基本介绍

USRP（Universal Software Radio Peripheral，通用软件无线电外设）是由Ettus Research公司及其母公司National Instruments公司设计和销售的一系列软件无线电外设，旨在使普通计算机能像高带宽的软件无线电设备一样工作。由Matt Ettus领导的团队开发的USRP产品系列是一个相对便宜的软件无线电硬件平台^[1]。

基本原理

¶传统数字通信系统

数字通信系统的一般化模型

上图是数字通信系统的一般化模型，实际的数字通信系统不一定包括图中的所有环节，如对保密性要求不高的系统可以不包含加密器和解密器。
　　信息源和受信者：作用与模拟通信系统中信息源和受信者基本相同。
　　编码器和解码器：包含信源编码和信源解码、信道编码与信道解码。

¶(1)信源编码和信源解码

信源编码有两个作用，其一，进行模／数转换；其二，数据压缩，即设法降低数字信号的数码率，提高数字信号传输的有效性。信源解码的作用是进行数／模转换。

¶(2)信道编码与信道解码

数字信号在信道中传输时，由于噪声影响，会引起差错，信道编码就是要降低传输的差错率，对传输的信息码元按一定的规则加入保护成分(监督元)，组成所谓“抗干扰编码”。接收端的信道解码器按一定规则进行解码，从解码过程中发现错误或纠正错误，从而提高通信系统抗干扰能力，提高传输可靠性。

¶(3)加密器和解密器

在需要实现保密通信的场合，为了保证所传信息的安全，人为将被传输的数字序列扰乱，即加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端利用与发送端相同的密码复制品对收到的数字序列恢复原来信息，这个过程叫做解密。

¶(4)调制器和解调器

数字调制的任务是把各种数字基带信号转换成适应于信道传输的数字频带信号。

¶通信接收机原理

移动通信接收机的主要功能之一是对接收信号实现解调。与发射机相对应，接收机也可以在合适的频率下采用DSP技术实现解调和其他基带处理。由于对不同的调制方式只要在数字信号处理部分采用不同的解调算法，因此具有较强的灵活性。采用DSP技术实现解调的常用方案有两种。

¶（1）中频加DSP技术方案

这种方案是把接收信号的载频频率转换到一个适合进行A/D变换的中频频率上，然后在中频上进行宽带A/D变换，再送到DSP电路，用数字信号处理方法进行解调和其他基带处理。其原理方框图如图3所示。
DSP

¶（2）零中频加DSP技术方案

这种方案是把接收信号经低噪声放大后直接送到混频器或相乘器，而本振频率与接收频率相等，使输出频谱是零频为中心的两个边带接收信号分量。零中频加DSP方案的原理方框图如图4所示。零中频接收技术由于不用中放和中频滤波器，可使电路大大简化，功耗和体积减小，成本降低。
lDSP

¶SDR软件无线电的结构图

SDR
软件无线电（Software Defined Radio，SDR）是一种实现无线通信的新概念和体制。其中已在硬件被典型地实现的组件（例如混频器，滤波器，放大器，调制器 / 解调器，检测器等），也可以通过软件手段的个人计算机上或代替实施嵌入式系统。一开始应用在军事领域，在21世纪初，由于众多公司的努力，使得它已从军事领域转向民用领域，成为经济的、应用广泛的、全球通信的第三代移动通信系统的战略基础。
基本的SDR系统可以由装备有声卡或其他模数转换器的个人计算机组成，之前是某种形式的RF前端。大量的信号处理被交给通用处理器，而不是在专用硬件（电子电路）中完成。这种设计产生一种无线电装置，它可以仅仅基于所使用的软件来接收和发送广泛不同的无线电协议（有时也称为波形）。
软件无线电对于军事和手机服务具有显着的效用，这两者都必须实时地服务于各种变化的无线电协议。

USRP背后的基本设计理念是在主机 CPU 上使用诸如 GNURadio完成所有波形相关方面的处理，比如调制和解调。

¶UHD(USRP Hardware Driver)框图

UHD

¶USRP内部结构

USRP

主要结构

一个典型的 USRP 产品系列包括两部分：

Universal Software Radio Peripheral (FPGA) 母板
一个或者多个覆盖不同频率范围的可调换的子板

它们共同实现把比特流数据从天线传到主机电脑（即接收），或者从主机电脑传送到天线（即发送）

软件

**USRP硬件驱动程序(UHD)**是Ettus Research提供的设备驱动程序，用于USRP产品系列。它支持Linux、MacOS和Windows平台。包括GNU Radio、LabVIEW、MATLAB和Simulink在内的一些框架都使用了UHD。UHD提供的功能也可以通过UHD API直接访问，UHD API提供了对c的本机支持。任何其他可以导入c函数的语言也可以使用UHD。例如，这是在Python中通过SWIG完成的^[1]。

GNU Radio 是一个开源的软件定义无线电（SDR）平台。它有一个世界范围内的开发者和用户社区为其贡献了坚实的基础代码，并提供了许多软件和硬件的实际应用。它提供了一个完整的开发环境，以创建您自己的无线电，为您处理所有的硬件接口、多线程、可移植性的问题。GNU Radio提供所有通用软件无线电需要的库，包括各种调制方式（GMSK、PSK、QAM、OFDM 等）、纠错码（R‐S 码、维特比码、Turbo 码）、信号处理模块（最优滤波器、FFT、均衡器、定时恢复）和调度。它是一个很灵活的系统，允许用户使用C++ 或者 Python 开发应用程序^[1]。

