4.1 NI-USRP簡介

• • • 一、SDR簡介
    • 二、USRP簡介
    • 三、NI與Ettus
    • 四、相關產品型號介紹

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一、SDR簡介

軟件定義無線電(Software-defined radio, SDR) 是一種無線電通信系統，其中傳統上以硬件實現的組件（例如混頻器、濾波器、放大器、調制器/解調器、檢測器等）改為通過個人計算機上的軟件或嵌入式系統。[1]雖然 SDR 的概念并不新鮮，但數字電子技術迅速發展的能力使許多曾經僅在理論上可行的過程變得實用。

一個基本的 SDR 系統可能包括一臺配備聲卡或其他模數轉換器的個人計算機，前面是某種形式的射頻前端。大量的信號處理被移交給通用處理器，而不是在專用硬件（電子電路）中完成。這樣的設計產生了一種無線電，它可以僅基于所使用的軟件來接收和傳輸廣泛不同的無線電協議（有時稱為波形）。

軟件無線電對軍事和手機服務具有重要意義，這兩者都必須實時服務于各種不斷變化的無線電協議。從長遠來看，無線創新論壇等支持者預計軟件定義無線電將成為無線電通信領域的主導技術。SDR 以及軟件定義的天線是認知無線電的推動者。

軟件定義無線電可以足夠靈活，以一種或多種方式避免以前類型無線電設計者的“有限頻譜”假設，包括：

擴頻和超寬帶技術允許多個發射機在同一頻率上以極少的干擾在同一位置進行傳輸，通常結合一種或多種錯誤檢測和糾正技術來修復由該干擾引起的所有錯誤。

軟件定義的天線自適應地“鎖定”定向信號，以便接收器可以更好地拒絕來自其他方向的干擾，從而使其能夠檢測到較微弱的傳輸。

認知無線電技術：每個無線電測量使用中的頻譜并將該信息傳達給其他合作無線電，以便發射機可以通過選擇未使用的頻率來避免相互干擾。或者，每個無線電都連接到地理定位數據庫以獲得有關其所在位置的頻譜占用的信息，并靈活地調整其工作頻率和/或發射功率，以免對其他無線服務造成干擾。

動態發射器功率調整，基于從接收器傳遞的信息，將發射功率降低到最低限度，減少遠近問題并減少對他人的干擾，并延長便攜式設備的電池壽命。

無線網狀網絡，其中每個添加的無線電都會增加總容量并降低任何一個節點所需的功率。[4]每個節點僅使用消息在該方向上跳到最近節點所需的足夠功率進行傳輸，從而減少了遠近問題并減少了對其他節點的干擾。

工作原理

超外差接收器使用可變頻率振蕩器、混頻器和濾波器將所需信號調諧到公共中頻或基帶。通常在 SDR 中，該信號隨后由模數轉換器進行采樣。然而，在某些應用中，無需將信號調諧到中頻，射頻信號由模數轉換器直接采樣（放大后）。

真正的模數轉換器缺乏動態范圍來拾取亞微伏、納瓦功率的無線電信號。因此，必須在轉換步驟之前安裝一個低噪聲放大器，而該設備會帶來其自身的問題。例如，如果存在雜散信號（這是典型的），它們會與放大器動態范圍內的所需信號競爭。它們可能會在所需信號中引入失真，或者可能完全阻塞它們。標準解決方案是在天線和放大器之間放置帶通濾波器 ，但這會降低無線電的靈活性。真正的軟件無線電通常具有兩個或三個具有不同帶寬的模擬通道濾波器，它們可以切換進出。

來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Software-defined_radio

二、USRP簡介

USRP（Universal Software Radio Peripheral，通用軟件無線電外設）是一系列軟件定義無線電，由 Ettus Research 及其母公司National Instruments設計和銷售。USRP 產品系列由Matt Ettus領導的團隊開發，常被研究實驗室、大學和業余愛好者使用。旨在使普通計算機能像高帶寬的軟件無線電設備一樣工作。從本質上講，USRP充當了一個無線電通訊系統的數字基帶和中頻部分。

大多數 USRP 通過高速鏈路連接到主機，基于主機的軟件使用該鏈路來控制 USRP 硬件和傳輸/接收數據。一些 USRP 型號還將主機的一般功能與嵌入式處理器集成在一起，使 USRP 設備能夠以獨立方式運行。

