USRP B210 软件定义的无线网络（SDR）支撑设备
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文章目录
- 目录
- 蜂窝网络
- SDR
- RF 的发展历程
- RFIC
- ADI AD9361 RFIC
- Xilinx Spartan-6 FPGA
- USRP B210
- USRP B210 的功能清单与相关参数
- USRP B210 的系统结构与运行原理
- GNU Radio
- OpenBTS
- 参考文档
蜂窝网络
蜂窝网络（Cellular network），又称移动网络（Mobile network），是一种移动通信硬件架构，分为模拟蜂窝网络和数字蜂窝网络。由于构成网络覆盖的各通信基站的信号覆盖呈六边形，从而使整个网络像一个蜂窝而得名。目前世界的主流蜂窝网络类型有：GSM、WCDMA/CDMA2000（3G）、LTE/LTE-A（4G）等。
在移动网络系统中，把信号覆盖区域分为一个个的小区，它可以是六边形、正方形、圆形或其它的一些形状，通常是六角蜂窝状。这些分区中的每一个被分配了多个频率（f1 - f6），具有相应的基站。在其它分区中，可使用重复的频率，但相邻的分区不能使用相同频率，这会引起同信道干扰。
NOTE：与单一基站相比，蜂窝网络可以在不同分区中使用相同的频率来完成不同的数据传输（频率复用）。而单一基站在同一频率上，只能有一个数据传输。但是，蜂窝网络中相同频率的使用不可避免地会干扰到使用相同的频率的其他基站。这意味着，在一个标准的 FDMA 系统中，在两个使用相同频率的基站之间必须有一个不同频率的基站。
蜂窝网络的组成：
- 移动站：就是我们的网络终端设备（UE），比如手机或者一些蜂窝工控设备。
- 基站子系统：包括我们日常见到的基站（大铁塔）、无线收发设备、专用网络（一般是光纤）、无数的数字设备等。我们可以把基站子系统看作是无线网络与有线网络之间的转换器。
- 网络子系统：核心网。
SDR
由于无线通信领域存在的一些问题，如多种通信体系并存，各种标准竞争激烈，频率资源紧张等，特别是无线个人通信系统的发展，使得新的系统层出不穷，产品生产周期越来越短。原有的以硬件为主的无线通信体制难以适应这种局面，迫使软件无线电（SDR）的概念的出现。它的出现，使无线通信的发展经历了由固定到移动，由模拟到数字，由硬件到软件的三次变革。
SDR（Software Defined Radio，软件无线电）是一种实现无线通信的新思路。已经在硬件上被实现了的组件（e.g. 混频器，滤波器，放大器，调制器/解调器，检测器等）也可以通过软件定义的手段在个人计算机或嵌入式系统上实现并加以代替。即大量的信号处理被交给通用处理器完成，而不再是专用硬件（电子电路）上。这种设计思路也催生了一种新型的 SDR 无线电设备，例如：个人计算机，基本的 SDR 无线电设备可以由装备了声卡、RF 前端或其他模数转换器的个人计算机组成。
SDR 无线电设备的显著特点就是 —— 硬件层的通用性。硬件平台采用模块化设计，是一个具有开放性、可扩展性和兼容性的通信平台。基于这一相对通用的硬件平台，通过加载不同的软件来实现不同的通信功能。通过使用 SDR 及其无线电设备，可以快速改变信道接入方式或调制方式，利用不同软件即可适应不同标准。利用这一特性，SDR 可以用于构成具有高度灵活性的多模手机和多功能基站，这样不同通信体制就可以实现互联互通。
SDR 的关键技术：
- 宽带/多频段天线
- 宽带模/数变换器（A/DC）和数/模变换器（D/AC）
- 高速并行的 DSP 部分
- 开放性及扩展性的总路线结构
- 软件协议和标准
- 系统的功耗、体积和成本
RF 的发展历程
CMOS 出现之初速度较慢，RF 电路多采用双极型器件。时间回到上世纪九十年代，那时候大哥大在中国还要一万多块钱一个，当时手机里的射频电路还是用昂贵的分立器件搭建的。然而随着半导体工艺以摩尔定律飞速进步，MOS 管的沟道长度大大缩小，其工作速度大为提高，功耗也大大下降，最终实现了使用便宜的 CMOS 工艺实现 RFIC 从而把所有的器件都集成在一片芯片上。
21 世纪随着各芯片制造跨入 90nm 时代，CMOS 电路已经可以工作在 40GHz 以上，甚至达到 100GHz，这一进步可以实现数据率在 100Mbit/s 到 1Gbit/s 的无线通信芯片。CMOS 最终得以服务于宽带无线通信系统和高数据率交换装置，如：无线高速 USB2.0 接口，Intel 在 21 世纪发布了 CMOS Wi-Fi RFIC。而在化合物半导体方面，GaAs 是 20 世纪末的技术主流，但进入 21 世纪以来，由于 SiGe HBT 的 fT 超过 200GHz，2GHz 下噪声系数小于 0.5dB，不但可用于移动通信，并完全可满足局域网和光纤通信的要求。SiGe 技术已经实现了几乎所有的无线通信单一功能电路，其最佳的应用领域是无线通信手机（特别是 3G 手机）的射频前端芯片及功率放大器模块，其它应用领域包括无线接入、卫星通信、GPS 定位导航、有线通信（千兆以太网、SONET/SDH 等）、汽车雷达、智能电子收费系统。
