usrp介绍

看到一介绍USRP的好文，征得作者同意，现转载如下。

该文转载自：

http://jeccyshome.spaces.live.com/blog/cns!4878164F2CBA0005!197.entry

USRP硬件平台介绍

USRP：Universal Software Radio Peripheral

USRP由母板和子板组成。一块USRP母板主要包括如下硬件器件[1]： 1．4个高速AD转换器，每个AD采样率为64MS/s，12bit，85dB SFDR(无杂散动态范围)（AD9862）；

2．4个高速DA转换器，每个DA采样率为128MS/s，14bit，83dB SFDR （AD9862）；

3. 一片FPGA，型号为Altera Cyclone EP1C12Q240C8；

4．一片高速USB2.0控制器（接口速率480Mbps），型号为Cypress EZ-USB FX2（注意，USRP不支持USB1.x）；

5．4个扩展插槽（2发2收），用于连接2-4块子板； 6．每个子板上提供16个GPIO引脚，用于外部调试； 7．一些胶合逻辑。

USRP2是USRP的增强版，于2008年9月推出，其母板所选用硬件的

信号处理能力有很大提高[1]：

ü FPGA选择Xilinx Spartan 3-2000 FPGA； ü 除USB2.0之外，还提供G比特以太网接口； ü 两个100MS/s，14bit的AD转换器； ü 两个400MS/s，16bit的DA转换器； ü SD卡读卡器； ü 等等…

USRP的子板作为射频前端使用，其作用是将基带信号调制到一个较高的载频上输出，或将输入信号下变频到基带。子板的类型有三种：接收板(Receiver)、发送板(Transmitter)、收发板(Transceiver)。

接收板只支持接收，并只有一个RX端口，接收板有以下几种[1][2]： ü BasicRX，1-250MHz接收，BasicRX板只进行一个简单的接口转换，即将母板上扩展插槽引脚上的模拟信号转换为SMA射频线缆中的模拟信号。也就是说，采用Basic板，通信系统为零中频的，达到了SDR的理想状态——数字部分尽量靠近射频端。

ü TVRX，安装有Microtune 4937 Cable猫调谐器。该子板仅用于接收。射频频率从50MHz到800MHz，中频带宽为6MHz。所需要安装的仅有在该频段范围内的天线，例如FM或TV天线。

ü DBSRX，类似于TVRX，仅用于接收，工作频段为800MHz到2.4GHz。

ü LFRX，DC到30MHz接收。

发送板只支持发送，并占用一个TX端口：

ü BasicTX，1-250 MHz发送； ü LFTX，DC到30 MHz接收。

ü 收发板具有发送和接收功能，占用两个端口。 ü RFX2400，2.3-2.9 GHz收发器，20+ mW。 ü …

子板允许USRP工作在全频段上。但是，如果多块子板同时装载在一块母板上，当要求接收机具有较高的灵敏度时，那么可能需要某些屏蔽措施以避免子板间的串扰[1]。

下图是USRP硬件平台的图片，其中下方是母板，上方为子板（子板为Basic板）[2]。

USRP的硬件特性很大程度上限制了GNU Radio的波形开发。因此，了解掌握USRP的硬件性能限制对于波形开发来说是非常重要的。以下，列举几项注意事项[2]：

1． 母板对信号载频的限制。USRP的AD转换器采样速率为64M Sample/s。原则上讲，当对带通信号采样时，只需要遵循带通采样定理，对信号的载频不做要求。但事实上，信号频率越高，由抖动引起的信噪比下降会越严重，USRP建议信号频率最高不超过100MHz。（这可能是AD器件的SFDR的限制引起的，但不理解SFDR的含义。另外，ADC中的jitter的含义是什么？）

2． ADC与PGA（Programmable gain amplifier）。PGA在ADC之前，用于调整输入信号的动态范围匹配ADC的动态范围，以使量化误差最

小。有关PGA与ADC的主要参数如下图所示。其中ADC采样率为128MHz的约数，最高采样速率为32MS/s。

3． DAC。DAC位宽为14bit，采样率为128MS/s。理论上，Nyquist速率为64MHz，但受滤波器非理想因素的影响，需要有一定的保护带宽开销。建议信号带宽最大不超过50MHz（基带采样）。

