SDR技術(shù)原理深入解析

一 軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)概念

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

概念中有兩個(gè)關(guān)鍵詞，“通用硬件平臺”和“軟件”。“通用硬件平臺”就是說(shuō)我們能基于這個(gè)硬件平臺實(shí)現各種各樣的通信功能，而不是說(shuō)一個(gè)硬件平臺只能實(shí)現一種通信功能。“軟件”來(lái)實(shí)現通信模塊是相對于傳統的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)來(lái)講的，傳統的無(wú)線(xiàn)電通信模塊都是用硬件電路來(lái)設計，一個(gè)通信電路只能完成一種通信功能，開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，開(kāi)發(fā)成本高，而且一旦設計好后功能就無(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，便于調試和維護。

我們可以用圖1來(lái)簡(jiǎn)單看看軟件無(wú)線(xiàn)電基站與傳統的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(zhuān)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。

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，由有線(xiàn)通信到無(wú)線(xiàn)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(lái)通信系統的發(fā)展趨勢。

二 SDR系統分類(lèi)

比較通用的SDR系統分類(lèi)是以SDR的硬件平臺來(lái)分類(lèi)。SDR系統分為三類(lèi)：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(kāi)發(fā)的SDR系統，實(shí)時(shí)處理能力強，但是開(kāi)發(fā)難度大，開(kāi)發(fā)成本也高。這里強調一下在SDR系統中對實(shí)時(shí)處理能力要求很高，我們以L(fǎng)TE系統為例，LTE系統的子幀長(cháng)1ms，也就是說(shuō)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(fā)送出去，不能有任何時(shí)延。通信系統帶寬越大，吞吐率越高，對系統的實(shí)時(shí)性要求就越高。

2.2 DSP-BasedSDR系統

基于DSP平臺開(kāi)發(fā)的SDR系統，實(shí)時(shí)性比FPGA略差，而且同樣的開(kāi)發(fā)難度大，開(kāi)發(fā)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(jiǎn)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(kāi)發(fā)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(yǔ)言、各種鏈接庫來(lái)實(shí)現各種通信功能，如編碼、調制等。而且，基于GPP的SDR系統開(kāi)發(fā)相比其他兩種具有較低的開(kāi)發(fā)門(mén)檻，較低的開(kāi)發(fā)成本，開(kāi)發(fā)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(shí)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(gè)章節我們將介紹SDR外設的種類(lèi)。

三 SDR系統外設

如圖2所示，SDR基站/UE都各自包含一個(gè)GPP和一個(gè)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(lèi)，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(guān)信息。

圖2 SDR通信系統

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(jià)格越貴。由于USRP型號太多，我們以B系列為例來(lái)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(jià)都在7000-8000塊之間，但是如果加上稅錢(qián)、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(jià)格約$650，即4500塊左右;而B(niǎo)ladeRF X115 Thermal則是頂配版，可以耐受極端環(huán)境，價(jià)格約$1500，即10000塊左右。BladeRF的詳細信息請查閱官網(wǎng)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?xún)r(jià)比高，價(jià)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(wǎng)http://greatscottgadgets.com/hackrf/

圖5 HackRF設備

在國外網(wǎng)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(gè)表格。

3.4

RTLSDR

如果說(shuō)上述設備對學(xué)生黨來(lái)說(shuō)都太貴了，畢竟動(dòng)不動(dòng)就好幾千塊錢(qián)，那么不得不隆重介紹下入門(mén)級的SDR外設，RTLSDR。淘寶一搜RTLSDR就能出來(lái)一大堆，而且都只需要幾十塊錢(qián)，博主目前就買(mǎi)了一個(gè)，正在研究怎么使用。便宜就意味著(zhù)性能的低，RTLSDR本來(lái)是用來(lái)接收電視信號的，所以也稱(chēng)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(lái)入門(mén)的SDR外設。RTLSDR具體使用方法參見(jiàn)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(kāi)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(gè)GPP和一個(gè)外設。我們以一臺筆記本電腦連接一個(gè)USRP B200為例來(lái)給大家講解SDR系統內部的實(shí)現原理。

4.1 發(fā)射機

首先我們來(lái)看發(fā)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(gè)USRP B200的發(fā)射示意圖。

首先看筆記本結構最上面的SDR程序。這個(gè)程序就是我們用軟件來(lái)實(shí)現的通信模塊，在筆記本上我們可以用各種高級編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)各種通信模塊，例如Turbo編碼模塊，OFDM模塊等。鑒于SDR系統對實(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(xiě)SDR程序。SDR程序里面包含了通信系統完整的協(xié)議棧，如果我們寫(xiě)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(lái)UHD是USRP設備的驅動(dòng)模塊，不同的外設使用的驅動(dòng)也不一樣，因為我們是以USRPB200為例，所以驅動(dòng)模塊是UHD。UHD驅動(dòng)的安裝方式可以參見(jiàn)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(jiàn)http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/53142911。