USRP 系列專為可訪問性而設計，許多產品都是開源硬件。部分 USRP 型號的電路板原理圖可免費下載；所有 USRP 產品均由開源 UHD 驅動程序控制，該驅動程序是免費的開源軟件。USRP 通常與GNU Radio軟件套件一起使用，以創建復雜的軟件定義無線電系統。

設計

USRP 產品系列包括使用類似架構的多種型號。主板提供以下子系統：時鐘生成和同步、FPGA、ADC、DAC、主機處理器接口和電源調節。這些是信號基帶處理所需的基本組件。稱為子板的模塊化前端用于上/下轉換、濾波和其他信號調節等模擬操作。這種模塊化允許 USRP 為在 DC 和 6 GHz 之間運行的應用程序提供服務。

在庫存配置中，FPGA執行多個DSP操作，最終提供從模擬域中的真實信號到數字域中較低速率、復雜的基帶信號的轉換。在大多數用例中，這些復雜的樣本被傳輸到/從在主機處理器上運行的應用程序中傳輸，這些應用程序執行 DSP 操作。FPGA 的代碼是開源的，可以修改以允許在 FPGA 中進行高速、低延遲的操作。

軟件

USRP 硬件驅動程序 (UHD) 是 Ettus Research 提供的用于 USRP 產品系列的設備驅動程序。[3]支持 Linux、MacOS 和 Windows 平臺。包括 GNU Radio、LabVIEW、MATLAB和 Simulink 在內的多個框架都使用 UHD。UHD 提供的功能也可以通過 UHD API 直接訪問，該 API 提供對 C++ 的本機支持。任何其他可以導入 C++ 函數的語言也可以使用 UHD。例如，這是通過 SWIG 在 Python 中完成的。

UHD 提供跨 USRP 產品系列的可移植性。如果適當考慮采樣率和其他參數，為特定 USRP 模型開發的應用程序將支持其他 USRP 模型。

幾個軟件框架支持 UHD：

GNU Radio是一個 Free/Libre 工具包，可用于開發軟件定義的無線電。該框架結合使用 C++ 和 Python 來優化 DSP 性能，同時提供易于使用的應用程序編程環境。GNU Radio Companion是 GNU Radio 提供的圖形編程環境。

National Instruments 銷售NI USRP 292x系列，其功能等同于 Ettus Research USRP N210。NI 還通過 NI-USRP 驅動程序為該設備提供 LabVIEW 支持。

MATLAB和Simulink支持 USRP N210 和 USRP2 。此軟件包包括插件和幾個用于這兩種設備的示例。

OpenLTE是作為SDR的 3GPP LTE 規范的開源實現。

許多用戶使用自己的自定義框架進行開發。在這種情況下，可以使用 UHD API 訪問 USRP 設備。UHD 還提供了一些示例，展示了如何使用 API。

來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_Software_Radio_Peripheral

三、NI與Ettus

NI

National Instruments（美國國家儀器有限公司，簡稱NI）創立于1976年，總部設于德克薩斯州首府奧斯汀，是一家測量行業的上市公司 (納斯達克掛牌代號 NATI) ，在世界各地設有50多個分公司和辦事處，和眾多系統聯盟成員。

30多年來，美國國家儀器公司(NI)幫助測試、控制、設計領域的工程師與科學家解決了從設計、原型到發布過程中所遇到的種種挑戰。通過現成可用的軟件，如LabVIEW, 以及高性價比的模塊化硬件，NI幫助各領域的工程師不斷創新，在縮短產品問世時間的同時有效降低開發成本。如今，NI為遍布全球各地的30,000家不同的客戶提供多種應用選擇。NI總部設于美國德克薩斯州的奧斯汀市，在40個國家中設有分支機構，共擁有5,200多名員工。在過去連續十二年里，《財富》雜志評選NI為全美最適合工作的100家公司之一。作為最大的海外分支機構之一，NI中國擁有完善的產品銷售、技術支持、售后服務和強大的研發團隊。

來源：https://baike.baidu.com/item/NI/4037934?fr=aladdin

Ettus

Ettus Research是自2010年以來的NI品牌，是世界領先的軟件定義無線電平臺供應商，包括通用軟件無線電外圍設備（USRP）產品系列。
通過支持廣泛的高性能RF硬件組合的各種開發環境，USRP平臺是SDR選擇，適用于全球數千名工程師，科學家和學生進行算法開發，探索，原型設計和開發下一代無線各種應用的技術。