4． 支持信道数。一个USRP母板上有4个DAC与4个ADC，如果是对实信号进行采样，则可以同时支持4个信道，如果是对复信号进行采样，则可以同时支持2个信道。

以上列举了4项母板使用的注意事项，对子板的使用需要注意： 5． 子板与母板的连接关系。母板上有两对互相对应的TX与RX插槽（slot），分别为TXA、TXB、RXA、RXB。每个插槽占用2个DAC或ADC。因此，对于实信号，每个子板支持2个互相独立的RF通道，整个系统支持4个独立实数RF通道；对于复信号，每个子板支持1个RF通道，整个系统支持4个独立实数RF通道。另外，每个子板上有2个SMA射频连接器。下图为SMA射频连接线。

（SMA-M，SMA-F）

（摘自：http://www.surplussales.com/connectors/SMA-4.html） 6． FPGA。

a) FPGA的功能是完成数字上下变频、插值/抽取滤波。FPGA与母板上的ADC与DAC相连，并连接USB2控制器，其的连接关系如下图所示。

（摘自文献[2]）

b) FPGA接收通道标配。FPGA接收通道标配为DDC（Digital down converter）与CIC（cascaded integrator-comb）的级联。CIC只采用加法与时延实现，十分高效。FPGA中有4个DDC，可支持独立的1、2或4个接收通道。每个DDC有一对I路与Q路输入。母板上的4个ADC的输出可任意布线到任意一个DDC的任意I路或Q路输入。

i. 限制：1、2或4个RX通道必须具有相同的数据速率，也即相同的抽取率。

ii. 如何控制哪个ADC与哪个DDC相连？在Python语言中，使用usrp.set_mux()方法。

下图是MUX与ADC、DDC的互联关系：

下图是一个DDC内部的结构。每个DDC有两个输入I和Q路数字信号，进入DDC后，首先进行正交下变频至基带信号，然后分别对下变频之后的I路和Q路进行抽取，以适配USB2接口速率与PC机的处理能力。

复信号的接收路径可进行如下配置：

注：如果不是零中频，如上图所示，需要占用2 ADC+1 DDC资源构成一个射频通路；如果是零中频，则需要占用1 ADC+1 DDC资源构成一个射频通路。

实信号的接收路径可进行如下配置：

iii. Usrp.set_mux()控制字设置 MUX控制字格式如下：

每个DDC的每个输入（I或Q）用一个4bit值来指定与哪个ADC相连，每个DDC的I路必定与四个ADC中的一个相连，四个DDC的Q路或者全部接地（配置为0xf），或者全部与ADC相连。对于实信号采样的应用，所有DDC的Q路永远接地，这是FPGA的标准配置；如果是复信号采样的应用，则需要改变FPGA的标准配置。

iv. DDC中的最后一步是CIC抽取滤波器，抽取得到的基带IQ信号需要通过USB接口送入PC机。USB接口速率是32MB/sec（256Mbps），通过USB接口的采样值用16-bit signed integers数据类型表示，即16-bit I与16-bit Q数据。因此，经过USB接口的最大基带采样信号速率为：8M Sample/sec (32bit/Sample)。也就是说，接收端最大Nyquist带宽为8MHz。在Python语言中，可以使用usrp.set_rx_freq()方法设置DDC的中频频率，用usrp.set_decim_rate()方法设置DDC中的抽取倍数，抽取倍数可设置范围为[1, 256]。

v. 4个DDC的输出交织被USB接口读取，如ii中图所示。例如，如果使用4个信道（这是最大信道数），序列以I0 Q0 I1 Q1 I2 Q2 I3 Q3 I0 Q0 I1 Q1…的方式通过USB接口发送给PC。USRP可以工作在全

双工模式。当使用这种模式时，发送与接收部分是完全独立的，唯一需要考虑的是通过USB接口的总数据速率不能小于32MB/s。 vi. OK！I/Q复信号便通过USB进入了PC，从此进入软件世界！ c) FPGA的发送通道。AD9862中内置CORDIC算法进行数字上变频，因此，DUC（digital up converter）在AD9862中，而不在FPGA中。在发送端，FPGA的唯一工作是将发送信号进行内插滤波，直至速率为32MS/s，送给AD9862。（AD9862会使用两个级联的半带滤波器将信号内插至128MS/s，再利用其内置的CORDIC算法进行数字上变频，得到所期望的调制信号。） 上述各项内容可称之为USRP的“Data Sheet”，开发者必须了解这些特性才能灵活有效地使用USRP进行软件无线电的开发。 建议阅读 参考文献： [1] http://en.wikipedia.org/wiki/Universal_Software_Radio_Peripheral [2] Dawei Shen, “Tutorial 4: The USRP Board.” 清空我的评分动态本帖最近评分记录: 共3条评分记录 meteor bluerain 铜币 +3 铜币 +5 2010-03-1优秀文章 7 2010-03-1优秀文章 7

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