作者簡介：魏興光，北京郵電大學智能計算與通信研究組（Intelligent Computing andCommunication Lab， IC2 Lab）研究生，主要研究方向為軟體無線電（Software Defined Radio， SDR）。作者授權S2微沙龍發表該文，所有打賞將返還給作者。
本文檔通俗地介紹SDR的技術原理：先簡單介紹SDR的概念，SDR系統的分類，基於GPP的SDR系統，接著詳細介紹SDR系統原理，最後再以SDR LTE系統為例進一步解析SDR系統的工作流程。
一、 軟體無線電（SDR）概念軟體無線電，即Software Defined Radio，SDR。通俗來講，SDR就是基於通用的硬體平臺上用軟體來實現各種通信模塊。
概念中有兩個關鍵詞，「通用硬體平臺」和「軟體」。「通用硬體平臺」就是說我們能基於這個硬體平臺實現各種各樣的通信功能，而不是說一個硬體平臺只能實現一種通信功能。「軟體」來實現通信模塊是相對於傳統的無線電技術來講的，傳統的無線電通信模塊都是用硬體電路來設計，一個通信電路只能完成一種通信功能，開發周期長，開發成本高，而且一旦設計好後功能就無法改變。軟體化可以加快通信模塊的開發速度，降低開發成本，便於調試和維護。
我們可以用圖1來簡單看看軟體無線電基站與傳統的無線電基站的區別。圖片左邊的是傳統的大基站，圖片右邊的是基於軟體無線電的小型化基站。傳統的商用基站體積較大，需要設計很多專用的硬體電路；而SDR基站體積較小，大部分通信功能由軟體實現。
圖1： 商用基站與SDR基站
SDR技術被譽為通信領域的第三次革命。第一次革命是1G通信系統，由有線通信到無線通信的革命；第二次革命是2G通信系統，由模擬通信到數字通信的革命。SDR是未來通信系統的發展趨勢。
二、 SDR系統分類比較通用的SDR系統分類是以SDR的硬體平臺來分類。SDR系統分為三類：基於FPGA的SDR系統，基於DSP的是SDR系統和基於GPP的SDR系統。
2.1 FPGA-BasedSDR系統基於FPGA平臺開發的SDR系統，實時處理能力強，但是開發難度大，開發成本也高。這裡強調一下在SDR系統中對實時處理能力要求很高，我們以LTE系統為例，LTE系統的子幀長1ms，也就是說我們的SDR系統必須在1ms內把這一子幀的數據全部處理完並發送出去，不能有任何時延。通信系統帶寬越大，吞吐率越高，對系統的實時性要求就越高。2.2 DSP-BasedSDR系統基於DSP平臺開發的SDR系統，實時性比FPGA略差，而且同樣的開發難度大，開發成本也高。
2.3 GPP-BasedSDR系統GPP即General Purpose Processor，通用處理器。我們可以簡單的把GPP理解為電腦，即我們使用的臺式機、筆記本等。基於GPP能高效地開發各種通信模塊、通信系統，因為我們可以很方便的基於各種高級程式語言、各種連結庫來實現各種通信功能，如編碼、調製等。而且，基於GPP的SDR系統開發相比其他兩種具有較低的開發門檻，較低的開發成本，開發周期也較短、便於調試等。GPP-Based SDR系統是目前最為通用的一種SDR系統實現形式。
GPP-based SDR系統通常包含兩部分，一部分是GPP，另一部分是外設。下一個章節我們將介紹SDR外設的種類。
三、SDR系統外設如圖2所示，SDR基站/UE都各自包含一個GPP和一個外設。GPP即我們平常所用的臺式機或筆記本電腦。SDR的外設有很多種類，如USRP，bladeRF，HackRF，以及低端的RTLSDR等。下面我們分別介紹各種外設的相關信息。
圖2： SDR通信系統
