軟件無線電（SDR）概念

　　軟件無線電，即Software Defined Radio，SDR。通俗來講，SDR就是基于通用的硬件平臺上用軟件來實現各種通信模塊。

　　概念中有兩個關鍵詞，“通用硬件平臺”和“軟件”。“通用硬件平臺”就是說我們能基于這個硬件平臺實現各種各樣的通信功能，而不是說一個硬件平臺只能實現一種通信功能。“軟件”來實現通信模塊是相對于傳統的無線電技術來講的，傳統的無線電通信模塊都是用硬件電路來設計，一個通信電路只能完成一種通信功能，開發周期長，開發成本高，而且一旦設計好后功能就無法改變。軟件化可以加快通信模塊的開發速度，降低開發成本，便于調試和維護。

　　我們可以用圖1來簡單看看軟件無線電基站與傳統的無線電基站的區別。圖片左邊的是傳統的大基站，圖片右邊的是基于軟件無線電的小型化基站。傳統的商用基站體積較大，需要設計很多專用的硬件電路；而SDR基站體積較小，大部分通信功能由軟件實現。

　　圖1 商用基站與SDR基站

　　SDR技術被譽為通信領域的第三次革命。第一次革命是1G通信系統，由有線通信到無線通信的革命；第二次革命是2G通信系統，由模擬通信到數字通信的革命。SDR是未來通信系統的發展趨勢。

　　SDR系統原理

　　下面正式開始講解SDR的系統原理。在上面的介紹中我們知道GPP-Based SDR系統一般都是包含一個GPP和一個外設。我們以一臺筆記本電腦連接一個USRP B200為例來給大家講解SDR系統內部的實現原理。

　　.1 發射機

　　首先我們來看發射端的系統原理圖，即圖7。圖的左邊是一臺筆記本的示意圖，右邊的一個USRP B200的發射示意圖。

　　首先看筆記本結構最上面的SDR程序。這個程序就是我們用軟件來實現的通信模塊，在筆記本上我們可以用各種高級編程語言來編寫各種通信模塊，例如Turbo編碼模塊，OFDM模塊等。鑒于SDR系統對實時性要求較高，所以我們一般使用C或C++語言來編寫SDR程序。SDR程序里面包含了通信系統完整的協議棧，如果我們寫的是LTE系統，則包含PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC、NAS甚至MME等；而如果我們的是WiFi系統，則包含PHY、MAC、LLC等。SDR程序的主要功能是處理系統的基帶數據。

　　接下來UHD是USRP設備的驅動模塊，不同的外設使用的驅動也不一樣，因為我們是以USRPB200為例，所以驅動模塊是UHD。UHD驅動的安裝方式可以參見使用C或者C++調用UHD的庫函數。

　　接下來是系統的各種系統庫和系統調用的接口以及內核。強調一點，大部分SDR程序都是基于Linux來開發的，很少基于Windows開發。因為Linux系統開源，而且實時性較好。這一塊主要涉及操作系統方面的知識，我們不在這里深入討論。

　　USRP B200與GPP的接口是USB3.0。外設接口的選擇也很重要，接口的傳輸速率必須快，不能成為整個系統的瓶頸。USRP早期的產品的都是用的USB2.0接口，因為當時通信系統的吞吐量較小，所以不會限制使用。現在大部分外設都是用USB3.0或者以太網網口作為外設接口。USB3.0的接口速度可以達到500MBps，基本能滿足大部分通信系統的需求。

　　接著筆記本電腦通過USB3.0把數據傳輸給USRP B200。USRP最底下的兩個模塊是發送控制模塊和數字上變頻模塊（DUC）。這兩個模塊是用FPGA里面實現的，用FPGA實現的好處是處理速度快。發送控制模塊好理解就是用來控制整個USRP的發送行為，例如什么時候發送等。DUC模塊是為了把電腦產生的基帶數據上變頻到中頻。之后數字信號經過USRP的DAC之后轉化為模擬域的數據，數模轉化之后需要過一個低通濾波器使信號變的更加平滑。最后中頻的模擬域數據在于晶振產生的信號相乘把我們的中頻信號調制到制定的射頻頻點上。