接下來(lái)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(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)。因為L(cháng)inux系統開(kāi)源，而且實(shí)時(shí)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(gè)系統的瓶頸。USRP早期的產(chǎn)品的都是用的USB2.0接口，因為當時(shí)通信系統的吞吐量較小，所以不會(huì )限制使用?，F在大部分外設都是用USB3.0或者以太網(wǎng)網(wǎng)口作為外設接口。USB3.0的接口速度可以達到500MBps，基本能滿(mǎn)足大部分通信系統的需求。

接著(zhù)筆記本電腦通過(guò)USB3.0把數據傳輸給USRP B200。USRP最底下的兩個(gè)模塊是發(fā)送控制模塊和數字上變頻模塊(DUC)。這兩個(gè)模塊是用FPGA里面實(shí)現的，用FPGA實(shí)現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)生的基帶數據上變頻到中頻。之后數字信號經(jīng)過(guò)USRP的DAC之后轉化為模擬域的數據，數模轉化之后需要過(guò)一個(gè)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(chǎn)生的信號相乘把我們的中頻信號調制到制定的射頻頻點(diǎn)上。

最后射頻信號再經(jīng)過(guò)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。例如信號放大器分為A類(lèi)，B類(lèi)和C類(lèi)等，具體每一類(lèi)的特征本文就不具體解釋了。我們可以通過(guò)UHD提供的庫函數來(lái)修改發(fā)射信號的發(fā)射增益，即tx_gain。tx_gain這個(gè)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(guò)大可能會(huì )導致系統的低噪上升，也有可能會(huì )影響其他通信系統的正常工作。

圖7 SDR發(fā)射機原理圖

4.2 接收機

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(fā)射機的一樣;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(guò)大。

信號經(jīng)過(guò)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(guò)一個(gè)低通濾波器把信號變得平滑。

之后中頻信號經(jīng)過(guò)ADC把模擬域的信號轉到數據域。ADC是USRP里面很重要的一個(gè)部件。ADC主要由兩個(gè)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(lái)表示，例如USRP B200的ADC精度為12 bits，即采樣后的每一個(gè)數據用12bits來(lái)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(jīng)過(guò)ADC之后，數字信號被送入FPGA模塊處理。FPGA里面包含兩個(gè)模塊，數字下變頻和接收控制。接收控制用來(lái)控制整個(gè)USRP系統的接收流程，例如什么時(shí)候開(kāi)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(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(mǎn)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。所以系統先把信號下變頻到中頻，然后再利用ADC對信號進(jìn)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(zhù)中頻的數字信號被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(huì )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(jīng)過(guò)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(guò)程便完成了。

SDR發(fā)射機/接收機里面的每一個(gè)模塊都對應一大片知識，知識的海洋是無(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)習的話(huà)，還得要多查閱資料。

五 SDR LTE系統

上一章節從SDR發(fā)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(gè)SDR系統的例子，有助于大家理解實(shí)際項目的中SDR通信系統。

目前國際上已經(jīng)有好幾個(gè)開(kāi)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(kāi)源的SDR LTE系統非常適合用來(lái)學(xué)習SDR和LTE的原理和知識。

下面以圖10來(lái)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(fā)送，比如我們要發(fā)送一個(gè)經(jīng)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(kāi)始進(jìn)行編碼，LTE采用的是1/3 碼率的Turbo編碼，再經(jīng)過(guò)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(fā)送端用小區專(zhuān)用擾碼序列進(jìn)行加擾，接收端再進(jìn)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(zhuān)用擾碼序列對接收到得本小區內的信息進(jìn)行解擾，這樣可以在一定程度上減小臨小區間的干擾。

接著(zhù)Bit流經(jīng)過(guò)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(lái)的數據形式如0.707+0.707j。然后對復數序列進(jìn)行資源映射，把復數映射到LTE的時(shí)頻資源上，最后再對這些信號進(jìn)行OFDM把信號轉換到時(shí)域。此時(shí)，SDR程序的工作便完成了，生成了LTE系統的基帶數據。

緊接著(zhù)，GPP把基帶數據通過(guò)USB3.0接口把數據傳輸給USRP，由USRP經(jīng)過(guò)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系統原理

LTE接收機的過(guò)程基本與發(fā)射機相反。USRP把接收到的射頻信號下變頻到基帶后通過(guò)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(zhù)信道估計/均衡。此時(shí)的數據仍然是復數形式的。經(jīng)過(guò)軟解調之后數據變成Bit流，最后再進(jìn)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(fā)送了一串信息，即“Hello World”。

至此，通信的過(guò)程完成。