USRP和GNURadio調(diào)研報(bào)告

1、USRP和GNU Radio調(diào)研報(bào)告一、GNU Radio簡(jiǎn)介GNU Radio起源于1998年，是一個(gè)學(xué)習(xí)、構(gòu)建和應(yīng)用軟件無(wú)線電技術(shù)的工具包，由Eric Blossom開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)在GNU Radio已是一個(gè)官方的開(kāi)源項(xiàng)目，它按照GNU GPL規(guī)范發(fā)行。作為完全開(kāi)放源代碼的軟件無(wú)線電項(xiàng)目，GNU Radio致力于為軟件無(wú)線電的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供一個(gè)良好平臺(tái)，將軟件的思想擴(kuò)展到傳統(tǒng)的硬件領(lǐng)域。與其他無(wú)線電系統(tǒng)相比，完全開(kāi)源和可重配置是GNU Radio的最大特點(diǎn)，它自身有豐富的信號(hào)處理模塊，研究者也可以編寫(xiě)源碼模塊，然后加載到工具包中，實(shí)現(xiàn)想要的功能。GNU Radio的信號(hào)處理在PC機(jī)種完成，只

2、需外加一個(gè)簡(jiǎn)單的硬件前端，如AD/DA芯片、聲卡，就可以構(gòu)建一個(gè)軟件無(wú)線電研究和應(yīng)用平臺(tái)。GNU Radio是免費(fèi)的軟件開(kāi)發(fā)工具套件。它提供信號(hào)運(yùn)行和處理模塊，用它可以在易制作的低成本的射頻（RF）硬件和通用微處理器上實(shí)現(xiàn)軟件定義無(wú)線電。這套套件廣泛用于業(yè)余愛(ài)好者，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和商業(yè)機(jī)構(gòu)用來(lái)研究和構(gòu)建無(wú)線通信系統(tǒng)。GNU Radio 的應(yīng)用主要是用 Python 編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)的。但是其核心信號(hào)處理模塊是C+在帶浮點(diǎn)運(yùn)算的微處理器上構(gòu)建的。因此，開(kāi)發(fā)者能夠簡(jiǎn)單快速的構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)、高容量的無(wú)線通信系統(tǒng)。盡管其主要功用不是用來(lái)做仿真器，GNU Radio 在沒(méi)有射頻 RF 硬件部件的境況下還可用作對(duì)預(yù)

3、先存儲(chǔ)或（信號(hào)發(fā)生器）生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理的算法研究的平臺(tái)。GNU Radio 遵從 GNU GPL V3.0. 所有其代碼歸 FSF - Free Software Foundation （自由軟件基金）所有。二、USRP架構(gòu)USRP（Universal Software Radio Peripheral）是Matt Ettus專(zhuān)門(mén)為GNU Radio的應(yīng)用開(kāi)發(fā)的硬件平臺(tái)，是連接GNU Radio和射頻前端的橋梁，是無(wú)線通信系統(tǒng)的數(shù)字基帶和中頻部分，功能強(qiáng)大而且十分靈活，目前最新版本是USRP2。USRP的設(shè)計(jì)理念是讓主機(jī)處理所有波形相關(guān)的部分，而只把高速信號(hào)處理部分交由硬件執(zhí)行，這樣保證

4、了系統(tǒng)的靈活性，便于系統(tǒng)擴(kuò)展。一個(gè)典型的 USRP 產(chǎn)品系列包括兩部分：一個(gè)帶有高速信號(hào)處理的 FPGA母板，和一個(gè)或者多個(gè)覆蓋不同頻率范圍的可調(diào)換的子板。它們共同實(shí)現(xiàn)把比特流數(shù)據(jù)從天線傳到主機(jī)電腦（即接收），或者從主機(jī)電腦傳送到天線（即發(fā)送）。從結(jié)構(gòu)上而言，USRP有母板和子板組成。從功能上而言，它包括射頻處理、AD/DA變換、中頻采樣、數(shù)字下變頻(DDC)、數(shù)字上變頻(DUC)、主機(jī)接口、電源管理和時(shí)鐘管理等部分7。圖2詳細(xì)的描述了USRP的整體結(jié)構(gòu)和工作流程。母板是USRP的核心部分，上面有4個(gè)子板射頻接口，2個(gè)用于接收，2個(gè)用于發(fā)送。AD9862是母板上最靠近子板的芯片，總共兩個(gè)，它主

