,吞吐率越高,對系統的實時性要求就越高。

2.2 DSP-BasedSDR系統

基于DSP平臺開發的SDR系統,實時性比FPGA略差,而且同樣的開發難度大,開發成本也高。

2.3 GPP-BasedSDR系統

GPP即General Purpose Processor,通用處理器。我們可以簡單的把GPP理解為電腦,即我們使用的臺式機、筆記本等?;贕PP能高效地開發各種通信模塊、通信系統,因為我們可以很方便的基于各種高級編程語言、各種鏈接庫來實現各種通信功能,如編碼、調制等。而且,基于GPP的SDR系統開發相比其他兩種具有較低的開發門檻,較低的開發成本,開發周期也較短、便于調試等。GPP-Based SDR系統是目前最為通用的一種SDR系統實現形式。

GPP-based SDR系統通常包含兩部分,一部分是GPP,另一部分是外設。下一個章節我們將介紹SDR外設的種類。

三 SDR系統外設

如圖2所示,SDR基站/UE都各自包含一個GPP和一個外設。GPP即我們平常所用的臺式機或筆記本電腦。SDR的外設有很多種類,如USRP,bladeRF,HackRF,以及低端的RTLSDR等。下面我們分別介紹各種外設的相關信息。


圖2 SDR通信系統

3.1 USRP

USRP是Ettus公司的產品,目前主要有B系列,E系列,N系列和X系列等,基本上系列字母越靠后價格越貴。由于USRP型號太多,我們以B系列為例來介紹USRP。 B系列主打小型化,目前有USRP B200/B210、USRP mini系列等,其中mini系列更是只有一張名片大小。而且B系列都采用USB3.0接口與GPP通信,直接采用USB供電,使用非常便捷。USRP B系列的產品大部分單價都在7000-8000塊之間,但是如果加上稅錢、運費等,差不多就得10000塊了。USRP相關產品的介紹請鏈接官網https://www.ettus.com/product


圖3 USRP設備

3.2 BladeRF

BladeRF主要有三種型號,BladeRF X40,BladeRF X115, BladeRF X115 Thermal。BladeRF X40 是低配版,就是我們手機里面的青春版,大概約$420,即3000塊左右;BladeRF X115是高配版,FPGA比BladeRF X40好,價格約$650,即4500塊左右;而BladeRF X115 Thermal則是頂配版,可以耐受極端環境,價格約$1500,即10000塊左右。BladeRF的詳細信息請查閱官網http://www.nuand.com/


圖4 BladeRF設備

3.3 HackRF

HackRF,顧名思義是黑客版的SDR外設,它主打性價比高,價格便宜。HackRF主要有兩種版本,HackRF blue和HackRF one,其中HackRF blue是低配版,HackRF是高配版。注意的是HackRF只能支持半雙工。HackRF詳細的信息請查閱官網http://greatscottgadgets.com/hackrf/


圖5 HackRF設備

在國外網站上找到一篇介紹上述SDR外設的區別的博客,http://www.taylorkillian.com/2013/08/sdr-showdown-hackrf-vs-bladerf-vs-usrp.html

有空我給大家翻譯翻譯?,F在先給大家預覽一下里面的一個表格。

3.4

RTLSDR

如果說上述設備對學生黨來說都太貴了,畢竟動不動就好幾千塊錢,那么不得不隆重介紹下入門級的SDR外設,RTLSDR。淘寶一搜RTLSDR就能出來一大堆,而且都只需要幾十塊錢,博主目前就買了一個,正在研究怎么使用。便宜就意味著性能的低,RTLSDR本來是用來接收電視信號的,所以也稱為電視棒。RTLSDR只能接收信號,不能發射信號,而且只有2.8M/s的采樣速率,根據奈奎斯特采樣定律換算一下理論上最大支持的帶寬只有1.4M。但這仍然是一款非常適合用來入門的SDR外設。RTLSDR具體使用方法參見http://sdr.osmocom.org/trac/wiki/rtl-sdr和http://www.rtl-sdr.com/。


圖6 RTLSDR設備

四 SDR系統原理

下面正式開始講解SDR的系統原理。在上面的介紹中我們知道GPP-Based SDR系統一般都是包含一個GPP和一個外設。我們以一臺筆記本電腦連接一個USRP B200為例來給大家講解SDR系統內部的實現原理。

