SDR技術(shù)原理深入解析

  本文檔通俗地介紹SDR的技術(shù)原理：先簡單介紹SDR的概念，SDR系統(tǒng)的分類，基于GPP的SDR系統(tǒng)，接著詳細(xì)介紹SDR系統(tǒng)原理，最后再以SDR LTE系統(tǒng)為例進(jìn)一步解析SDR系統(tǒng)的工作流程。

更多關(guān)于SDR LTE的博客http://blog.csdn.net/jxwxg

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(xiàn)各種通信模塊。

  概念中有兩個關(guān)鍵詞，“通用硬件平臺”和“軟件”�！巴ㄓ糜布�平臺”就是說我們能基于這個硬件平臺實現(xiàn)各種各樣的通信功能，而不是說一個硬件平臺只能實現(xiàn)一種通信功能�！败浖�”來實現(xiàn)通信模塊是相對于傳統(tǒng)的無線電技術(shù)來講的，傳統(tǒng)的無線電通信模塊都是用硬件電路來設(shè)計，一個通信電路只能完成一種通信功能，開發(fā)周期長，開發(fā)成本高，而且一旦設(shè)計好后功能就無法改變。軟件化可以加快通信模塊的開發(fā)速度，降低開發(fā)成本，便于調(diào)試和維護(hù)。

我們可以用圖1來簡單看看軟件無線電基站與傳統(tǒng)的無線電基站的區(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(xiàn)。

圖1 商用基站與SDR基站

  SDR技術(shù)被譽為通信領(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是未來通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

二 SDR系統(tǒng)分類

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

2.1 FPGA-Based SDR系統(tǒng)

  基于FPGA平臺開發(fā)的SDR系統(tǒng)，實時處理能力強，但是開發(fā)難度大，開發(fā)成本也高。這里強調(diào)一下在SDR系統(tǒng)中對實時處理能力要求很高，我們以LTE系統(tǒng)為例，LTE系統(tǒng)的子幀長1ms，也就是說我們的SDR系統(tǒng)必須在1ms內(nèi)把這一子幀的數(shù)據(jù)全部處理完并發(fā)送出去，不能有任何時延。通信系統(tǒng)帶寬越大，吞吐率越高，對系統(tǒng)的實時性要求就越高。

2.2 DSP-Based SDR系統(tǒng)

  基于DSP平臺開發(fā)的SDR系統(tǒng)，實時性比FPGA略差，而且同樣的開發(fā)難度大，開發(fā)成本也高。

2.3 GPP-Based SDR系統(tǒng)

  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(jī)、筆記本等�；�于GPP能高效地開發(fā)各種通信模塊、通信系統(tǒng)，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(xiàn)各種通信功能，如編碼、調(diào)制等。而且，基于GPP的SDR系統(tǒng)開發(fā)相比其他兩種具有較低的開發(fā)門檻，較低的開發(fā)成本，開發(fā)周期也較短、便于調(diào)試等。GPP-Based SDR系統(tǒng)是目前最為通用的一種SDR系統(tǒng)實現(xiàn)形式。

GPP-based SDR系統(tǒng)通常包含兩部分，一部分是GPP，另一部分是外設(shè)。下一個章節(jié)我們將介紹SDR外設(shè)的種類。

三 SDR系統(tǒng)外設(shè)

  如圖2所示，SDR基站/UE都各自包含一個GPP和一個外設(shè)。GPP即我們平常所用的臺式機(jī)或筆記本電腦。SDR的外設(shè)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(shè)的相關(guān)信息。

圖2 SDR通信系統(tǒng)

3.1 USRP

  USRP是Ettus公司的產(chǎn)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(chǎn)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(guān)產(chǎn)品的介紹請鏈接官網(wǎng)https://www.ettus.com/product

圖3 USRP設(shè)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(jī)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(huán)境，價格約$1500，即10000塊左右。BladeRF的詳細(xì)信息請查閱官網(wǎng)http://www.nuand.com/