常用型号

Ettus 被 NI 收购，本质上 NI 系列和 Ettus 的产品是同一个东西。
论文中使用的设备，USRP-2943R, USRP-2920, USRP-2932, USRP-X310

¶B 系列

特点: 小巧便携，B200/210只有一个巴掌大小，而B200/205 mini 更是只有一张名片大小。B系列把所有的外设功能都集中在一个板卡上面，USB3.0供电^[2]。
价格: mini系列 $700 左右，大点的 $1150 左右^[2]

¶N 系列

特点：与控制端使用网络接口通信

¶E 系列

三个型号： E310，E312，E313
特点: 嵌入了嵌入式ARM内核，可以独立运行程序，E312在E310基础上加入了电池供电，E313在E312基础上增强了抗击恶劣天气的功能。
价格： E310 $2787 左右，E312 $2990 左右，E313 $3750 左右^[2]。

¶X系列

特点： X系列面向5G开发，其单个channel的带宽高达160MHz。X系列最多可以接两个子板（Daughterboard），即最多可以支持2TX&2RX。此外，X系列支持PCIE接口，ExpressCard接口，以及1Gbit和10Gbit Ethernet接口，为USRP与GPP之间提供了高速接口^[2]。

价格: $4000-$5000

¶NI USRP

特点： NI USRP收发器与LabVIEW软件匹配，提供相关的RF和通信学习的动手实验室，教学方案价格适中，给学生提供了接触真实信号的机会

官网信息
B205mini-i

B205mini-i_Top-Large_2

Wide frequency range: 70 MHz – 6 GHz
Up to 56 MHz of instantaneous bandwidth
Full duplex operation
User-programmable, industrial-grade Xilinx Spartan-6 XC6SLX150 FPGA
Fast and convenient bus-powered USB 3.0 connectivity
Synchronization with 10 MHz clock reference or PPS time reference
GPIO and JTAG for control and debug capabilities
83.3 x 50.8 x 8.4 mm form factor
USRP Hardware Driver™ (UHD) open-source software API version 3.9.2 or later
GNU Radio support maintained by Ettus Research™ through GR-UHD, an interface to UHD distributed by GNU Radio

USRP-2974是一系列先进研究应用的理想原型，包括独立LTE或802.11设备仿真;介质访问控制(MAC)算法开发;多输入、多输出(MIMO)系统;异构网络;LTE传送;射频抗压取样;光谱遥感;认知无线电;波束形成;和测向。可以配合labview使用。

**FPGA**  
Xilinx Kintex-7 410T  
14 bit ADC, 16 bit DAC  
Gen1x4 PCIe Connection  
SFP+ High Speed Serial Link 

**On-board Processor**  
x86 onboard processor equipped  with NI Linux Real Time OS for deterministic processing  
Intel Core i7 2 GHz Quad Core Processor  
Congatec COM Express   Conga-TS170 SoM  
8 GB DDR4  
MicroUSB to the SoM  
RJ45 (1 GbE)  
PCIe Gen x4 

**RF**  
2 RX, 2TX
10 MHz to 6 GHz extended frequency range
Up to 160 MHz of instantaneous bandwidth per channel
RX, TX filter bank
GPS-Disciplined OCXO
Clock reference 
PPS time reference
External RX, TX LO input ports
Built-in GPSDO
Interface I/O

**Interface I/O**  
Two USB 3.0 ports
Two USB 2.0 ports
USB 1.0 JTAG
Display Port
AUX I/O
Two SFP+ ports (1 Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet, Aurora)
PCIe Gen x4
1 Gb Ethernet (connection to host)
Ref In/Out
PPS In/Out

USRP-2974-png

29xx

型号	价格	参数	使用
NI USRP 2932	RMB32,705	20 MHz带宽，400 MHz ~ 4.4 GHz	USRP-2932是一款具有高速模数转换器和数模转换器的可调谐RF收发器，能够通过1千兆以太网将基带I和Q信号传送到上位机。您还可以将NI USRP-2930用于以下通信应用：WiFi，WiMax，S波段收发器和2.4 GHz工业、科学和医疗（ISM）频段收发器。
NI USRP 2953R	RMB66,210	1.2 GHz ~ 6 GHz	USRP 2953提供了一个用于快速原型验证高性能无线通信系统的集成软硬件解决方案。 USRP RIO基于LabVIEW可重配置I/O (RIO)架构，提供了一个集成的软硬件解决方案，可帮助研究人员快速进行原型验证，大幅缩短获得结果的时间。您可以对各种先进的研究应用进行原型验证，包括多输入多输出(MIMO)、异构网络同步、LTE中继转发、RF压缩采样、频谱感知、认知无线电、波束形成和测向。
NI USRP 2920	RMB24,425	50 MHz~2.2 GHz	USRP-2920是一款具有高速模数转换器和数模转换器的可调谐RF收发器，能够通过1千兆以太网将基带I和Q信号传送到上位机。USRP-2920还可以用于以下通信应用：白色空间；广播FM；公共安全；陆地移动；低功率非授权设备(ISM)频带；传感器网络；业余无线电或GPS。