概述
通用軟件無線電外圍設(shè)備(Universal Software Radio Peripheral,USRP)可以使工程師快速設(shè)計和實現(xiàn)強大、靈活的軟件無線電系統(tǒng)。
一個典型的USRP產(chǎn)品系列包括兩部分:一個帶有高速信號處理的FPGA母板,和一個或者多個覆蓋不同頻率范圍的可調(diào)換的子板。它們共同實現(xiàn)把比特流數(shù)據(jù)從天線傳到主機電腦(即接收),或者從主機電腦傳送到天線(即發(fā)送)。
在各種子板中,USRP系列涵蓋從直流到5.9GHz的整個范圍,這包括了從調(diào)幅廣播到超過Wi-Fi的所有頻率。
USRP系列的真正價值是能使工程師和設(shè)計者花費非常低的預(yù)算和最少的精力。兩者的強強聯(lián)合,靈活的硬件、開源的軟件和擁有資深用戶的GNU Radio社區(qū)等諸多因素的強力組合,使它成為您進行軟件無線電開發(fā)的理想平臺。
硬件
USRP是一種低成本的軟件無線電設(shè)備。它通過USB2.0(480Mb/s)連接到主機電腦,能在最多16MHz的射頻帶寬內(nèi)雙向發(fā)送。它包含一個可重復(fù)編程的FPGA、4個高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、4個高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和許多的輔助模數(shù)IO,這使它可以輕易集成到較大的系統(tǒng)中。它可以容納最多兩個收發(fā)機子板,這使它很容易能實現(xiàn)2x2 MIMO。
USRP2在USRP成功的基礎(chǔ)上,提供更高的性能和更大的靈活性。USRP2通過千兆以太網(wǎng)連接到主機計算機,可在高達(dá)50MHz射頻帶寬內(nèi)同步收發(fā)。它包括了一個更大的FPGA以至于可以在沒有主機電腦的情況下獨立操作設(shè)備。它有更高速度和更高精確度的ADC和DAC,只能容納單個收發(fā)機的子板,而多個USRP2可以連接起來形成更寬范圍的MIMO系統(tǒng)(最多到8x8)。
應(yīng)用
USRP產(chǎn)品系列在世界各地有著各種各樣的應(yīng)用。除了被用于快速原型設(shè)計和科研應(yīng)用,它已被部署到現(xiàn)實世界的許多商業(yè)和國防系統(tǒng)中。
商業(yè)應(yīng)用
有許多應(yīng)用USRP的商業(yè)系統(tǒng)。軟件無線電作為通信系統(tǒng)開發(fā)和原型設(shè)計的理想平臺,當(dāng)一個應(yīng)用沒有足夠的空間調(diào)整個性化的硬件設(shè)計,靈活的USRP實現(xiàn)了成本敏感的可部署的系統(tǒng)。
例如,Path Intelligence有限公司使用USRP產(chǎn)品系列跟蹤商場里行人的步行。USRP的相控陣能力使Path Intelligence通過接收手機控制信道的傳輸信息能夠確定顧客的位置。
國防和國土安全
USRP產(chǎn)品系列被美國軍事和情報服務(wù)的所有分支機構(gòu)廣泛使用,許多大的防御合作伙伴和其他北約國家也都在使用USRP。USRP主板和子板能夠以很低的預(yù)算,快速成型和部署先進無線系統(tǒng)。一些應(yīng)用包括:
·信號情報/通信情報
·戰(zhàn)場網(wǎng)絡(luò),生存網(wǎng)絡(luò)
·聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)的研究
·公共安全通訊橋梁
·應(yīng)急低功耗燈塔
·礦山安全和地下通信
·合成孔徑雷達(dá)
·無源雷達(dá)
無線研究
許多無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究者使用USRP產(chǎn)品系列研究以下各種課題:
·認(rèn)知無線電
·MIMO系統(tǒng)
·Ad-hoc和mesh網(wǎng)絡(luò)
·MAC層協(xié)議
·物理層設(shè)計
·頻譜占用,頻譜遙感
USRP產(chǎn)品系列的開放和易于使用,使創(chuàng)新的新型通信系統(tǒng)能夠快速形成原型。低成本使得在測試平臺可以部署大量節(jié)點以學(xué)習(xí)大型網(wǎng)絡(luò)的影響。
教學(xué)
美國和世界各地的許多大學(xué)都為學(xué)生配置了帶USRP系統(tǒng)的實驗室。USRP產(chǎn)品系列的低成本、極大靈活性和開源性質(zhì),以及GNU Radio開源社區(qū)的支持使USRP成為講授下列課程的理想選擇:
·軟件無線電
·信號與系統(tǒng)
·數(shù)字信號處理
·通信系統(tǒng)
·FPGA設(shè)計
軟件
GNU Radio