5、要實(shí)現(xiàn)AD/DA變換，每個(gè)芯片上有兩路高速的ADC，速率為64MS/s，精度為12位。還有兩路高速的DAC。速率128MS/s，精度為14位。這4個(gè)輸入和4個(gè)輸出通道都連接到一個(gè)FPGA （Altera Cyclone EP1C12）上，F(xiàn)PGA通過(guò)USB接口芯片Cypress FX2連接到PC機(jī)上，F(xiàn)PGA可以說(shuō)是USRP的控制協(xié)調(diào)中心，它主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻的功能，控制協(xié)調(diào)ADC/DAC和USB接口之間的數(shù)據(jù)交換。子板主要包括寬帶天線和射頻前端兩部分，其種類(lèi)有很多種，如：Basic TX/RX、Low Frequency TX/RX、TVRX、DBSRX、RFX系列等。不同子板覆蓋不同的頻率

6、，能實(shí)現(xiàn)各種不同的功能，這也體現(xiàn)了USRP的強(qiáng)大功能和可擴(kuò)展性。在各種子板中，USRP 系列涵蓋從直流到5.9GHz 的整個(gè)范圍，這包括了從調(diào)幅廣播到超過(guò)WiFi的所有頻率。USRP由 USRP母板、連同各種子板以及相應(yīng)的天線組成。一個(gè)典型的 USRP 產(chǎn)品系列包括兩部分：一個(gè)帶有高速信號(hào)處理的 FPGA 母板，和一個(gè)或者多個(gè)覆蓋不同頻率范圍的可調(diào)換的子板。它們共同實(shí)現(xiàn)把比特流數(shù)據(jù)從天線傳到主機(jī)電腦（即接收），或者從主機(jī)電腦傳送到天線（即發(fā)送）。在各種子板中，USRP 系列涵蓋從直流到 5.9GHz 的整個(gè)范圍，這包括了從調(diào)幅廣播到超過(guò) WiFi 的所有頻率。三、GNU Radio與USRP構(gòu)

7、建軟件無(wú)線電開(kāi)發(fā)環(huán)境GNU Radio的編程基于Python腳本語(yǔ)言和C+的混合模式。C+由于具有較高的執(zhí)行效率，被用于編寫(xiě)各種信號(hào)處理模塊，如：濾波器、FFT變換、調(diào)制/解調(diào)器、信道編譯碼模塊等，GNU Radio中稱(chēng)這種模塊為block。Python是一種新型的腳本語(yǔ)言，具有無(wú)需編譯、語(yǔ)法簡(jiǎn)單以及完全面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)，因此被用來(lái)編寫(xiě)鏈接各個(gè)block成為完整的信號(hào)處理流程的腳本，GNU Radio中稱(chēng)其為graph 。GNU Radio的軟件結(jié)構(gòu)頂層是面向用戶的block及其“粘合劑”graph。用戶除了能夠開(kāi)發(fā)自己的block外，還可使用GNU Radio所包含的豐富的block，包括各種

8、濾波器、FFT變換、調(diào)制/解調(diào)模塊、時(shí)頻同步模塊等等，其中一些利用了CPU的增強(qiáng)指令集（如：MMX、SSE、3D Now?。┻M(jìn)行了優(yōu)化，以提高性能。在用戶用block和graph構(gòu)造的應(yīng)用程序下面是GNU Radio的運(yùn)行支持環(huán)境，主要包括緩存管理、線程調(diào)度以及硬件驅(qū)動(dòng)。GNU Radio中巧妙地設(shè)計(jì)了一套零拷貝循環(huán)緩存機(jī)制，保證數(shù)據(jù)在block之間高效地流動(dòng)。多線程調(diào)度主要用于對(duì)信號(hào)處理流程進(jìn)行控制以及各種圖形顯示，GNU Radio對(duì)此也提供了支持。GNU Radio的硬件驅(qū)動(dòng)包括USRP、AD卡、聲卡等等，用戶也可根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)充。GNU Radio除了支持Linux的多種發(fā)行版本之外，

