NI USRP 하드웨어는 어떻게 작동합니까?

SDR 아키텍처에는 일반적으로 프로세서가 내장되어 있든 컴퓨터에 있든 상관없이 FPGA와 RF 프런트엔드가 포함되어 있습니다. USRP 및 LabVIEW는 교육 실험실 및 통신 연구를 위해 이상적인 SDR 프로토타이핑 솔루션을 제공하는 유연성, 기능 및 저렴한 제품을 제공합니다. 

그림 1. 소프트웨어 정의 라디오의 일반적인 아키텍처

LabVIEW는 USRP 하드웨어와 스트리밍되는 신호의 변조 및 복조를 위한 신호 처리 엔진을 제공합니다. LabVIEW Real-Time 및 LabVIEW FPGA 모듈을 추가하여 같은 개발 환경에서 NI Linux Real-Time OS 및 FPGA를 모두 타겟으로 할 수 있습니다. 또한 LabVIEW는 실제 무선 신호에 최적화된 많은 일반적인 아날로그 및 디지털 변조 기술과 신호 처리 알고리즘을 위한 기능 블록을 제공합니다.

그림 2. USRP는 LabVIEW와 인터페이스하여 접근 가능한 소프트웨어 정의 라디오를 제공

USRP 하드웨어는 다양한 어플리케이션에서 작동합니다. 하드웨어의 유연성과 경제성 덕분에 이 제품은 교육에서부터 다이나믹 스펙트럼 액세스, 화이트스페이스, PHY 및 MAC 계층 연구를 포함한 고급 무선 연구에 이르기까지 사용할 수 있습니다. 이 제품은 사용자 정의 프로토콜을 만들거나 스펙트럼을 디스크에 로깅하기 위한 간단한 전송 또는 수신 어플리케이션에도 유용합니다.

3a. 호스트 전용 USRP

그림 3. NI USRP-2921

일반적인 SDR 아키텍처에 따라 USRP 하드웨어는 고속 아날로그-디지털 변환기(ADC)와 디지털-아날로그 변환기(DAC)로 직접 변환 아날로그 프런트 엔드를 구현하며, 디지털 다운 변환(DDC)과 디지털 업 변환(DUC) 단계를 위한 고정된 특성의 FPGA를 갖추고 있습니다. 리시버 체인은 아주 작은 신호도 수신할 수 있으며 직접 다운 변환을 사용하여 이러한 신호를 동위상(I) 및 직교위상(Q) 기저대역으로 디지타이징 할 수 있는 높은 민감도의 아날로그 프런트 엔드로 시작합니다. 다운 변환 후, 고속 아날로그-디지털 변환 및 DDC를 사용하여 샘플링 속도를 줄이고 I 및 Q를 패킷으로 묶은 다음 추가적인 처리를 위해 기가비트 이더넷을 통해 호스트 컴퓨터로 전송합니다. 트랜스미터 체인은 I와 Q가 생성되어 이더넷 케이블을 통해 USRP 하드웨어로 전달되는 호스트 컴퓨터에서 시작됩니다. DUC는 신호가 DAC를 통과할 수 있도록 준비하며, 그 이후에는 I-Q 믹싱이 일어나 신호를 직접 업 변환하여 RF 주파수 신호를 생성합니다. 이 주파수 신호는 다시 증폭되어 전송됩니다.

그림 4. USRP-2921 시스템 레벨 다이어그램

3b. 재구성 가능한 USRP (USRO RIO)

그림 5. NI USRP RIO

USRP RIO는 채널당 160MHz까지 리얼타임 대역폭을 갖춘 2개의 전이중 송수신 채널과 대형 DSP 기반 Kintex 7 FPGA를 1U 반폭의 랙에 마운트할 수 있는 폼 팩터에 결합한 제품입니다. 아날로그 RF 프런트 엔드는 120MS/s로 클럭 설정된 듀얼 ADC와 DAC를 통해 대형 Kintex 7 410T FPGA와 인터페이스합니다. 

각 RF 채널에는 TX1 RX1 포트를 사용하여 하나의 안테나에서 시분할 이중통신(TDD) 작업을 하거나 TX1과 RX2의 두 포트를 사용하여 주파수분할 이중통신(FDD) 작업을 할 수 있는 스위치가 포함되어 있습니다. 

USRP RIO 디바이스는 외부 디바이스를 제어할 수 있도록 사용자가 프로그래밍 가능한 디지털 IO 라인과 함께 50MHz에서부터 6GHz까지 이르는 주파수 범위를 지원합니다. Kintex-7 FPGA는 속도가 높고 지연이 짧은 어플리케이션을 위해 DSP48 코프로세서가 통합된 재구성 가능한 LabVIEW FPGA 타겟입니다. 시스템 컨트롤러의 뒷면에 있는 PCI Express x4 연결부는 데스크탑이나 PXI 새시로 최고 800MB/s, 노트북으로 최고 200MB/s 속도의 스트리밍 데이터 전송을 지원합니다. 이 연결부는 케이블을 통해 최대 17개의 USRP RIO 디바이스까지 하나의 PXI Express 섀시에 연결할 수 있도록 해주며, 이러한 디바이스들을 다시 데이지 체인 연결하여 대역폭이 넓은 다채널 어플리케이션을 구현할 수 있습니다.

그림 6. USRP-2944 시스템 레벨 다이어그램

3c. 독립형 USRP RIO

그림 7. NI USRP-2974

독립형 USRP RIO에는 온보드 프로세서, FPGA 및 RF가 모두 하나의 폼 팩터에 포함되어 있습니다. USRP-2974는 NI Linux Real-Time OS를 실행하는 온보드 Intel Core i7 프로세서가 있는 이기종 처리 아키텍처를 기반으로 구축되었습니다. 이는 160 MHz 대역폭으로 10 MHz ~ 6 GHz 사이의 주파수를 지원하고 x86 프로세서를 추가하여 독립 시스템 작동을 형성하는 2x2 라디오입니다. 이를 타겟으로 하여 모두 하나의 설계 환경에서 Xilinx Kintex 470 FPGA를 결정적으로 수행하고 프로그래밍할 수 있습니다. USRP-2974에는 또한 GPS 기반 10 MHz 오븐 제어형 수정 오실레이터 (OCXO: Oven-controlled crystal oscillator) 참조 클럭이 탑재되어 있습니다.

그림 8. USRP-2974 시스템 레벨 다이어그램

LabVIEW는 통신 알고리즘을 설계하고 구현하는 데 적합한 그래픽 데이터 흐름 프로그래밍 환경입니다. 가장 기본적인 레벨에서 LabVIEW는 NI-USRP 드라이버를 사용하여 USRP 하드웨어 설정을 지정하고 적절하게 포맷된 기저대역 I/Q 데이터를 송수신합니다.

그림 9. USRP 드라이버 API가 있는 LabVIEW 블록다이어그램의 스크린샷

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