4.1 發射機

首先我們來看發射端的系統原理圖,即圖7。圖的左邊是一臺筆記本的示意圖,右邊的一個USRP B200的發射示意圖。

首先看筆記本結構最上面的SDR程序。這個程序就是我們用軟件來實現的通信模塊,在筆記本上我們可以用各種高級編程語言來編寫各種通信模塊,例如Turbo編碼模塊,OFDM模塊等。鑒于SDR系統對實時性要求較高,所以我們一般使用C或C++語言來編寫SDR程序。SDR程序里面包含了通信系統完整的協議棧,如果我們寫的是LTE系統,則包PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC、NAS甚至MME等;而如果我們的是WiFi系統,則包含PHY、MAC、LLC等。SDR程序的主要功能是處理系統的基帶數據。

接下來UHD是USRP設備的驅動模塊,不同的外設使用的驅動也不一樣,因為我們是以USRPB200為例,所以驅動模塊是UHD。UHD驅動的安裝方式可以參見http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/53002311使用C或者C++調用UHD的庫函數可以參見http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/53142911。

接下來是系統的各種系統庫和系統調用的接口以及內核。強調一點,大部分SDR程序都是基于Linux來開發的,很少基于Windows開發。因為Linux系統開源,而且實時性較好。這一塊主要涉及操作系統方面的知識,我們不在這里深入討論。

USRP B200與GPP的接口是USB3.0。外設接口的選擇也很重要,接口的傳輸速率必須快,不能成為整個系統的瓶頸。USRP早期的產品的都是用的USB2.0接口,因為當時通信系統的吞吐量較小,所以不會限制使用?,F在大部分外設都是用USB3.0或者以太網網口作為外設接口。USB3.0的接口速度可以達到500MBps,基本能滿足大部分通信系統的需求。

接著筆記本電腦通過USB3.0把數據傳輸給USRP B200。USRP最底下的兩個模塊是發送控制模塊和數字上變頻模塊(DUC)。這兩個模塊是用FPGA里面實現的,用FPGA實現的好處是處理速度快。發送控制模塊好理解就是用來控制整個USRP的發送行為,例如什么時候發送等。DUC模塊是為了把電腦產生的基帶數據上變頻到中頻。之后數字信號經過USRP的DAC之后轉化為模擬域的數據,數模轉化之后需要過一個低通濾波器使信號變的更加平滑。最后中頻模擬域數據在與晶振產生的信號相乘把我們的中頻信號調制到制定的射頻頻點上。

最后射頻信號再經過功率放大器把信號發射出去。信號放大器里面也有很多知識可以學習。例如信號放大器分為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UHD提供的庫函數來修改發射信號的發射增益,即tx_gain。tx_gain這個參數對信號的影響還是挺大的,tx_gain設置的太小導致信號功率太小,而如果設置的過大可能會導致系統的低噪上升,也有可能會影響其他通信系統的正常工作。


圖7 SDR發射機原理圖

4.2 接收機

可能有人會問為什么要經過兩次變頻。我們以SDR接收機給大家講解。如圖8所示是SDR接收機的原理圖。同樣的,左邊是筆記本的示意圖,與發射機的一樣;右邊是USRP的接收示意圖,USRP接收示意圖與發射示意圖稍有不同。

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,本質上還是個放大器。因為接收的信號里面包含了信道的噪聲,接收機不能把噪聲放的過大。

信號經過低噪放后與USRP晶振產生的信號相乘把信號下變頻到中頻,同樣地再經過一個低通濾波器把信號變得平滑。

之后中頻信號經過ADC把模擬域的信號轉到數據域。ADC是USRP里面很重要的一個部件。ADC主要由兩個參數,采樣精度和采樣率。采樣精度表示采樣后的信號用多少bit來表示,例如USRP B200的ADC精度為12 bits,即采樣后的每一個數據用12bits來表示。采樣率就是系統的采樣速率,USRP B200的采樣速率為61.44MS/s。這也就是為什么大部分SDRLTE系統都采用USRP B系列作為外設的原因,61.44MS/s的采樣率剛好是LTE系統最大采樣速率30.72M的兩倍。

