GNU Radio：開(kāi)放的軟件無(wú)線電平臺(tái)

1、軟件無(wú)線電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

J.Mitla在1992年首次提出了軟件無(wú)線電的概念，此后該技術(shù)一直受到業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究。與傳統(tǒng)的無(wú)線電設(shè)備相比較，在軟件無(wú)線電中，諸如信號(hào)發(fā)生、調(diào)制/ 解調(diào)、信道編譯碼等信號(hào)處理過(guò)程以及協(xié)議棧皆由軟件實(shí)現(xiàn)，而不是固定電路，因此軟件無(wú)線電設(shè)備更易于重新配置，從而可靈活地進(jìn)行多制式切換并適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)。廣義上的軟件無(wú)線電分為三類。a）將多種不同制式的設(shè)備集成在一起， 例如現(xiàn)在市場(chǎng)上的GSM-CDMA雙模手機(jī)。顯然，這種方式只能在預(yù)置的幾種制式下切換，要增加對(duì)新的制式的支持則意味著集成更多的電路，重配置能力十分有限。b）基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA） 和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），這類可編程硬件，重配置的能力得到了很大提高。但是用于FPGA的VHDL、Verilog等語(yǔ)言以及418 的匯編語(yǔ)言都是針對(duì)特定廠商的產(chǎn)品，使得這種方式下的軟件過(guò)分依賴于具體的硬件，可移植性較差。此外，對(duì)廣大技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA和DSP開(kāi)發(fā)的門(mén)檻依然較高，開(kāi)發(fā)過(guò)程也相對(duì)比較繁瑣。c）針對(duì)以上兩類缺陷，第三類軟件無(wú)線電設(shè)備采用通用硬件（例如：商用服務(wù)器、普通PC以及嵌入式系統(tǒng)）作為信號(hào)處理軟件的平臺(tái)，具有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：純軟件的信號(hào)處理具有很大的靈活性；可采用通用的高級(jí)語(yǔ)言（如C/C++）進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，擴(kuò)展性和可移植性強(qiáng)，開(kāi)發(fā)周期短；基于通用硬件的平臺(tái)，成本較低，并可享受計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的各種優(yōu)勢(shì)（如：CPU處理能力的不斷提高以及軟件技術(shù)的進(jìn)步等）。

盡管基于通用硬件平臺(tái)的軟件無(wú)線電具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是目前通用硬件平臺(tái)在處理速度效率、體積和功耗以及實(shí)時(shí)性方面仍然比不上FPGA和DSP這樣的專用硬件。所以現(xiàn)在第二類軟件無(wú)線電仍然是主流，但由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，軟件無(wú)線電將越來(lái)越青睞于通用的硬件平臺(tái)。

2、GNU Radio概述

GNU Radio是由Eric Blossom發(fā)起的、完全開(kāi)放的軟件無(wú)線電項(xiàng)目，旨在鼓勵(lì)全球技術(shù)人員在這一領(lǐng)域協(xié)作與創(chuàng)新，目前已經(jīng)具有一定的影響力。GNU（GNU’s Not Unix）本身是一個(gè)推進(jìn)軟件開(kāi)放源代碼的著名項(xiàng)目， 由FSF（Free Softwaer Foundation）支持，目前廣泛使用的GNU/Linux操作系統(tǒng)則是來(lái)源于此。GNU Radio主要基于Linux操作系統(tǒng)，也可以移植到其他操作系統(tǒng)上，采用C++結(jié)合Python腳本語(yǔ)言進(jìn)行編程，其代碼完全開(kāi)放，用戶可以在其網(wǎng)站-R.上下載和參與更新維護(hù)其代碼。利用GNU Radio提供的一套軟件，再加上一臺(tái)普通PC機(jī)和廉價(jià)的硬件前端即可開(kāi)發(fā)各種軟件無(wú)線電應(yīng)用。硬件前端可以是一套專用的射頻前端或者AD/DA卡，甚至是一塊普通的聲卡。Matt Ettus為GNU Radio設(shè)計(jì)了一套射頻前端USRP（Universal Software Radio Peripheral），可在0GHz～2.9GHz載頻上提供最高可達(dá)16Mhz帶寬的信號(hào)收／發(fā)能力。

除了具有第三類軟件無(wú)線電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)外，GNU Radio和USRP還具有如下優(yōu)勢(shì)：

a)成本較低。軟件免費(fèi)，USRP的價(jià)格大約與一臺(tái)普通PC相當(dāng)，帶寬可滿足目前多數(shù)音視頻廣播和無(wú)線通信制式的要求，支持雙工和多天線應(yīng)用。
b)技術(shù)門(mén)檻較低，具有一定編程經(jīng)驗(yàn)和Linux使用經(jīng)驗(yàn)的用戶可在較短時(shí)間內(nèi)掌握其配置、使用和開(kāi)發(fā)。
c)獲得來(lái)自全世界眾多GNURadio擁護(hù)者以及Eric Blossom 和Matt Ettus本人的技術(shù)支持。

3、GNU Radio的軟件結(jié)構(gòu)

GNU Radio的編程基于Python腳本語(yǔ)言和CH 的混合方式。C++由于具有較高的執(zhí)行效率，被用于編寫(xiě)各種信號(hào)處理模塊，如：濾波器、FFT變換、調(diào)制／解調(diào)器、信道編譯碼模塊等，GNU Radio中稱這種模塊為block。Python是一種新型的腳本語(yǔ)言，具有無(wú)須編譯、語(yǔ)法簡(jiǎn)單以及完全面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)，因此被用來(lái)編寫(xiě)連接各個(gè)block成為完整的信號(hào)處理流程的腳本，GNU Radio中稱其為graph。