USRP是Ettus公司的產品，目前主要有B系列，E系列，N系列和X系列等，基本上系列字母越靠後價格越貴。由於USRP型號太多，我們以B系列為例來介紹USRP。 B系列主打小型化，目前有USRP B200/B210、USRP mini系列等，其中mini系列更是只有一張名片大小。而且B系列都採用USB3.0接口與GPP通信，直接採用USB供電，使用非常便捷。USRP B系列的產品大部分單價都在7000-8000塊之間，但是如果加上稅錢、運費等，差不多就得10000塊了。USRP相關產品的介紹請連結官網https://www.ettus.com/product
圖3：USRP設備
3.2 BladeRFBladeRF主要有三種型號，BladeRF X40，BladeRF X115， BladeRF X115 Thermal。BladeRF X40 是低配版，就是我們手機裡面的青春版，大概約$420，即3000塊左右；BladeRF X115是高配版，FPGA比BladeRF X40好，價格約$650，即4500塊左右；而BladeRF X115 Thermal則是頂配版，可以耐受極端環境，價格約$1500，即10000塊左右。BladeRF的詳細信息請查閱官網 http://www.nuand.com/
圖4：BladeRF設備
3.3 HackRFHackRF，顧名思義是黑客版的SDR外設，它主打性價比高，價格便宜。HackRF主要有兩種版本，HackRF blue和HackRF one，其中HackRF blue是低配版，HackRF是高配版。注意的是HackRF只能支持半雙工。HackRF詳細的信息請查閱官網 http://greatscottgadgets.com/hackrf/
圖5：HackRF設備
在國外網站上找到一篇介紹上述SDR外設的區別的博客，http://www.taylorkillian.com/2013/08/sdr-showdown-hackrf-vs-bladerf-vs-usrp.html 。有空我給大家翻譯翻譯。現在先給大家預覽一下裡面的一個表格。
如果說上述設備對學生黨來說都太貴了，畢竟動不動就好幾千塊錢，那麼不得不隆重介紹下入門級的SDR外設，RTLSDR。淘寶一搜RTLSDR就能出來一大堆，而且都只需要幾十塊錢，博主目前就買了一個，正在研究怎麼使用。便宜就意味著性能的低，RTLSDR本來是用來接收電視信號的，所以也稱為電視棒。RTLSDR只能接收信號，不能發射信號，而且只有2.8M/s的採樣速率，根據奈奎斯特採樣定律換算一下理論上最大支持的帶寬只有1.4M。但這仍然是一款非常適合用來入門的SDR外設。RTLSDR具體使用方法參見http://sdr.osmocom.org/trac/wiki/rtl-sdr和http://www.rtl-sdr.com/
圖6：RTLSDR設備
四、 SDR系統原理下面正式開始講解SDR的系統原理。在上面的介紹中我們知道GPP-Based SDR系統一般都是包含一個GPP和一個外設。我們以一臺筆記本電腦連接一個USRP B200為例來給大家講解SDR系統內部的實現原理。
4.1 發射機首先我們來看發射端的系統原理圖，即圖7。圖的左邊是一臺筆記本的示意圖，右邊的一個USRP B200的發射示意圖。
首先看筆記本結構最上面的SDR程序。這個程序就是我們用軟體來實現的通信模塊，在筆記本上我們可以用各種高級程式語言來編寫各種通信模塊，例如Turbo編碼模塊，OFDM模塊等。鑑於SDR系統對實時性要求較高，所以我們一般使用C或C++語言來編寫SDR程序。SDR程序裡面包含了通信系統完整的協議棧，如果我們寫的是LTE系統，則包含PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC、NAS甚至MME等；而如果我們的是WiFi系統，則包含PHY、MAC、LLC等。SDR程序的主要功能是處理系統的基帶數據。