同樣的信號經過ADC之后,數字信號被送入FPGA模塊處理。FPGA里面包含兩個模塊,數字下變頻和接收控制。接收控制用來控制整個USRP系統的接收流程,例如什么時候開始接受等。數字下變頻即DDC,用于把信號從中頻下變頻到基帶。


圖8 SDR接收機原理圖

為什么要經過兩次下變頻呢?如圖9所示,第一次變頻是在模擬域通過晶振產生的信號與射頻信號相乘把信號下變頻到中頻,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的最高頻率的2倍,而射頻信號的載波頻率已經能都達到2.6GHz,甚至5GHz,根本無法做出載波頻率兩倍的采樣速率的ADC。所以系統先把信號下變頻到中頻,然后再利用ADC對信號進行模數轉化。因為USRP ADC的采樣率為61.44MS/s,所以我們可以推出USRP對應的中頻頻率應該低于30.72MHz。

接著中頻的數字信號被DDC下變頻到基帶。有人可能會問為什么不直接把信號一次變頻到基帶呢,這樣的接收機叫做零中頻接收機。如果載波頻率高了,零中頻的接收機設計會非常復雜,所以零中頻接收機一般用于載波頻率較低的系統里面。


圖9 下變頻原理示意圖

數字信號經過USB3.0接口傳輸到筆記本電腦上后,電腦再把數據傳輸給SDR程序處理。物理層處理完后再把數據交給上層。這樣SDR接收機的信號接收過程便完成了。

SDR發射機/接收機里面的每一個模塊都對應一大片知識,知識的海洋是無窮的,這里的介紹只能起一個拋磚引玉的作用。如果大家想深入學習的話,還得要多查閱資料。

五 SDR LTE系統

上一章節從SDR發射機和接收機的角度分別介紹SDR系統的原理。下面我們以SDR LTE系統為例給大家介紹一個SDR系統的例子,有助于大家理解實際項目的中SDR通信系統。

目前國際上已經有好幾個開源的SDR LTE系統,如OpenAirInterface,srsLTE,OpenLTE等,詳情可以查看http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/53026659。開源的SDR LTE系統非常適合用來學習SDR和LTE的原理和知識。

下面以圖10來介紹SDR LTE系統的工作流程。

首先LTE的上層有數據需要物理層發送,比如我們要發送一個經典的字符串”Hello World”,上層把數據編碼成Bit流自后交給物理層。上層可能采用的ASCII編碼,把Hello World編碼成對應的Bit流。即物理層收到的是一連串的100110等。

Bit流傳到物理層后開始進行編碼,LTE采用的是1/3 碼率的Turbo編碼,再經過加擾,加擾可以理解為將Bit流隨機化,避免出現一大串連續的0或者1。此外,在發送端用小區專用擾碼序列進行加擾,接收端再進行解擾,只有本小區內的UE才能根據本小區的ID形成的小區專用擾碼序列對接收到得本小區內的信息進行解擾,這樣可以在一定程度上減小臨小區間的干擾。

接著Bit流經過調制模塊后被調制成復數。LTE里面采用的是QPSK,16QAM和64QAM等調制方式,出來的數據形式如0.707+0.707j。然后對復數序列進行資源映射,把復數映射到LTE的時頻資源上,最后再對這些信號進行OFDM把信號轉換到時域。此時,SDR程序的工作便完成了,生成了LTE系統的基帶數據。

緊接著,GPP把基帶數據通過USB3.0接口把數據傳輸給USRP,由USRP經過上一章講述的流程把基帶信號上變頻到射頻并發送出去。


圖10 SDR LTE系統原理

LTE接收機的過程基本與發射機相反。USRP把接收到的射頻信號下變頻到基帶后通過USB3.0接口傳輸給SDR程序。SDR程序把接收到的一連串復數先做OFDM解調,接著信道估計/均衡。此時的數據仍然是復數形式的。經過軟解調之后數據變成Bit流,最后再進行解擾,解碼恢復出 “Hello World” 的ASCII碼,傳輸給UE的上層后,UE識別出有人給它發送了一串信息,即“Hello World”。

至此,通信的過程完成。

關鍵詞: SDR

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