GNU Radio的軟件結(jié)構(gòu)頂層是面向用戶的block及其“粘合劑”—— aph。用戶除了能夠開(kāi)發(fā)自己的block之外，還可使用GNU Radio所包含的豐富的block，包括各種濾波器、FFT變換、調(diào)制／解調(diào)模塊、時(shí)頻同步模塊等等，其中一些利用了CPU的增強(qiáng)指令集(如：MMX、SSE、3D Now!)進(jìn)行了優(yōu)化，以提高性能。

在用戶用block和graph構(gòu)造的應(yīng)用程序下面是GNU Radio的運(yùn)行支持環(huán)境，主要包括緩存管理、線程調(diào)度以及硬件驅(qū)動(dòng)。GNU Radio中巧妙地設(shè)計(jì)了一套零拷貝循環(huán)緩存機(jī)制，保證數(shù)據(jù)在block之間高效的流動(dòng)。多線程調(diào)度主要用于對(duì)信號(hào)處理流程進(jìn)行控制以及各種圖形顯示，GNU Radio對(duì)此也提供了支持。GNU Radio的硬件驅(qū)動(dòng)包括USRP、AD卡、聲卡等等，用戶也可根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)充。

GNU Radio除了支持Linux的多種發(fā)行版本之外，還被移植到Mac OS X、NetBSD以及Windows等操作系統(tǒng)上，這也意味著它也支持多種類型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

4、USRP射頻前端

USRP是GNU Radio最重要的硬件“伙伴”。與GNU Radio軟件相同，USRP也是完全開(kāi)放的，其所有的電路圖、設(shè)計(jì)文檔和FPGA代碼均可從EttusResearch的網(wǎng)站下載?；贕1、radio和USRP的組合，用戶可以構(gòu)建各種具有想象力的軟件無(wú)線電應(yīng)用。

一套USRP由一快主板(Motherboard)和最多四塊子板(Daughter Board)搭配構(gòu)成。主板的主要功能為中頻采樣以及中頻信號(hào)到基帶信號(hào)之間的互相轉(zhuǎn)換。子卡的功能在于射頻信號(hào)的接收／發(fā)送以及到中頻的轉(zhuǎn)換。子卡有多種類型，分別覆蓋不同的射頻頻譜范圍，且具有不同的收／發(fā)能力和增益。

4．1 USRP主板

主板主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：

1)AD／DA芯片
USRP采用兩塊Analog Device的AD9862芯片，每塊可分別提供兩路12bit、64MSample／s的AD變換和兩路14bit、128MSample／s的DA變換。那么一塊主板可提供4路模擬轉(zhuǎn)換器(ADC)和4路的數(shù)字模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器(DAC)，也即收／發(fā)各兩路的復(fù)采樣。此外DAC單元還集成了數(shù)字上變頻(DUC)功能。

2)FPGA
FPGA有兩個(gè)主要功能：將DAC采來(lái)的中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻(DDC)，變換到基帶，并通過(guò)層疊梳狀濾波器(of)對(duì)樣值進(jìn)行可變速率的抽取以符合用戶對(duì)信號(hào)帶寬的要求。FPGA中同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了針對(duì)DAC的插值率波的功能；另一個(gè)功能是作為路由器協(xié)調(diào)適配各路ADC、DAC和USB 2．0接口之間的數(shù)據(jù)交換。

3)USB 2．0接口
USRP采用USB 2．0接口與PC機(jī)連接。最高可達(dá)到32MByte／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。如果AD和DA分別采用12bit和14bit的采樣精度，那么每個(gè)實(shí)采樣點(diǎn)占用2Bytes，每個(gè)復(fù)采樣點(diǎn)占用4Bytes。如果以一路復(fù)數(shù)采樣進(jìn)行單收或單發(fā)，則最高可達(dá)到32M／4=8M 復(fù)采樣每秒，即最高發(fā)送或接收8MHz帶寬的信號(hào)。如果用8bit采樣，則最高可收／發(fā)16MHz帶寬的信號(hào)。ADC和DAC始終分別以64M和128M 的速率進(jìn)行采樣，用戶實(shí)際獲得的采樣速率是通過(guò)設(shè)置抽值率或插值率得到的。

4．2 USRP子卡

USRP的子卡有如下幾種：
USRP是GNU Radio最重要的硬件“伙伴”。與 1)Basic TX、Basic RX：這兩種子卡沒(méi)有中頻與射頻間的頻譜變換，僅僅提供主板上中頻信號(hào)與天線間的接口。盡管如此，由于ADC和DAC可進(jìn)行帶通采樣，仍然可支持2MHz~200MHz的載頻。

2)TVRX：可覆蓋50MHz一800MHz廣播電視頻段的接收子卡。
3)DBSRX：可覆蓋800MHz~2．4GHz的接受子卡。
4)RFX400、RFX900、RFX1200、RFX1800、

RFX2400：這些子卡均為支持雙工，可分別覆蓋400Ⅻ z 500 、800 忸z一1000 m z、1150 m z一1450MHz、1．5MHz一2．1MHz、2．3MHz一2．9MHz頻段。