圖4 BladeRF設(shè)備

3.3 HackRF

  HackRF，顧名思義是黑客版的SDR外設(shè)，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(xì)的信息請查閱官網(wǎng)http://greatscottgadgets.com/hackrf/

圖5 HackRF設(shè)備

  在國外網(wǎng)站上找到一篇介紹上述SDR外設(shè)的區(qū)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(xiàn)在先給大家預(yù)覽一下里面的一個表格。

3.4 RTLSDR

  如果說上述設(shè)備對學(xué)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(shè)，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(fā)射信號，而且只有2.8M/s的采樣速率，根據(jù)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(shè)。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(shè)備

四 SDR系統(tǒng)原理

  下面正式開始講解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GPP和一個外設(shè)。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(tǒng)內(nèi)部的實現(xiàn)原理。

4.1 發(fā)射機(jī)

  首先我們來看發(fā)射端的系統(tǒng)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(fā)射示意圖。

  首先看筆記本結(jié)構(gòu)最上面的SDR程序。這個程序就是我們用軟件來實現(xiàn)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(tǒng)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(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UHD是USRP設(shè)備的驅(qū)動模塊，不同的外設(shè)使用的驅(qū)動也不一樣，因為我們是以USRP B200為例，所以驅(qū)動模塊是UHD。UHD驅(qū)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(diào)用UHD的庫函數(shù)可以參見http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/53142911 。

  接下來是系統(tǒng)的各種系統(tǒng)庫和系統(tǒng)調(diào)用的接口以及內(nèi)核。強調(diào)一點，大部分SDR程序都是基于Linux來開發(fā)的，很少基于Windows開發(fā)。因為Linux系統(tǒng)開源，而且實時性較好。這一塊主要涉及操作系統(tǒng)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(shè)接口的選擇也很重要，接口的傳輸速率必須快，不能成為整個系統(tǒng)的瓶頸。USRP早期的產(chǎn)品的都是用的USB2.0接口，因為當(dāng)時通信系統(tǒng)的吞吐量較小，所以不會限制使用�，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USB3.0把數(shù)據(jù)傳輸給USRP B200。USRP最底下的兩個模塊是發(fā)送控制模塊和數(shù)字上變頻模塊（DUC）。這兩個模塊是用FPGA里面實現(xiàn)的，用FPGA實現(xiàn)的好處是處理速度快。發(fā)送控制模塊好理解就是用來控制整個USRP的發(fā)送行為，例如什么時候發(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)字信號經(jīng)過USRP的DAC之后轉(zhuǎn)化為模擬域的數(shù)據(jù)，數(shù)模轉(zhuǎn)化之后需要過一個低通濾波器使信號變的更加平滑。最后中頻模擬域數(shù)據(jù)在與晶振產(chǎn)生的信號相乘把我們的中頻信號調(diào)制到制定的射頻頻點上。

  最后射頻信號再經(jīng)過功率放大器把信號發(fā)射出去。信號放大器里面也有很多知識可以學(xué)習(xí)。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(shù)來修改發(fā)射信號的發(fā)射增益，即tx_gain。tx_gain這個參數(shù)對信號的影響還是挺大的，tx_gain設(shè)置的太小導(dǎo)致信號功率太小，而如果設(shè)置的過大可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的低噪上升，也有可能會影響其他通信系統(tǒng)的正常工作。

圖7 SDR發(fā)射機(jī)原理圖

4.2 接收機(jī)

  可能有人會問為什么要經(jīng)過兩次變頻。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)上還是個放大器。因為接收的信號里面包含了信道的噪聲，接收機(jī)不能把噪聲放的過大。

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

  之后中頻信號經(jīng)過ADC把模擬域的信號轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)域。ADC是USRP里面很重要的一個部件。ADC主要由兩個參數(shù)，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(shù)據(jù)用12bits 來表示。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SDR LTE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。

  同樣的信號經(jīng)過ADC之后，數(shù)字信號被送入FPGA模塊處理。FPGA里面包含兩個模塊，數(shù)字下變頻和接收控制。接收控制用來控制整個USRP系統(tǒng)的接收流程，例如什么時候開始接受等。數(shù)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(jī)原理圖