GNU Radio是一個開源的軟件定義無線電(SDR)平臺。它有一個世界范圍內(nèi)的開發(fā)者和用戶社區(qū)為其貢獻了堅實的基礎(chǔ)代碼,并提供了許多軟件和硬件的實際應(yīng)用。它提供了一個完整的開發(fā)環(huán)境,以創(chuàng)建您自己的無線電,為您處理所有的硬件接口、多線程、可移植性的問題。
GNU Radio提供所有通用軟件無線電需要的庫,包括各種調(diào)制方式(GMSK、PSK、QAM、OFDM等)、糾錯碼(R-S碼、維特比碼、Turbo碼)、信號處理模塊(最優(yōu)濾波器、FFT、均衡器、定時恢復(fù))和調(diào)度。它是一個很靈活的系統(tǒng),允許用戶使用C++或者Python開發(fā)應(yīng)用程序。
其他選項
雖然USRP通常與GNU Radio軟件一起使用,但它具有足夠的靈活性,完全可以適應(yīng)其他選擇。一些用戶為USRP創(chuàng)建了他們自己的SDR環(huán)境,還有一些用戶把USRP集成到了LabView和MATLAB Simulink環(huán)境中。
OSSIE是一個由第三方開發(fā)實現(xiàn)的開源軟件通信架構(gòu)(SCA),也可被USRP使用。
產(chǎn)品組合
·USRP1系統(tǒng)
·USRP2系統(tǒng)
·直流-30 MHz的接收機
·直流-30 MHz的發(fā)射機
·1 MHz-250 MHz的接收機
·1 MHz-250 MHz的發(fā)射機
·50-860 MHz的接收機
·800 MHz-2.4 GHz的接收機
·50 MHz-1 GHz收發(fā)機
·800 MHz-2.2 GHz收發(fā)機
·2.4 GHz和5 GHz的雙頻收發(fā)機
·750-1050 MHz收發(fā)機(包括小區(qū)和ISM波段,ISM是Industrial, Scientific, Medical 的縮寫,指專門用于工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)療的免費頻段)
·1150-1450 MHz收發(fā)機
·1.5-2.1 GHz收發(fā)機(包括PCS波段,PCS是 Personal Communications Service的縮寫,指用于 個人通信業(yè)務(wù)的免費頻段)
·2.3-2.9 GHz收發(fā)機(包括ISM波段)
支持的平臺
·Linux, FreeBSD, NetBSD
·Windows XP, Windows 2000
·Mac OS X (Intel和PowerPC)
使用GNU Radio開發(fā)的應(yīng)用程序可在所有上述支持平臺上運行。
USRP的發(fā)送和接收子板
BasicTX和BasicRX
1 MHz - 250 MHz發(fā)射機和接收機
BasicTX和BasicRX用做外部射頻前端的中頻(IF)接口。ADC輸入和DAC輸出直接變壓器耦合到SMA連接器(50歐姆阻抗)而不通過混頻器、濾波器或者放大器。
SMA:Sub Miniature A 一種常見的天線接口。
BasicTX和BasicRX可以直接訪問子板接口上的所有信號(包括16位告訴數(shù)字I/O,SPI和I2C總線以及低速ADC和DAC)。
LFTX和LFRX
直流-30 MHz發(fā)射機和接收機
LFTX和LFRX與BasicTX和BasicRX類似,主要有兩個不同之處。首先,由于LFTX和LFRX使用差分放大器而不是變壓器,它們的頻率響應(yīng)可以達(dá)到直流。其次,LFTX和LFRX有30 MHz低通濾波器用于抗鋸齒化。
TVRX
50-860 MHz接收機
TVRX子板是個基于一個電視調(diào)諧器模塊的完全的甚高頻(VHF)和超高頻(UHF)接收系統(tǒng)。只需連接一個天線,你就可以在50-860 MHz范圍內(nèi)的任何地方接收到6 MHz寬的頻譜范圍。所有的調(diào)諧和自動增益控制(AGC)功能可以通過軟件控制。這種板子不僅僅能用于接收電視,可以實現(xiàn)更多功能。它的典型噪聲系數(shù)為8dB。
注:TVRX是唯一不支持MIMO的子板
DBSRX
800 MHz- 2.4 GHz接收機
DBSRX是一個從800 MHz到2.4 GHz的完整接收系統(tǒng),其噪聲指數(shù)為3-5dB。DBSRX有一個軟件可控的信道濾波器,它可做成窄至1 MHz或?qū)捴?0 MHz。DBSRX頻率范圍涵蓋了許多知名波段,包括所有GPS和伽利略波段、902-928 MHz ISM波段、蜂窩和PCS、氫和羥基射電天文學(xué)波段、DECT(Digital Enhanced Cordless Telecommunications, 數(shù)字增強型無繩電話通信)等更多波段。DBSRX支持MIMO,并能通過同軸電纜為有源天線供電。
注:DBSRX不保證覆蓋2.4-2.48 GHz 的ISM波段。
USRP的收發(fā)子板
描述
