软件无线电原理深入解析

SDR技术原理解析

2016/12/03

　　本博客通俗地介绍SDR的技术原理。先简单介绍SDR的概念，SDR系统的分类，基于GPP的SDR系统。接着详细介绍SDR系统原理，最后再以SDR LTE系统为例进一步解析SDR系统的工作流程。

一 软件无线电（SDR）概念

　　软件无线电，即Software Defined Radio，SDR。通俗来讲，SDR就是基于通用的硬件平台上用软件来实现各种通信模块。

　　概念中有两个关键词，“通用硬件平台”和“软件”。“通用硬件平台”就是说我们能基于这个硬件平台实现各种各样的通信功能，而不是说一个硬件平台只能实现一种通信功能。“软件”来实现通信模块是相对于传统的无线电技术来讲的，传统的无线电通信模块都是用硬件电路来设计，一个通信电路只能完成一种通信功能，开发周期长，开发成本高，而且一旦设计好后功能就无法改变。软件化可以加快通信模块的开发速度，降低开发成本，便于调试和维护。

　　我们可以用图1来简单看看软件无线电基站与传统的无线电基站的区别。图片左边的是传统的大基站，图片右边的是基于软件无线电的小型化基站。传统的商用基站体积较大，需要设计很多专用的硬件电路；而SDR基站体积较小，大部分通信功能由软件实现。

图2 SDR通信系统

3.1 USRP

　　USRP是Ettus公司的产品，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价格越贵。由于USRP型号太多，我们以B系列为例来介绍USRP。 B系列主打小型化，目前有USRP B200/B210、USRP mini系列等，其中迷你系列更是只有一张名片大小。而且B系列都采用USB3.0接口与GPP通信，而且直接采用USB供电，使用非常便捷。USRP B系列的产品大部分单价都在7000-8000块之间，但是如果加上税钱、运费等，差不多就得10000块了。国内代理USRP相关的主要是嘉兆科技有限公司。USRP相关产品的介绍请链接官网https://www.ettus.com/product

图4 BladeRF设备

3.3 HackRF

　　HackRF，顾名思义是黑客版的SDR外设，它主打性价比高，价格便宜。HackRF主要有两种版本，HackRF blue和HackRF one，其中HackRF blue是低配版，HackRF是高配版。注意的是HackRF只能支持半双工。HackRF详细的信息请查阅官网http://greatscottgadgets.com/hackrf/

3.4 RTLSDR

　　如果说上述设备对学生党来说都太贵了，毕竟动不动就好几千块钱，那么不得不隆重介绍下入门级的SDR外设，RTLSDR。淘宝一搜RTLSDR就能出来一大堆，而且都只需要几十块钱，博主目前就买了一个，正在研究怎么使用。便宜就意味着性能的低，RTLSDR本来是用来接收电视信号的，所以也称为电视棒。RTLSDR只能接收信号，不能发射信号，而且只有2.8M/s的采样速率，根据奈奎斯特采样定律换算一下理论上最大支持的带宽只有1.4M。但这仍然是一款非常适合用来入门的SDR外设。RTLSDR具体使用方法参见http://sdr.osmocom.org/trac/wiki/rtl-sdr和http://www.rtl-sdr.com/。

图7 SDR发射机原理图

4.2 接收机

　　可能有人会问为什么要经过两次变频。我们以SDR接收机给大家讲解。如图8所示是SDR接收机的原理图。同样的，左边是笔记本的示意图，与发射机的一样；右边是USRP的接收示意图，USRP接收示意图与发射示意图稍有不同。

　　首先接收部分的放大器变成了低噪放，顾名思义，低噪放就是低噪声的放大器，本质上还是个放大器。因为接收的信号里面包含了信道的噪声，接收机不能把噪声放的过大。

　　信号经过低噪放后与USRP晶振产生的信号相乘把信号下变频到中频，同样地再经过一个低通滤波器把信号变得平滑。

　　之后中频信号经过ADC把模拟域的信号转到数据域。ADC是USRP里面很重要的一个部件。ADC主要由两个参数，采样精度和采样率。采样精度表示采样后的信号用多少bit来表示，例如USRP B200的ADC精度为12 bits，即采样后的每一个数据用12bits来表示。采样率就是系统的采样速率，USRP B200的采样速率为61.44MS/s。这也就是为什么大部分SDRLTE系统都采用USRP B系列作为外设的原因，61.44MS/s的采样率刚好是LTE系统最大采样速率30.72M的两倍。

