NI USRP 硬體的運作原理

SDR 架構通常包含處理器 (內建處理器或電腦)、FPGA，以及可調整的 RF 前端。USRP 與 LabVIEW 應用於 SDR 原型製作時，兩者都能發揮彈性、功能，而且具經濟實惠，適合教學實驗室和通訊研究等用途。 

圖 1： 軟體定義無線電的典型架構

LabVIEW 提供訊號處理引擎，用於處理 USRP 硬體訊號串流調變及解調變。使用同一個開發環境，就能將 LabVIEW Real-Time 和 LabVIEW FPGA 模組新增至 NI Linux Real-Time OS 與 FPGA 目標。LabVIEW 也提供適用於多種常見類比與數位調變技術的功能區塊，以及經過最佳化處理、最適合應用於實際無線電訊號的訊號處理演算法。

USRP 硬體可以使用多種應用程式。硬體有彈性加上低價不高，非常適合用於教學與進階無線研究，包括動態頻譜存取、閒置頻譜 (Whitespace)，以及實體層 (PHY layer) 與媒體存取層 (MAC layer) 研究。這些產品也適用於簡易型傳輸或收發用途，可以用來建立自訂通訊協定或將頻譜記錄在磁碟中。

3a.主機專用 USRP

圖 2：NI USRP-2921

USRP 硬體比照常見的 SDR 架構，採用直接轉換類比前端，搭配高速類比數位轉換器 (ADC) 與數位類比轉換器 (DAC)，且配備固定架構的 FPGA，負責處理數位降頻 (DDC) 和數位升頻 (DUC) 的處理步驟。接收器鏈路從一個靈敏度相當高的類比前端開始，這個前端能接收極微弱的訊號，再使用直接降轉換為正相位 (I) 與正交 (Q) 基頻訊號的方式，將極微弱訊號進行數位化處理。降頻轉換之後是高速類比數位轉換與 DDC；DDC 會降低取樣率並進行 I 與 Q 封包切割，以利傳輸到使用 Gigabit 乙太網路的主機電腦，繼續進一步處理。傳輸器鏈路從主機電腦開始，I 與 Q 是在主機電腦產生的，再透過乙太網路連接線傳輸到 USRP 硬體。DUC 會準備好要傳輸至 DAC 的訊號，接著會進行 IQ 混合，直接升轉訊號並產生 RF 頻率訊號，隨後再放大並傳輸訊號。

圖 3：USRP-2921 系統層級圖

3b.配備可程式化 FPGA 的 USRP 裝置

圖 4：NI USRP-2944

NI USRP-294x/295x 裝置結合兩個全雙工傳輸與接收通道，每通道即時頻寬最高 160 MHz，還有一個大型的 DSP 導向 Kintex-7 FPGA，是半 1U 機架固定規格。類比 RF 前端透過 120 MS/s 時脈的雙 ADC 與 DAC 介接大型 Kintex-7 410T FPGA。 

每個 RF 通道各有 1 台交換器，支援在單一天線使用 TX1 RX1 連接埠進行時分雙工 (TDD) 作業，或者使用 TX1 和 RX2 這兩個連接埠進行分頻雙工 (FDD) 作業。 

NI USRP-294x/295x 裝置涵蓋的頻率範圍在 10 MHz 到 6 GHz 之間，使用可由使用者程式化的數位 IO 線路控制外接裝置。Kintex-7 FPGA 是可重設的 LabVIEW FPGA 目標系統，結合 DSP48 協同處理效能，適合應用於高速、低延遲的用途。PCI Express x4 接回系統控制器的情況下，將資料傳輸串流回桌上型電腦或 PXI 機箱時最高支援每秒 800 MB 的傳輸率，串流回筆記型電腦時最高支援每秒 200 MB 的傳輸率。若採用這樣的連接方式，一次最多可以使用連接線將 17 台 USRP 裝置接在同一個 PXI Express 機箱，之後再以菊鏈 (Daisy chain) 方式將機箱連接在一起，應用於需要高頻寬、高通道數的用途。

圖 5：USRP-2944 系統層級圖

3c. NI USRP-2974 獨立裝置

圖 6：NI USRP-2974

獨立式 NI USRP-2974 單機即含內建處理器、FPGA 與 RF 功能。USRP-2974 採用異質處理架構，內建執行 NI Linux Real-Time OS 的 Intel Core i7 處理器。這是一款 2x2 無線電裝置，涵蓋的頻率範圍在 10 MHz 到 6 GHz 之間，頻寬達 160 MHz，另增加一個 x86 處理器，能讓系統保持獨立運作；適合在單一設計環境中用於精確執行處理以及編寫 Xilinx Kintex 470 FPGA 程式。USRP-2974 還配備符合 GPS 規範的 10 MHz 恆溫槽控制石英震盪器 (OCXO) 參考時脈。

圖 7：USRP-2974 系統層級圖

LabVIEW 是圖形化資料流程式設計環境，非常適合用於設計與執行通訊演算法。就最基本的層面而言，LabVIEW 不但使用 NI-USRP 驅動程式指定 USRP 硬體配置，也用它收發格式正確的基頻 I/Q 資料。

圖 8：截圖：使用 USRP 驅動程式 API 的 LabVIEW 程式方塊圖

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