如何通过软件​无线​电​推进​无线​原型​验证​

应用程序不断增多，适用的无线设备也随之增加，造成需求和设计越发复杂。由于人们需要的数据越来越多，硬件设计便向着更宽的带宽、更高的频率和更多的通道发展，而软件则需要提供更大的灵活性，并缩短产品上市时间。

无论是在实验室中对新的无线技术进行原型验证，还是在真实环境中对系统进行评估，软件无线电(SDR)都提供了理想的解决方案，可确保性能和设计目标均得到满足。

本文介绍了NI Ettus USRP X410及其应用。这种通用软件无线电外设(USRP)旨在满足商业通信和国防应用程序的全新先进无线需求，无论是研究阶段还是部署阶段，皆可满足。

无线原型验证的演变

无人机防御和信号情报等应用的发展瞬息万变，在这样的情况下，更快速的部署和快速适应能力将是关键。我们需要具有强大RF和信号处理能力的商用现成(COTS)系统，但为了能够支持灵活的增强功能，防范各种威胁，还必须要有一个开放的平台。对于部署应用场景，小巧、轻便的低功率(SWAP) SDR支持可移动的便携式解决方案。

商用无线通信测试台和原型往往需要处理蜂窝和无线连接的多个频段和标准。要跟上5G等新无线标准的步伐，这意味着通常需要借助空口(OTA)无线原型验证，在有相应能力的硬件上开发和测试软件IP，以此证明从新编码方案到先进的多输入多输出(MIMO)系统等技术符合预期。

新一代的软件无线电

Ettus Research和NI联合推出了新一代高性能SDR，NI Ettus USRP X410便是首款。它将NI和Ettus Research的优点结合到单一的无线电中，不仅支持热门的开源工具流，包括USRP硬件驱动(UHD)和GNU无线电，还支持LabVIEW软件。NI Ettus USRP X410基于Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC构建，配备了高性能的RF发射器和接收器硬件，可提供NI迄今为止功能最为强大的SDR。RFSoC与数据转换器(ADC/DAC)集成，为嵌入式处理器和可编程FPGA技术奠定了基础。四核Arm处理器支持独立运行（嵌入式模式）或基于主机的模式，并通过外部主机来运行您的应用。

图3.NI Ettus USRP X410集成了硬件和软件，有助于对高性能无线系统进行原型验证

助力未来创新的开放平台

Xilinx Zynq UltraScale+ FPGA的可编程逻辑组件拥有的FPGA资源比其他USRP产品多一倍，可提供高吞吐量的数字信号处理(DSP)和加固的IP内核，如板载软决策前向纠错(SD-FEC)和数字上变频/下变频(DUC/DDC)内核。SD-FEC对5G原型验证特别有效，可用于实时低密度奇偶校验(LDPC)编码/解码，这是5G中最密集的计算操作之一。在纯FPGA设计中，SD-FEC逻辑可以跨越多个大型Virtex-7 FPGA。因此，将其作为预建内核纳入硅片，可以节省巨大的空间和开发精力。

对于热门RF Network-on-Chip (RFNoC)框架，NI Ettus USRP X410提供全方位支持，通过软件应用程序编程接口和FPGA基础结构，更容易实现FPGA加速。它可帮助您快速启动和运行，让您可以专注于增值型IP。您可以通过GNU无线电图形化界面、C++或Python，将基于主机和基于FPGA的处理无缝集成到应用程序中。用于快速傅里叶变换(FFT)和有限脉冲响应(FIR)滤波器等常见功能的RFNoC模块库是一个很好的着手点。然后，您可以使用偏好的硬件描述语言(HDL)将自己的IP块添加到模块化架构中。

除了系统的FPGA架构，Xilinx UltraScale+ RFSoC还配备了四个板载应用程序处理单元(APU)和两个实时处理单元(RPU)，为需要板载嵌入式操作系统来实现独立运行的应用程序提供支持。

图4.Xilinx UltraScale+ RFSoC的简化程序框图显示了板载APU和RPU，可用于需要板载嵌入式操作系统来实现独立运行的应用程序

用于扩展的RF硬件

NI Ettus USRP X410的频率范围为1 MHz至7.2 GHz，不仅可以处理sub-6 GHz传统的RF频段，还可以处理最近开放的5.925 GHz至7.125 GHz的Wi-Fi 6E未授权频段。凭借400 MHz的瞬时带宽，您可以利用更宽的通道，实现通道绑定和载波聚合，获得更高的数据吞吐量。RF前端架构采用低于3 GHz的超外差两级转换和高于3 GHz的单级转换，再加上滤波和功率电平控制，可发射和接收高保真信号。

NI Ettus USRP X410将四个发射和四个接收通道整合到一个紧凑的½机架1U组成结构中，不仅用途广泛，还易于运输，可为现场测试和运行提供支持。每个通道都相互独立，这意味着可以将每个通道调整到不同的频率，实现频分双工(FDD)应用或同时模拟多个信号。这些通道还可以通过一个内部恒温晶体振荡器(OCXO，可以将其校准到50 ppb以内)、一个用于时间标记的内部GPS指定振荡器(GPSDO)，以及10 MHz参考和脉冲/秒(PPS)生成来进行同步。若通道数更多，则可以通过导入外部参考时钟并使用PPS生成来同步多个设备，这些情况需要大规模MIMO等精准时间对齐。

随着带宽变宽和通道增多，将大量数据移入和移出无线电可能会成为一个挑战。为了解决这个问题，NI Ettus USRP X410采用了两个可配置的四路小型可插拔(QSFP)端口，可充分利用双10 GbE或双100 GbE板载的优势。此外，该无线电还包含一个PCI Express x8 Gen 3端口，传输速率高达8 GB/s。

图5.NI Ettus USRP X410的程序框图显示了其RF和数字功能

总结

NI Ettus USRP X410的强大性能为您实现新创新提供了一个理想平台。将这款软件无线电与您选择的软件工具链结合使用，凭借出色的功能和灵活性充分满足您的需求。无论您是在研究5G及更高的技术，还是在部署系统以期缓和不断变化的威胁，NI Ettus USRP X410都可以加快无线设备原型验证的速度。

编辑：hfy