9、還被移植到Mac OS X、NetBSD以及Windows等操作系統(tǒng)上，這也意味著它也支持多種類(lèi)型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。USRP是GNU Radio最重要的硬件“伙伴”，一套USRP由一塊主板和最多四塊子板搭配構(gòu)成。主板的主要功能為中頻采樣以及中頻信號(hào)到基帶信號(hào)之間的互相轉(zhuǎn)換。子板的功能在于射頻信號(hào)的接收/發(fā)送以及到中頻的轉(zhuǎn)換。子板有多種類(lèi)型，分別覆蓋不同的射頻頻譜范圍，且具有不同的收/發(fā)能力和增益。四、USRP應(yīng)用前景分析GNU Radio +USRP現(xiàn)已成為一個(gè)較好的軟件無(wú)線電解決方案，研究人員既可以在平臺(tái)上直接研究數(shù)字通信，也可以利用它開(kāi)發(fā)其他應(yīng)用。GNU Radio工具包本身提供了一些應(yīng)用，如

10、：實(shí)時(shí)信號(hào)的捕獲、模擬電視的顯示、調(diào)頻信號(hào)的發(fā)送與接收等等。目前，世界上很多組織或個(gè)人利用該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了各種應(yīng)用實(shí)例，涉及到多個(gè)領(lǐng)域，如GPS接收機(jī)、無(wú)源雷達(dá)、DVB-T模塊、GSM-R信號(hào)集成探測(cè)系統(tǒng)、行人跟蹤和定位、醫(yī)療成像、射頻天文學(xué)等等。一個(gè)完整的GPS接收機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，它利用DBSRX子板接收GPS信號(hào)，同時(shí)包含了獲取Google Earth數(shù)據(jù)的接口；無(wú)源雷達(dá)利用了FM頻率接收信號(hào)；DVB-T模塊可以接收DVB信號(hào)。還有很多目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)但有一定的局限性的應(yīng)用，如IEEE802.11、藍(lán)牙、IEEE802.15.4、GSM等協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。IEEE802.11協(xié)議的最終實(shí)現(xiàn)方法過(guò)于復(fù)雜，藍(lán)牙

11、看似簡(jiǎn)單，實(shí)際比較復(fù)雜，它由于采用了FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）技術(shù)，通信不是在一個(gè)信道上進(jìn)行，而是在多個(gè)信道跳變，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。IEEE802.15.4是相對(duì)簡(jiǎn)單點(diǎn)的協(xié)議，但在多信道實(shí)現(xiàn)時(shí)效率低，錯(cuò)誤率高。還有已成立的GSM軟件項(xiàng)目組，它旨在以最低廉的成本把所有對(duì)GSM感興趣的人們網(wǎng)羅到一起。該項(xiàng)目組又分為多個(gè)子項(xiàng)目組，分工明確。由于它的復(fù)雜性，該項(xiàng)目已成為將來(lái)的主要研究對(duì)象。GNU Radio和USRP的應(yīng)用如此廣泛，最主要原因應(yīng)該是：相比其它昂貴的商業(yè)硬件設(shè)備，它的“人性化”使我們?cè)谘芯亢蛯W(xué)習(xí)中能夠克服很多的局限性。事實(shí)上，雖然USRP對(duì)于純網(wǎng)絡(luò)層的算法研究沒(méi)有任何價(jià)值，但是在物理層研究和層次協(xié)議設(shè)計(jì)上有舉足輕重的地位。很多時(shí)候，我們?cè)谘芯恐行枰獙?duì)某個(gè)方案