應(yīng)用程序不斷增多，適用的無(wú)線設(shè)備也隨之增加，造成需求和設(shè)計(jì)越發(fā)復(fù)雜。由于人們需要的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，硬件設(shè)計(jì)便向著更寬的帶寬、更高的頻率和更多的通道發(fā)展，而軟件則需要提供更大的靈活性，并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)新的無(wú)線技術(shù)進(jìn)行原型驗(yàn)證，還是在真實(shí)環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，軟件無(wú)線電(SDR)都提供了理想的解決方案，可確保性能和設(shè)計(jì)目標(biāo)均得到滿足。

本文介紹了NI Ettus USRP X410及其應(yīng)用。這種通用軟件無(wú)線電外設(shè)(USRP)旨在滿足商業(yè)通信和國(guó)防應(yīng)用程序的全新先進(jìn)無(wú)線需求，無(wú)論是研究階段還是部署階段，皆可滿足。

無(wú)線原型驗(yàn)證的演變

無(wú)人機(jī)防御和信號(hào)情報(bào)等應(yīng)用的發(fā)展瞬息萬(wàn)變，在這樣的情況下，更快速的部署和快速適應(yīng)能力將是關(guān)鍵。我們需要具有強(qiáng)大RF和信號(hào)處理能力的商用現(xiàn)成(COTS)系統(tǒng)，但為了能夠支持靈活的增強(qiáng)功能，防范各種威脅，還必須要有一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)。對(duì)于部署應(yīng)用場(chǎng)景，小巧、輕便的低功率(SWAP) SDR支持可移動(dòng)的便攜式解決方案。

商用無(wú)線通信測(cè)試臺(tái)和原型往往需要處理蜂窩和無(wú)線連接的多個(gè)頻段和標(biāo)準(zhǔn)。要跟上5G等新無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的步伐，這意味著通常需要借助空口(OTA)無(wú)線原型驗(yàn)證，在有相應(yīng)能力的硬件上開(kāi)發(fā)和測(cè)試軟件IP，以此證明從新編碼方案到先進(jìn)的多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)等技術(shù)符合預(yù)期。

新一代的軟件無(wú)線電

Ettus Research和NI聯(lián)合推出了新一代高性能SDR，NI Ettus USRP X410便是首款。它將NI和Ettus Research的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到單一的無(wú)線電中，不僅支持熱門的開(kāi)源工具流，包括USRP硬件驅(qū)動(dòng)(UHD)和GNU無(wú)線電，還支持LabVIEW軟件。NI Ettus USRP X410基于Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC構(gòu)建，配備了高性能的RF發(fā)射器和接收器硬件，可提供NI迄今為止功能最為強(qiáng)大的SDR。RFSoC與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC/DAC)集成，為嵌入式處理器和可編程FPGA技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。四核Arm處理器支持獨(dú)立運(yùn)行（嵌入式模式）或基于主機(jī)的模式，并通過(guò)外部主機(jī)來(lái)運(yùn)行您的應(yīng)用。

圖3.NI Ettus USRP X410集成了硬件和軟件，有助于對(duì)高性能無(wú)線系統(tǒng)進(jìn)行原型驗(yàn)證

助力未來(lái)創(chuàng)新的開(kāi)放平臺(tái)

Xilinx Zynq UltraScale+ FPGA的可編程邏輯組件擁有的FPGA資源比其他USRP產(chǎn)品多一倍，可提供高吞吐量的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)和加固的IP內(nèi)核，如板載軟決策前向糾錯(cuò)(SD-FEC)和數(shù)字上變頻/下變頻(DUC/DDC)內(nèi)核。SD-FEC對(duì)5G原型驗(yàn)證特別有效，可用于實(shí)時(shí)低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)編碼/解碼，這是5G中最密集的計(jì)算操作之一。在純FPGA設(shè)計(jì)中，SD-FEC邏輯可以跨越多個(gè)大型Virtex-7 FPGA。因此，將其作為預(yù)建內(nèi)核納入硅片，可以節(jié)省巨大的空間和開(kāi)發(fā)精力。