接下來UHD是USRP設備的驅動模塊，不同的外設使用的驅動也不一樣，因為我們是以USRPB200為例，所以驅動模塊是UHD。UHD驅動的安裝方式可以參見http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/53002311使用C或者C++調用UHD的庫函數可以參見http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/53142911。
接下來是系統的各種系統庫和系統調用的接口以及內核。強調一點，大部分SDR程序都是基於Linux來開發的，很少基於Windows開發。因為Linux系統開源，而且實時性較好。這一塊主要涉及作業系統方面的知識，我們不在這裡深入討論。
USRP B200與GPP的接口是USB3.0。外設接口的選擇也很重要，接口的傳輸速率必須快，不能成為整個系統的瓶頸。USRP早期的產品的都是用的USB2.0接口，因為當時通信系統的吞吐量較小，所以不會限制使用。現在大部分外設都是用USB3.0或者乙太網網口作為外設接口。USB3.0的接口速度可以達到500MBps，基本能滿足大部分通信系統的需求。
接著筆記本電腦通過USB3.0把數據傳輸給USRP B200。USRP最底下的兩個模塊是發送控制模塊和數字上變頻模塊（DUC）。這兩個模塊是用FPGA裡面實現的，用FPGA實現的好處是處理速度快。發送控制模塊好理解就是用來控制整個USRP的發送行為，例如什麼時候發送等。DUC模塊是為了把電腦產生的基帶數據上變頻到中頻。之後數位訊號經過USRP的DAC之後轉化為模擬域的數據，數模轉化之後需要過一個低通濾波器使信號變的更加平滑。最後中頻模擬域數據在與晶振產生的信號相乘把我們的中頻信號調製到制定的射頻頻點上。
最後射頻信號再經過功率放大器把信號發射出去。信號放大器裡面也有很多知識可以學習。例如信號放大器分為A類，B類和C類等，具體每一類的特徵本文就不具體解釋了。我們可以通過UHD提供的庫函數來修改發射信號的發射增益，即tx_gain。tx_gain這個參數對信號的影響還是挺大的，tx_gain設置的太小導致信號功率太小，而如果設置的過大可能會導致系統的低噪上升，也有可能會影響其他通信系統的正常工作。
圖7：SDR發射機原理圖
4.2 接收機可能有人會問為什麼要經過兩次變頻。我們以SDR接收機給大家講解。如圖8所示是SDR接收機的原理圖。同樣的，左邊是筆記本的示意圖，與發射機的一樣；右邊是USRP的接收示意圖，USRP接收示意圖與發射示意圖稍有不同。
首先接收部分的放大器變成了低噪放，顧名思義，低噪放就是低噪聲的放大器，本質上還是個放大器。因為接收的信號裡面包含了信道的噪聲，接收機不能把噪聲放的過大。
信號經過低噪放後與USRP晶振產生的信號相乘把信號下變頻到中頻，同樣地再經過一個低通濾波器把信號變得平滑。
之後中頻信號經過ADC把模擬域的信號轉到數據域。ADC是USRP裡面很重要的一個部件。ADC主要由兩個參數，採樣精度和採樣率。採樣精度表示採樣後的信號用多少bit來表示，例如USRP B200的ADC精度為12 bits，即採樣後的每一個數據用12bits來表示。採樣率就是系統的採樣速率，USRP B200的採樣速率為61.44MS/s。這也就是為什麼大部分SDRLTE系統都採用USRP B系列作為外設的原因，61.44MS/s的採樣率剛好是LTE系統最大採樣速率30.72M的兩倍。
同樣的信號經過ADC之後，數位訊號被送入FPGA模塊處理。FPGA裡面包含兩個模塊，數字下變頻和接收控制。接收控制用來控制整個USRP系統的接收流程，例如什麼時候開始接受等。數字下變頻即DDC，用於把信號從中頻下變頻到基帶。
圖8：SDR接收機原理圖
為什麼要經過兩次下變頻呢？如圖9所示，第一次變頻是在模擬域通過晶振產生的信號與射頻信號相乘把信號下變頻到中頻，這一次變頻主要是為了後面做AD採樣。我們知道採樣需要滿足奈奎斯特採樣定律，採樣的頻率必須大於信號的最高頻率的2倍，而射頻信號的載波頻率已經能都達到2.6GHz，甚至5GHz，根本無法做出載波頻率兩倍的採樣速率的ADC。所以系統先把信號下變頻到中頻，然後再利用ADC對信號進行模數轉化。因為USRP ADC的採樣率為61.44MS/s，所以我們可以推出USRP對應的中頻頻率應該低於30.72MHz。