　　同样地信号经过ADC之后，数字信号被送入FPGA模块处理。FPGA里面包含两个模块，数字下变频和接收控制。接收控制用来控制整个USRP系统的接收流程，例如什么时候开始接受等。数字下变频即DDC，用于把信号从中频下变频到基带。

图9 下变频原理示意图

　　数字信号经过USB3.0接口传输到笔记本电脑上后，电脑再把数据传输给SDR程序处理。物理层处理完后再把数据交给上层。这样SDR接收机的信号接收过程便完成了。

SDR发射机/接收机里面的每一个模块都对应一大片知识，知识的海洋是无穷的，这里的介绍只能起一个抛砖引玉的作用。如果大家想深入学习的话，还得要多查阅资料。

五 SDR LTE系统

　　上一章节从SDR发射机和接收机的角度分别介绍SDR系统的原理。下面我们以SDR LTE系统为例给大家介绍一个SDR系统的例子，有助于大家理解实际项目的中SDR通信系统。

　　目前国际上已经有好几个开源的SDR LTE系统，如OpenAirInterface，srsLTE，OpenLTE等，详情可以查看http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/53026659。开源的SDR LTE系统非常适合用来学习SDR和LTE的原理和知识。

　　下面以图10来介绍SDR LTE系统的工作流程。

　　首先LTE的上层有数据需要物理层发送，比如我们要发送一个经典的字符串”Hello World”，上层把数据编码成Bit流自后交给物理层。上层可能采用的ASCII编码，把Hello World编码成对应的Bit流。即物理层收到的是一连串的100110等。

　　Bit流传到物理层后开始进行编码，LTE采用的是1/3 码率的Turbo编码，再经过加扰，加扰可以理解为将Bit流随机化，避免出现一大串连续的0或者1。此外，在发送端用小区专用扰码序列进行加扰，接收端再进行解扰，只有本小区内的UE才能根据本小区的ID形成的小区专用扰码序列对接收到得本小区内的信息进行解扰，这样可以在一定程度上减小临小区间的干扰。

　　接着Bit流经过调制模块后被调制成复数。LTE里面采用的是QPSK，16QAM和64QAM等调制方式，出来的数据形式如0.707+0.707j。

　　接着复数进行资源映射，把复数映射到LTE的时频资源上，最后再对这些信号进行OFDM把信号转换到时域。此时，SDR程序的工作便完成了，生成了LTE系统的基带数据。

　　紧接着，GPP把基带数据通过USB3.0接口把数据传输给USRP，由USRP经过上一章讲述的流程把基带信号上变频到射频并发送出去。

图10 SDR LTE系统原理

　　LTE接收机的过程基本与发射机相反。

　　USRP把接收到的射频信号下变频到基带后通过USB3.0接口传输给SDR程序。SDR程序把接收到的一连串复数先做OFDM解调，接着信道估计/均衡。此时的数据仍然是复数形式的。经过软解调之后数据变成Bit流，最后再进行解扰，解码恢复出”Hello World”的ASCII码，传输给UE的上层后，UE识别出有人给它发送了一串信息，即”Hello World”。

　　至此，通信的过程完成。

六 参考文献

我的SDR方面的 SCI 论文

X. Wei; H. Liu; Z. Geng; K. Zheng; R. Xu; Y. Liu; P. Chen, “Software Defined Radio Implementation of a Non-Orthogonal Multiple Access System towards 5G,” in IEEE Access , vol.PP, no.99, pp.1-1

我的博士师兄带我飞的论文

X. Xiong, W. Xiang, K. Zheng, H. Shen and X. Wei, “An opensource SDR-based NOMA system for 5G networks,” in IEEE WirelessCommunications, vol. 22, no. 6, pp. 24-32, December 2015.

来源：Tori今天学习了吗