　　最后射頻信號再經過功率放大器把信號發射出去。信號放大器里面也有很多知識可以學習。例如信號放大器分為A類，B類和C類等，具體每一類的特征本文就不具體解釋了。我們可以通過UHD提供的庫函數來修改發射信號的發射增益，即tx_gain。tx_gain這個參數對信號的影響還是挺大的，tx_gain設置的太小導致信號功率太小，而如果設置的過大可能會導致系統的低噪上升，也有可能會影響其他通信系統的正常工作。

　　圖2 SDR發射機原理圖

　　2 接收機

　　可能有人會問為什么要經過兩次變頻。我們以SDR接收機給大家講解。如圖8所示是SDR接收機的原理圖。同樣的，左邊是筆記本的示意圖，與發射機的一樣；右邊是USRP的接收示意圖，USRP接收示意圖與發射示意圖稍有不同。

　　首先接收部分的放大器變成了低噪放，顧名思義，低噪放就是低噪聲的放大器，本質上還是個放大器。因為接收的信號里面包含了信道的噪聲，接收機不能把噪聲放的過大。

　　信號經過低噪放后與USRP晶振產生的信號相乘把信號下變頻到中頻，同樣地再經過一個低通濾波器把信號變得平滑。

　　之后中頻信號經過ADC把模擬域的信號轉到數據域。ADC是USRP里面很重要的一個部件。ADC主要由兩個參數，采樣精度和采樣率。采樣精度表示采樣后的信號用多少bit來表示，例如USRP B200的ADC精度為12 bits，即采樣后的每一個數據用12bits來表示。采樣率就是系統的采樣速率，USRP B200的采樣速率為61.44MS/s。這也就是為什么大部分SDRLTE系統都采用USRP B系列作為外設的原因，61.44MS/s的采樣率剛好是LTE系統最大采樣速率30.72M的兩倍。

　　同樣地信號經過ADC之后，數字信號被送入FPGA模塊處理。FPGA里面包含兩個模塊，數字下變頻和接收控制。接收控制用來控制整個USRP系統的接收流程，例如什么時候開始接受等。數字下變頻即DDC，用于把信號從中頻下變頻到基帶。

　　圖3 SDR接收機原理圖

　　為什么要經過兩次下變頻呢？如圖9所示，第一次變頻是在模擬域通過晶振產生的信號與射頻信號相乘把信號下變頻到中頻，這一次變頻主要是為了后面做AD采樣。我們知道采樣需要滿足奈奎斯特采樣定律，采樣的頻率必須大于信號的最高頻率的2倍，而射頻信號的載波頻率已經能都達到2.6GHz，甚至5GHz，根本無法做出載波頻率兩倍的采樣速率的ADC。所以系統先把信號下變頻到中頻，然后再利用ADC對信號進行模數轉化。因為USRP ADC的采樣率為61.44MS/s，所以我們可以推出USRP對應的中頻頻率應該低于30.72MHz。

　　接著中頻的數字信號被DDC下變頻到基帶。有人可能會問為什么不直接把信號一次變頻到基帶呢，這樣的接收機叫做零中頻接收機。如果載波頻率高了，零中頻的接收機設計會非常復雜，所以零中頻接收機一般用于載波頻率較低的系統里面。

　　圖4 下變頻原理示意圖

　　數字信號經過USB3.0接口傳輸到筆記本電腦上后，電腦再把數據傳輸給SDR程序處理。物理層處理完后再把數據交給上層。這樣SDR接收機的信號接收過程便完成了。

　　SDR發射機/接收機里面的每一個模塊都對應一大片知識，知識的海洋是無窮的，這里的介紹只能起一個拋磚引玉的作用。如果大家想深入學習的話，還得要多查閱資料。