USRP系列產品專為從DC到6 GHz的RF應用而設計，包括多天線（MIMO）系統。示例應用領域包括白色空間，手機，公共安全，頻譜監測，無線電網絡，認知無線電，衛星導航和業余收音機。

NI，通過ETTES研究品牌，提供優質的軟件定義的無線電產品組合，即組合使用的易用性和強大的開源軟件社區。利用USRP硬件驅動程序（UHD）的電源，工程師可以訪問軟件選項的生態系統，從開源到圖形系統設計。

開源GNU無線電軟件代碼存儲庫可幫助工程師接口與支持其他用戶的數百個活動成員并越來越多的CodeBase。

通過這種開源社區，GNU無線電軟件繼續發展并解決更多的應用，包括RF和通信系統設計，包括MAC和PHY研究，頻譜監測和信號智能以及無線傳感器和跟蹤。

在其他軟件選項中，工程師可以使用NI LabVIEW軟件使用圖形系統設計方法進行編程。使用NI和ETTES軟件定義的無線電硬件和LabVIEW，他們可以更快地原型，并顯著縮短它們的結果。 NI和ETTES提供完整的平臺，可選擇重用現有的軟件工具，以便在統一的設計流程中為簡化的編程，從設計中縮放到部署。

來源：https://www.ettus.com/about/

NI與Ettus的關系

Ettus Research 公司，從2010年開始成為國家儀器（ NI ）公司的子公司，是軟件定義無線電平臺（包括通用軟件無線電外國設備 USRP 系列產品）的全球領先供應商，擁有 USRP 的商標權。使用 USRP 設計的系統具有相對低廉的價格、優秀的擴展能力以及廣泛的軟件兼容性等優勢，來自全球成干上萬的王程師都使用 USRP 通用軟件無線電平臺， USRP 系列產品在軟件定義無線電（ SDR ）的硬件算法的開發，研究和原型機設計等方面都是業界首選。
USRP 全系列產品專為從 DC 全6GHz的射頻應用所設計，支持 GNU Radio 、 Matlab 和 LabView 等主要的軟件框架，可以快速進行算法驗證、原型機開發和系統集成，常見應用有5GNR、LTE、 GSM、 GPS、 WIFI、雷達、大規模 MIMO 系統以及無線電頻語監測等。

來源：https://www.ettus.com.cn/sev/aboutettus.aspx

四、相關產品型號介紹

NI與Ettus產品型號對照表

選型表

型號RF頻率范圍RF收發儀瞬時帶寬FPGA輸入通道數量輸出通道數量總線連接器GPSDO

USRP-2955	10MHz-6GHz	80MHz	Kintex-7 410T	4	0	Mxle,以太網	是
USRP-2920	50MHz-2.2GHz	20MHz	——	1	1	以太網	否
USRP-2921	2.4GHz-2.5GHz4.9GHz-5.9GHz	20MHz	——	1	1	以太網	否
USRP-2922	400MHz-4.4GHz	20MHz	——	1	1	以太網	否
USRP-2930	50MHz-2.2GHz	20MHz	——	1	1	以太網	是
USRP-2932	400MHz-4.4GHz	20MHz	——	1	1	以太網	是
USRP-2940	50MHz-2.2GHz	40MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	否
USRP-2940	50MHz-2.2GHz	120MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	否
USRP-2942	400MHz-4.4GHz	40MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	否
USRP-2942	400MHz-4.4GHz	120MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	否
USRP-2943	1.2GHz-6GHz	40MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	否
USRP-2943	1.2GHz-6GHz	120MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	否
USRP-2944	10MHz-6GHz	160MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	否
USRP-2945	10MHz-6GHz	80MHz	Kintex-7 410T	4	0	Mxle,以太網	否
USRP-2950	50MHz-2.2GHz	40MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	是
USRP-2950	50MHz-2.2GHz	120MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	是
USRP-2952	400MHz-4.4GHz	40MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	是
USRP-2952	400MHz-4.4GHz	120MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	是
USRP-2953	1.2GHz-6GHz	40MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	是
USRP-2953	1.2GHz-6GHz	120MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	是
USRP-2954	10MHz-6GHz	160MHz	Kintex-7 410T	2	2	Mxle,以太網	是

附加資料鏈接

[1] http://ni.mwrf.net/down/2014/111.html

[2] https://www.ettus.com.cn/

[3] https://www.ettuschina.com/

[4] https://www.ettus.com/

[5] http://ni.iianews.com/snsproduct.shtml

總結

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