基于SCA的新型軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張彥宇，吳 俊，方志軍，趙嵩源，朱伏生

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620；2.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；3.廣東省新一代通信與網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院，廣東 廣州 510000)

0 引言

SDR是一種無線電通信技術(shù)，使用軟件設(shè)計(jì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)無線通信協(xié)議，基于軟件的重新編程，無需改變硬件就能快速靈活地完成不同波形和協(xié)議之間的切換[1]。SDR技術(shù)的優(yōu)勢包括強(qiáng)大的互操作性、易于制造和升級及綠色節(jié)能[2]，主要被應(yīng)用于互用性研究、頻譜重用和新無線標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)等領(lǐng)域。但是當(dāng)今軟件無線電的性能仍受制于一些硬件組件的發(fā)展，例如理想的軟件無線電要求模數(shù)轉(zhuǎn)換盡可能靠近天線，而這依賴于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的采樣能力[3]。文獻(xiàn)[4-5]使用軟件無線電平臺，以較低的成本和復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)系統(tǒng)，但是由于其所用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率較低，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)只適用于對距離分辨率要求不高的場合。文獻(xiàn)[6]使用一種傳統(tǒng)的軟件無線電外設(shè)HackRF結(jié)合軟件平臺GNU Radio，搭建了一種抗干擾能力強(qiáng)、兼容性突出的海上漁船數(shù)字通信系統(tǒng)。但是HackRF僅支持半雙工通信，對于環(huán)境復(fù)雜、各種意外頻發(fā)的海上來說，這種通信系統(tǒng)存在著極大的局限性。

SOUP是同濟(jì)大學(xué)通信與智能計(jì)算(CIC)實(shí)驗(yàn)室面向5G通信自主開發(fā)的一種軟件無線電外設(shè)。相比當(dāng)今市面上主流的一些軟件無線電外設(shè)，SOUP的綜合性能更加優(yōu)越，其內(nèi)置一塊FPGA處理芯片，能夠提供高性能的數(shù)字信號處理能力，所配備的ADC采樣精度高達(dá)12 bit。同時(shí)SOUP還支持多種擴(kuò)展接口，如PCIe接口、萬兆網(wǎng)口以及USB3.0 OTG等，可以滿足不同通信網(wǎng)絡(luò)對基帶數(shù)據(jù)傳輸速率和實(shí)時(shí)性的要求。目前，實(shí)驗(yàn)室研究人員已經(jīng)使用SOUP取得了不少研究成果，如文獻(xiàn)[7]實(shí)現(xiàn)了一整套SoftCast廣播系統(tǒng)，文獻(xiàn)[8]實(shí)現(xiàn)了云無線接入原型。GNU Radio是一款免費(fèi)、開源的SDR軟件平臺，也是當(dāng)前最流行的SDR應(yīng)用開發(fā)工具，它里面封裝了非常多的可以重復(fù)使用的數(shù)字信號處理模塊，如FFT變換、濾波器、調(diào)制解調(diào)器、同步元件和編解碼器等[9]。本文嘗試基于軟件通信體系結(jié)構(gòu)，將SOUP和GNU Radio結(jié)合以搭建一種新型SDR系統(tǒng)，該系統(tǒng)將集成SOUP強(qiáng)大的射頻信號處理能力和GNU Radio豐富的數(shù)字信號處理軟件庫，為無線電研究人員提供一種低成本、高靈活性且擴(kuò)展能力強(qiáng)的無線電開發(fā)平臺。

1 SOUP及各外設(shè)對比

1.1 SOUP

SOUP主要面向移動通信系統(tǒng)的開發(fā)驗(yàn)證、實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的PHY層和MAC層開發(fā)等，支持Xilinx Vivado/ISE開發(fā)環(huán)境，并提供HDL編程接口，能夠利用FPGA的嵌入式設(shè)計(jì)流程開發(fā)嵌入式軟件無線電系統(tǒng)，并支持Matlab開發(fā)環(huán)境以設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)。SOUP平臺的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 SOUP結(jié)構(gòu)組成

由圖1可以看出，SOUP主要由數(shù)字基帶母板、射頻無線電子板、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接線以及相應(yīng)的天線組成，其中射頻無線電單元主要由高集成度的ADI捷變射頻收發(fā)器AD9361構(gòu)成，AD9361負(fù)責(zé)通過天線接收或發(fā)送無線電信號，其工作頻譜范圍覆蓋極廣，支持70 MHz～6 GHz頻段，并支持模擬帶寬200 kHz～56 MHz[10]；可選擇地采用PCIe2.0 X4作為與主機(jī)的通信接口，其最大吞吐量為128 Gbps和亞微秒級延遲[11-12]?；蛘卟捎萌f兆以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)傳輸速率和傳輸距離的平衡；基帶單元包含著一個(gè)Xilinx Virtex6 lx240T-2 FPGA，它具有1 GB DDR3 SDRAM，大容量的FPGA邏輯單元和板載緩存可以容納更復(fù)雜的功能塊，這為SOUP提供了高性能的數(shù)字信號處理能力[8]，詳細(xì)信息為：支持4收4發(fā)；32 G 板載 DDR3 cache；靈活的時(shí)鐘處理結(jié)構(gòu)；3路時(shí)鐘自由選擇；實(shí)時(shí)頻偏矯正；高精度溫補(bǔ)壓控晶振。