對(duì)于熱門RF Network-on-Chip (RFNoC)框架，NI Ettus USRP X410提供全方位支持，通過(guò)軟件應(yīng)用程序編程接口和FPGA基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，更容易實(shí)現(xiàn)FPGA加速。它可幫助您快速啟動(dòng)和運(yùn)行，讓您可以專注于增值型IP。您可以通過(guò)GNU無(wú)線電圖形化界面、C++或Python，將基于主機(jī)和基于FPGA的處理無(wú)縫集成到應(yīng)用程序中。用于快速傅里葉變換(FFT)和有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器等常見(jiàn)功能的RFNoC模塊庫(kù)是一個(gè)很好的著手點(diǎn)。然后，您可以使用偏好的硬件描述語(yǔ)言(HDL)將自己的IP塊添加到模塊化架構(gòu)中。

除了系統(tǒng)的FPGA架構(gòu)，Xilinx UltraScale+ RFSoC還配備了四個(gè)板載應(yīng)用程序處理單元(APU)和兩個(gè)實(shí)時(shí)處理單元(RPU)，為需要板載嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行的應(yīng)用程序提供支持。

圖4.Xilinx UltraScale+ RFSoC的簡(jiǎn)化程序框圖顯示了板載APU和RPU，可用于需要板載嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行的應(yīng)用程序

用于擴(kuò)展的RF硬件

NI Ettus USRP X410的頻率范圍為1 MHz至7.2 GHz，不僅可以處理sub-6 GHz傳統(tǒng)的RF頻段，還可以處理最近開(kāi)放的5.925 GHz至7.125 GHz的Wi-Fi 6E未授權(quán)頻段。憑借400 MHz的瞬時(shí)帶寬，您可以利用更寬的通道，實(shí)現(xiàn)通道綁定和載波聚合，獲得更高的數(shù)據(jù)吞吐量。RF前端架構(gòu)采用低于3 GHz的超外差兩級(jí)轉(zhuǎn)換和高于3 GHz的單級(jí)轉(zhuǎn)換，再加上濾波和功率電平控制，可發(fā)射和接收高保真信號(hào)。

NI Ettus USRP X410將四個(gè)發(fā)射和四個(gè)接收通道整合到一個(gè)緊湊的?機(jī)架1U組成結(jié)構(gòu)中，不僅用途廣泛，還易于運(yùn)輸，可為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和運(yùn)行提供支持。每個(gè)通道都相互獨(dú)立，這意味著可以將每個(gè)通道調(diào)整到不同的頻率，實(shí)現(xiàn)頻分雙工(FDD)應(yīng)用或同時(shí)模擬多個(gè)信號(hào)。這些通道還可以通過(guò)一個(gè)內(nèi)部恒溫晶體振蕩器(OCXO，可以將其校準(zhǔn)到50 ppb以內(nèi))、一個(gè)用于時(shí)間標(biāo)記的內(nèi)部GPS指定振蕩器(GPSDO)，以及10 MHz參考和脈沖/秒(PPS)生成來(lái)進(jìn)行同步。若通道數(shù)更多，則可以通過(guò)導(dǎo)入外部參考時(shí)鐘并使用PPS生成來(lái)同步多個(gè)設(shè)備，這些情況需要大規(guī)模MIMO等精準(zhǔn)時(shí)間對(duì)齊。

隨著帶寬變寬和通道增多，將大量數(shù)據(jù)移入和移出無(wú)線電可能會(huì)成為一個(gè)挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，NI Ettus USRP X410采用了兩個(gè)可配置的四路小型可插拔(QSFP)端口，可充分利用雙10 GbE或雙100 GbE板載的優(yōu)勢(shì)。此外，該無(wú)線電還包含一個(gè)PCI Express x8 Gen 3端口，傳輸速率高達(dá)8 GB/s。

圖5.NI Ettus USRP X410的程序框圖顯示了其RF和數(shù)字功能

總結(jié)

NI Ettus USRP X410的強(qiáng)大性能為您實(shí)現(xiàn)新創(chuàng)新提供了一個(gè)理想平臺(tái)。將這款軟件無(wú)線電與您選擇的軟件工具鏈結(jié)合使用，憑借出色的功能和靈活性充分滿足您的需求。無(wú)論您是在研究5G及更高的技術(shù)，還是在部署系統(tǒng)以期緩和不斷變化的威脅，NI Ettus USRP X410都可以加快無(wú)線設(shè)備原型驗(yàn)證的速度。

編輯：hfy