NI USRP硬件工作原理

SDR架构通常包含处理器（板载或计算机）、FPGA和RF前端。USRP和LabVIEW灵活、功能强大且经济实惠，为教育试验机构和通信科研提供了理想的SDR原型验证解决方案。 

图1. 软件无线电的典型架构

LabVIEW提供信号处理引擎，用于调制和解调流入/流出USRP硬件的信号。您可以针对NI Linux Real-Time操作系统和FPGA，在同一开发环境中添加LabVIEW Real-Time模块和LabVIEW FPGA模块。LabVIEW还提供了各种功能块，适用于许多常见的模拟和数字调制技术，以及针对真实无线电信号优化过的信号处理算法。

图2. USRP与LabVIEW相连，提供一个可访问的软件无线电

USRP硬件适用于各种应用场景。该硬件灵活且经济实惠，从教学到高级无线研究都是理想之选，包括动态频谱接入、空白、PHY层和MAC层研究。这些产品在简单的发送或接收应用中也很实用，可以创建自定义协议或将频谱记录到磁盘上。

3a.USRP（仅主机）

图3. NI USRP-2921

USRP硬件沿用了常见的SDR架构，实现了直接转换模拟前端，带有高速模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)，具有固定个特性的FPGA，可用于执行数字下变频(DDC)和数字上变频(DUC)步骤。接收器链从高度灵敏的模拟前端开始，可以接收非常小的信号，并使用直接下变频将其数字化为同相(I)和正交(Q)基带信号。下变频完成后，紧接着是高速模数转换和DDC，后者可降低采样率并将I和Q打包，利用千兆以太网将其传输至主机以进行进一步处理。发射器链从主机计算机开始，I和Q在主机上生成并通过以太网线缆传输到USRP硬件。DUC为DAC准备信号，然后进行I-Q混合，以直接实现信号的上变频，产生RF频率信号，然后再放大和传输该信号。

图4. USRP-2921系统级程序框图

3b.可重配置的USRP (USRO RIO)

图5. NI USRP RIO

USRP RIO尺寸为1/2U，可机架安装，结合了两个具有每通道高达160 MHz实时带宽的全双工收发通道和一个面向DSP的大型Kintex-7 FPGA。模拟RF前端通过双ADC和DAC与大型Kintex-7 410T FPGA连接，时钟速度为120 MS/s。 

每个RF通道都包括一个开关，支持使用TX 1 RX1端口在单个天线上执行时分双工(TDD)操作，或使用TX1和RX2两个端口执行频分双工(FDD)操作。 

USRP RIO设备频率范围从50 MHz到6 GHz，具有用户可编程的数字IO线，可用于控制外部设备。Kintex-7 FPGA是一个具有DSP48协同处理功能的可重配置LabVIEW FPGA终端，适用于高速率低延迟应用。连接回系统控制器的PCI Express x4能够以高达每秒800 MB的速率将数据传输到您的台式机或PXI机箱，也可以每秒200 MB的速率传输到笔记本电脑。这种连接支持将多达17个USRP RIO设备连接到一个PXI Express机箱，并以菊花链的方式将多个此类机箱连接起来，满足高带宽、高通道数的应用需求。

图6. USRP-2944系统级程序框图

3c.独立运行的USRP RIO

图7. NI USRP-2974

独立运行的USRP RIO包含一个板载处理器、FPGA和RF，为一体式产品。USRP-2974基于异构处理架构，搭载板载Intel Core i7处理器，运行NI Linux Real-Time操作系统。它是一个2x2无线电，覆盖10 MHz至6 GHz的频率，带宽为160 MHz。它还具有一个x86处理器，支持独立的系统操作，可以有针对性地执行确定性处理，并对Xilinx Kintex 470 FPGA进行编程，所有这些都在一个设计环境中完成。USRP-2974还配备了GPS驯服的10 MHz恒温晶体振荡器(OCXO)参考时钟。

图8. USRP-2974系统级程序框图

LabVIEW是图形化的数据流编程环境，非常适合用于设计和实现通信算法。在最基本的层级上，LabVIEW使用NI-USRP驱动程序来指定USRP硬件配置和收发正确格式化的基带I/Q数据。

图9.具有USRP驱动程序API的LabVIEW程序框图截图

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