1.2 各外設(shè)對比

目前市場上主流的軟件無線電外設(shè)有USRP，HackRF，BladeRF等。SOUP與其他幾種外設(shè)的各主要參數(shù)對比如表1所示。

表1 各外設(shè)參數(shù)對比

參數(shù)HackRFBladeRFX115USRPB210SOUP頻譜范圍30MHz～6GHz300MHz～3.8GHz50MHz～6GHz70MHz～6GHz最大帶寬/MHz202861.4456雙工HalfFullFull/2×2MIMOFull/4×4MIMO采樣率/bit(ADC/DAC)8121212接口(Speed)USB2HSUSB3USB3PCIe2.0×4FPGA邏輯元素0115000150000750000

對于軟件無線電而言，外設(shè)與主機(jī)的通信方式非常重要，因?yàn)樗鼪Q定了數(shù)字信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲髱捄头€(wěn)定性。其中USB2.0接口的最高數(shù)據(jù)傳輸速率僅為35 MB/s。USB3.0接口可以實(shí)現(xiàn)最高400 MB/s的傳輸速率。而在本系統(tǒng)中，SOUP將采用PCIe2.0×4作為與主機(jī)的通信接口，其最大吞吐量能夠達(dá)到128 Gbps。

ADC的參數(shù)同樣是決定軟件無線電性能的重要因素之一。特別是ADC的量化精度，對于使用12 bit ADC的SOUP，其轉(zhuǎn)換精度比使用8 bit ADC的HackRF要高16倍。

同時(shí)SOUP還配備2個(gè)AD9361作為無線電前端，使其能夠同時(shí)支持4收4發(fā)通信[13]。用戶能夠通過PCIe背板將多臺SOUP級聯(lián)起來，結(jié)合時(shí)鐘分配器，使多臺SOUP級聯(lián)構(gòu)成更大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)，以用于5G通信的大規(guī)模MIMO陣列研究。

2 SCA組成及特點(diǎn)

SCA是一種日漸成熟的開放式通用軟件無線電開發(fā)框架，包含了硬件體系結(jié)構(gòu)、軟件體系結(jié)構(gòu)、安全體系結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用程序接口規(guī)范。但是它并不涉及具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和外部硬件，只描述了面向?qū)ο蟮某橄笥布悾约安ㄐ螌?shí)現(xiàn)的軟件操作環(huán)境[14]。SCA組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，波形組件通過CORBA提供的邏輯總線相互交互并與核心框架交互[15]。在SCA的應(yīng)用程序接口規(guī)范中，定義了應(yīng)用程序接口(API)由2部分組成：由接口描述語言(IDL)定義的接口和這些接口的繼承類，并使用統(tǒng)一建模語言(UML)詳細(xì)描述了這些接口之間的關(guān)系，最后被波形應(yīng)用程序調(diào)用而不用去關(guān)心波形組件內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)[16]。SCA的一個(gè)關(guān)鍵特性就是它允許不同的應(yīng)用程序(波形或波形組件)在分布式處理單元上運(yùn)行并相互通信[15]。

圖2 SCA組成結(jié)構(gòu)

3 總體設(shè)計(jì)

SOUP_GNU Radio總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3所示，分為發(fā)射機(jī)系統(tǒng)和接收機(jī)系統(tǒng)。

本系統(tǒng)將PCIe控制器橋接并在基帶母板和主機(jī)之間，并采用直接訪問內(nèi)存(DMA)的方式完成SOUP與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。主機(jī)首先需要安裝SOUP內(nèi)核驅(qū)動程序，此內(nèi)核驅(qū)動程序主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備注冊、文件操作注冊、DMA緩沖區(qū)分配和管理、中斷注冊等工作。主機(jī)安裝完內(nèi)核驅(qū)動程序后，操作系統(tǒng)將識別SOUP作為一個(gè)字符設(shè)備，并像操作文件一樣來對此系統(tǒng)外設(shè)進(jìn)行操作[8]。同時(shí)GNU Radio也將通過內(nèi)核驅(qū)動程序完成對SOUP的控制。