  為什么要經(jīng)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(chǎn)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(jīng)能都達(dá)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(tǒng)先把信號下變頻到中頻，然后再利用ADC對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化。因為USRP ADC的采樣率為61.44MS/s，所以我們可以推出USRP對應(yīng)的中頻頻率應(yīng)該低于30.72MHz。

  接著中頻的數(shù)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(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)計會非常復(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9 下變頻原理示意圖

  數(shù)字信號經(jīng)過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)的信號接收過程便完成了。

  SDR發(fā)射機(jī)/接收機(jī)里面的每一個模塊都對應(yīng)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(xué)習(xí)的話，還得要多查閱資料。

五 SDR LTE系統(tǒng)

  上一章節(jié)從SDR發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的角度分別介紹SDR系統(tǒng)的原理。下面我們以SDR LTE系統(tǒng)為例給大家介紹一個SDR系統(tǒng)的例子，有助于大家理解實際項目的中SDR通信系統(tǒng)。

  目前國際上已經(jīng)有好幾個開源的SDR LTE系統(tǒng)，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(tǒng)非常適合用來學(xué)習(xí)SDR和LTE的原理和知識。

  下面以圖10來介紹SDR LTE系統(tǒng)的工作流程。

  首先LTE的上層有數(shù)據(jù)需要物理層發(fā)送，比如我們要發(fā)送一個經(jīng)典的字符串”Hello World”，上層把數(shù)據(jù)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(yīng)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(jìn)行編碼，LTE采用的是1/3 碼率的Turbo編碼，再經(jīng)過加擾，加擾可以理解為將Bit流隨機(jī)化，避免出現(xiàn)一大串連續(xù)的0或者1。此外，在發(fā)送端用小區(qū)專用擾碼序列進(jìn)行加擾，接收端再進(jìn)行解擾，只有本小區(qū)內(nèi)的UE才能根據(jù)本小區(qū)的ID形成的小區(qū)專用擾碼序列對接收到得本小區(qū)內(nèi)的信息進(jìn)行解擾，這樣可以在一定程度上減小臨小區(qū)間的干擾。

  接著Bit流經(jīng)過調(diào)制模塊后被調(diào)制成復(fù)數(shù)。LTE里面采用的是QPSK，16QAM和64QAM等調(diào)制方式，出來的數(shù)據(jù)形式如 0.707+0.707j。然后對復(fù)數(shù)序列進(jìn)行資源映射，把復(fù)數(shù)映射到LTE的時頻資源上，最后再對這些信號進(jìn)行OFDM把信號轉(zhuǎn)換到時域。此時，SDR程序的工作便完成了，生成了LTE系統(tǒng)的基帶數(shù)據(jù)。

  緊接著，GPP把基帶數(shù)據(jù)通過USB3.0接口把數(shù)據(jù)傳輸給USRP，由USRP經(jīng)過上一章講述的流程把基帶信號上變頻到射頻并發(fā)送出去。

圖10 SDR LTE系統(tǒng)原理

  LTE接收機(jī)的過程基本與發(fā)射機(jī)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(fù)數(shù)先做OFDM解調(diào)，接著信道估計/均衡。此時的數(shù)據(jù)仍然是復(fù)數(shù)形式的。經(jīng)過軟解調(diào)之后數(shù)據(jù)變成Bit流，最后再進(jìn)行解擾，解碼恢復(fù)出 “Hello World” 的ASCII碼，傳輸給UE的上層后，UE識別出有人給它發(fā)送了一串信息，即“Hello World”。

  至此，通信的過程完成。

六 參考文獻(xiàn)

我的博士師兄帶我飛的論文：

X. Xiong, W. Xiang, K. Zheng, H. Shen and X. Wei, "An open source SDR-based NOMA system for 5G networks," in IEEE Wireless Communications, vol. 22, no. 6, pp. 24-32, December 2015.