接著中頻的數位訊號被DDC下變頻到基帶。有人可能會問為什麼不直接把信號一次變頻到基帶呢，這樣的接收機叫做零中頻接收機。如果載波頻率高了，零中頻的接收機設計會非常複雜，所以零中頻接收機一般用於載波頻率較低的系統裡面。
圖9 ：下變頻原理示意圖
數位訊號經過USB3.0接口傳輸到筆記本電腦上後，電腦再把數據傳輸給SDR程序處理。物理層處理完後再把數據交給上層。這樣SDR接收機的信號接收過程便完成了。
SDR發射機/接收機裡面的每一個模塊都對應一大片知識，知識的海洋是無窮的，這裡的介紹只能起一個拋磚引玉的作用。如果大家想深入學習的話，還得要多查閱資料。
五、 SDR LTE系統上一章節從SDR發射機和接收機的角度分別介紹SDR系統的原理。下面我們以SDR LTE系統為例給大家介紹一個SDR系統的例子，有助於大家理解實際項目的中SDR通信系統。
目前國際上已經有好幾個開源的SDR LTE系統，如OpenAirInterface， srsLTE， OpenLTE等， 詳情可以查看 http://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/53026659。開源的SDR LTE系統非常適合用來學習SDR和LTE的原理和知識。
下面以圖10來介紹SDR LTE系統的工作流程。
首先LTE的上層有數據需要物理層發送，比如我們要發送一個經典的字符串」Hello World」，上層把數據編碼成Bit流自後交給物理層。上層可能採用的ASCII編碼，把Hello World編碼成對應的Bit流。即物理層收到的是一連串的100110等。
Bit流傳到物理層後開始進行編碼，LTE採用的是1/3 碼率的Turbo編碼，再經過加擾，加擾可以理解為將Bit流隨機化，避免出現一大串連續的0或者1。此外，在發送端用小區專用擾碼序列進行加擾，接收端再進行解擾，只有本小區內的UE才能根據本小區的ID形成的小區專用擾碼序列對接收到得本小區內的信息進行解擾，這樣可以在一定程度上減小臨小區間的幹擾。
接著Bit流經過調製模塊後被調製成複數。LTE裡面採用的是QPSK，16QAM和64QAM等調製方式，出來的數據形式如 0.707+0.707j。然後對複數序列進行資源映射，把複數映射到LTE的時頻資源上，最後再對這些信號進行OFDM把信號轉換到時域。此時，SDR程序的工作便完成了，生成了LTE系統的基帶數據。
緊接著，GPP把基帶數據通過USB3.0接口把數據傳輸給USRP，由USRP經過上一章講述的流程把基帶信號上變頻到射頻並發送出去。
圖10：SDR LTE系統原理
LTE接收機的過程基本與發射機相反。USRP把接收到的射頻信號下變頻到基帶後通過USB3.0接口傳輸給SDR程序。SDR程序把接收到的一連串複數先做OFDM解調，接著信道估計/均衡。此時的數據仍然是複數形式的。經過軟解調之後數據變成Bit流，最後再進行解擾，解碼恢復出 「Hello World」 的ASCII碼，傳輸給UE的上層後，UE識別出有人給它發送了一串信息，即「Hello World」。
至此，通信的過程完成。
我的博士師兄帶我飛的論文：
X. Xiong, W. Xiang, K. Zheng, H. Shen and X. Wei, "An open source SDR-based NOMA system for 5Gnetworks," in IEEE Wireless Communications, vol. 22, no. 6, pp. 24-32,December 2015.
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