想要實(shí)現(xiàn)SOUP與GNU Radio之間的基帶信號傳輸，就需要在GNU Radio中開發(fā)信號源模塊和信宿模塊，以用來采集和傳送I/Q采樣信號，同時(shí)控制發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的一些參數(shù)，如傳輸功率、中心頻率和帶寬。

圖3 SOUP_GNU Radio系統(tǒng)組成架構(gòu)

在Ubuntu14.04 LTS操作系統(tǒng)中，首先安裝GNU Radio，再利用GNU Radio自帶的gr_modtool工具添加信號源模塊和信宿模塊。gr_mod-tool工具能夠自動構(gòu)建信號源、信宿模塊的整體框架，再把AD9361的配置庫寫入GNU Radio的配置庫中，并根據(jù)2個(gè)模塊的功能和內(nèi)容分別對其框架下的軟件程序進(jìn)行修改，最后還需要使用gr_modtool工具建立模塊的圖形化操作界面——GNU Radio伴侶(GNU Radio Companion，GRC)，使用戶能夠直接通過圖形化界面實(shí)時(shí)地對通信傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行修改。

新開發(fā)的信號源模塊和信宿模塊如圖4所示，其中在信號源模塊中有采樣頻率、中心頻率和接收增益3個(gè)參數(shù)可以設(shè)置，接收增益可以下拉菜單進(jìn)行模式選擇，支持手動設(shè)置增益、快速/慢速自動增益。在信宿模塊中可以直接對采樣頻率、中心頻率和衰減系數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖4 在GNU Radio中新添加的模塊

4 系統(tǒng)測試

搭建的SOUP_GNU Radio軟件無線電系統(tǒng)包括SOUP、GNU Radio、IntelE5-1620v4 3.5 GHz處理器、Ubuntu14.04 LTS系統(tǒng)、650 MHz全向天線、PCIe轉(zhuǎn)接線和PCIe轉(zhuǎn)接卡等。

對基于上述軟件無線電開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)的一種傳統(tǒng)的模擬通信技術(shù)(寬帶調(diào)頻(WBFM)收發(fā)機(jī))進(jìn)行探討。

接收機(jī)系統(tǒng)中，在GNU Radio上采用WBFM接收模塊用于解調(diào)接收信號，音頻接收模塊用于解析聲音，Scope Sink模塊和FFT接收器模塊分別用于查看接收信號的時(shí)域圖和頻譜圖。這里將接收機(jī)的采樣率和中心頻率分別設(shè)置為3.84 MHz和上海交通廣播電臺頻率(105.7 MHz)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，用戶可以在程序運(yùn)行過程中通過編輯信號源模塊中的Sample Rate變量的值來實(shí)時(shí)改變采樣率，也可以在接收過程中通過拖動WX GUI Slider模塊中的滑塊或者編輯WX GUI Slider模塊中Default Value變量的值來實(shí)時(shí)改變中心頻率。調(diào)頻接收機(jī)的GRC流程圖如圖5(a)所示，接收到的實(shí)時(shí)廣播信號如圖5(b)所示。

調(diào)頻發(fā)射機(jī)的GRC流程圖和發(fā)射信號如圖6(a)和圖6(b)所示。采用.wav格式的無損本地音頻源作為發(fā)射信號源，發(fā)射機(jī)采樣率同樣設(shè)置為3.84 MHz，同時(shí)將工作中心頻率設(shè)置為109 MHz，以避開本地其他廣播頻率。

圖5 SOUP_GNU Radio接收機(jī)

圖6 SOUP_GNU Radio發(fā)射機(jī)

5 結(jié)束語

使用SOUP作為軟件無線電系統(tǒng)的硬件平臺，GNU Radio作為軟件平臺，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于通用軟件無線電開發(fā)框架SCA的新型軟件無線電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)為無線電研究人員提供了一個(gè)門檻低、成本小、周期短、使用方便的無線電開發(fā)平臺。相對于其他幾種主流的軟件無線電平臺，SOUP_GNU Radio的綜合性能更優(yōu)，研究人員可以在此平臺上快速建立無線電通信系統(tǒng)，以開發(fā)和驗(yàn)證通信算法和無線協(xié)議。為進(jìn)一步提高SOUP及本系統(tǒng)的信號處理能力，并努力向理想的軟件無線電靠近，下一步可使SOUP配置AD9371，并使用性能更加強(qiáng)大的內(nèi)核處理器。該系統(tǒng)已作為實(shí)驗(yàn)室無線電研究人員進(jìn)行無線通信開發(fā)的有效工具，通信專業(yè)相關(guān)學(xué)生進(jìn)行傳統(tǒng)通信實(shí)驗(yàn)的便捷平臺，獲得了良好的應(yīng)用效果。