這類子板把USRP或USRP2變成一個完整的RF收發(fā)系統(tǒng),僅僅添加上天線,你就可以在許多知名頻段實現(xiàn)雙向、高帶寬的通信。該板有許多特性使之可以方便的集成到更復(fù)雜的系統(tǒng)中,比如數(shù)字控制線,以及可分開發(fā)送和接收端口的選項等。
特性
·30 MHz收發(fā)帶寬
·全同步設(shè)計, 支持MIMO
·所有功能可由軟件或FPGA控制
·接收機和發(fā)射機的獨立本地振蕩器(LO)使其支持分頻運行
·小于200微秒鎖相環(huán)鎖定時間,可用于跳頻 PLL(Phase Lock Loop,鎖相環(huán))
·內(nèi)置收/發(fā)開關(guān)
·發(fā)射機和接收機使用同一連接器或使用輔助接收機端口
·16個數(shù)字I / O線來控制外部設(shè)備比如天線開關(guān)等
·內(nèi)置的模擬RSSI(Received Signal Strength Indication接收信號強度指示)測量
·70分貝的AGC范圍
·可調(diào)發(fā)射功率
·支持全雙工功能(有某些限制)
子板類型
WBX0510
頻率范圍:50 MHz-1 GHz
發(fā)射功率:100mW (20dBm)
WBX0510的頻率范圍覆蓋許多知名波段,包括廣播電視、公共安全、陸地移動通信、低功耗免許可設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、手機,以及五個業(yè)余無線電波段。
RFX900
頻率范圍:750-1050 MHz
發(fā)射功率:200mW (23dBm)
RFX900裝配了一個902-928 MHz的ISM波段濾波器用于過濾強的帶外信號(如尋呼機),這個濾波器可以很容易的繞過以便可在整個頻率范圍內(nèi)與除了ISM波段之外的蜂窩、尋呼、motes和雙向無線電一起使用。
RFX1200
頻率范圍:1150-1450 MHz
發(fā)射功率:200mW(23dBm)
覆蓋導(dǎo)航、衛(wèi)星和業(yè)余波段
RFX1800
頻率范圍:1.5-2.1 GHz
發(fā)射功率:100mW(20dBm)
覆蓋DECT、US-DECT和PCS頻段(包括免許可波段)
RFX2400
頻率范圍:2.3-2.9 GHz
發(fā)射功率:50mW(17dBm)
RFX2400帶有一個ISM波段(2400-2483 MHz)附近的帶通濾波器。該濾波器可被輕易繞過以便覆蓋全部頻率范圍。
XCVR2450
頻率范圍:2.4-2.5 GHz和4.9-5.9 GHz
發(fā)射功率:100mW(20dBm)
XCVR2450覆蓋2.4 GHzISM波段和整個4.9-5.9 GHz波段,包括公共安全、UNII(Unlicensed National Information Infrastructure,免許可國家信息基礎(chǔ)設(shè)施)、ISM和日本無線波段。
USRP2 下一代軟件無線電系統(tǒng)
USRP2
USRP2基于USRP的成功經(jīng)驗,以非常低的價格提供更高的性能和更大的靈活性。更高速度和更高的精度ADC和DAC在允許使用更寬波段的信號,增加了信號的動態(tài)范圍。針對DSP應(yīng)用優(yōu)化了的大型現(xiàn)場可編程門陣列( FPGA )可以在高采樣率下處理復(fù)雜波形。千兆以太網(wǎng)接口,使應(yīng)用程序可以使用USRP2同時發(fā)送或接受50 MHz的射頻帶寬。在USRP2中,F(xiàn)PGA出現(xiàn)了諸如數(shù)字上變頻器和下變頻器等高采樣率處理器。較低采樣率的操作可在主機電腦上,甚至可以在具有32位RISC微處理器和有很大用戶設(shè)計自由空間的FPGA上做。更大的FPGA使得USRP2可以在沒有電腦主機的情況下作為一個獨立的系統(tǒng)運行。 USRP2的配置和固件被存儲在一個SD閃存卡里,無需特別的硬件就可以輕松編程。
多個USRP2系統(tǒng)可以連接在一起形成最多可達(dá)8天線MIMO的全相關(guān)多天線系統(tǒng)。主振蕩器可以被鎖定到一個外部參考,并有一個每秒1個脈沖( 1PPS )的輸入用于對精確定時有需求的應(yīng)用。
特性
·兩個100 MS/s的14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器
·兩個400 MS/s的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器
·可編程控制抽樣率的數(shù)字下變頻器
·可編程控制插值率的數(shù)字上變頻器
·千兆以太網(wǎng)接口
·2 Gbps的高速串行接口用于擴展
·能處理的信號帶寬高達(dá)100 MHz
·模塊化的架構(gòu),可以支持更多的射頻子板
·附屬的模擬和數(shù)字I/O支持復(fù)雜的無線電控制,例如RSSI和AGC
·多達(dá)8天線的全相關(guān)多信道系統(tǒng)(支持MIMO)
·1兆字節(jié)的板載高速SRAM