而 SoC（系统芯片）则是近几年国际半导体业发展的热点，也是未来半导体业发展方向。 随着 IC 工艺达到并跨越 90nm 节点，芯片上单个 MOS 器件的工作频率已经可以上升到微波、毫米波频段，因此，可以将 RF 前端与数字基带部分集成起来制成 RF SoC。这一新概念产品将大大减少整个通信系统中的器件数量，从而降低产品成本，减小其体积并提高功能度，同时提高可靠性。这一技术的推广有望引起产业链的变革。
RF SoC 的工艺平台可以是 CMOS、SiGe 等。21 世纪时，在试验室中已经可以用 CMOS 技术实现毫米波电路。如果进一步采用 SOI（Sion-Insulator，绝缘体硅）、SoN（Sion-Nothing，悬空硅）等新型衬底技术，则由于这些衬底中带有高电阻的埋氧层，可保证射频损耗小和器件的高速工作，而且射频部分与基带部分的串扰小，另外，设计者可以将 nMOSFET 与 SiGe HBT 通过 BiCMOS 工艺平台结合起来，利用两种的高速性能，实现低压、低功率的 30-80GHz 范围内的毫米波芯片。
RFIC
二十世纪后，无线通信技术得到了飞跃式的发展，射频器件快速的代替了使用分立半导体器件（e.g. 大哥大）的混合电路，RFIC 就是 90 年代中期以来随着 IC（集成电路）工艺改进而出现的一种新型器件。
RFIC（Radio Frequency Integrated Circuit，射频集成电路）是无线通信技术的关键之一。所谓射频，通常包括高频、甚高频和超高频，是 UE 和基站之间进行数据交互的载体（无线电波），而 RFIC 就是 UE 和基站进行无线电波收发的电子元器件。所以我们手机中都会存在 RFIC 器件，用于发送无线电波到基站，同时从基站接受无线电波，基站亦然。
RFIC 技术的基础主要包括：
- 工作频率更高、尺寸更小的新器件研究；
- 专用高频、高速电路设计技术；
- 专用测试技术；
- 高频封装技术。
ADI AD9361 RFIC
AD9361 是由 ADI 公司开发的一款 RFIC 芯片。本质是是一个 Direct Conversion Transceiver（直接转换收发器），又称 RF Agile Transceiver（射频敏捷转换器），支持 70M ～ 6GHz 频段，涵盖了大部分的商用授权及免费频段，能够传输高达 56MHz 的实时 RF 带宽，且带有混合信号基带。
AD9361 这颗 RFIC 芯片为 2011 年前已经上市的芯片，但主要还是为通信大厂直接供货，在终端 CPE、小基站早已规模发货，在 LTE（4G）、WCDMA（3G）等领域已成功商用。可能因为协议原因，直到 2014 年 ADI 的官网才公开上市。目前 ADI 也主推该芯片的生态链，与 Xilinx 的 Zynq706 一拍即合实现 SDR，这是一个不错的原型机验证方案，除了价格略高，软件难度略大。
个人认为除了大功率超宽带有 DPD 需求的宏基站场景，其他场景 AD9361 都能胜任。典型的，无线热点覆盖、城市基站补盲、直放站、手机终端、广电射频、中继、同频转发、无人机数传、低空飞行器无线传输、单兵电台、相控阵雷达等。据本人所知，通信老大华为、无人机霸主大疆、广电系统均有规模发货。
当然 ADI 是有野心的。2014 年 24 亿美刀收购 Hittite，说明在微波毫米波防务电子方面准备发力。其新一代 RFIC 的性能已经完全能满足宏基站大功率高灵敏度的需求，且已商用，但普通民用散货市场最近几年是拿不到这么先进的技术的，除了国防，其实也没有必要，够用就好。
Xilinx Spartan-6 FPGA
USRP B200 和 USRP B210 分别包含一个 Spartan-6 XC6SLX75 和 XC6S150。USRP B200 可用 Xilinx 工具的免费版本进行编程，而USRP B210 上更大的 FPGA 则需要获得许可证。
Spartan-6 系列 FPGA 是 Xilinx 公司推出的产品。通过把应用程序数据导入芯片内部存储器，来完成芯片的配置。Spart-6 FPGA 可以自己从外部非易失性存储器导入编程数据，或者通过外界的微处理器、DSP 等对其进行编程。对以上任何一种情况，都有串行配置和并行配置之分，串行配置可以减少芯片对引脚的要求，并行配置对 8bit/16bit Flash 或者微处理器来说更合适。
因为 Xilinx 的 FPGA 器件的配置数据存储在 CMOS 配置锁存器内（CCL），因此 Spartan-6 FPGA 器件上电后必须重新配置。Spartan-6 器件有多种配置模式，包括：
- JTAG 配置模式
- Master Serial/SPI 配置模式（X1，X2，X4）
- Slave Serial 配置模式
- Master SelectMAP/BPI 配置模式（X8，X16）
- Slave SelectMAP 配置模式（X8，X16）
该 5 种模式可分为 3 大类：
- JTAG 模式（可归为从模式）
- 主模式
- 从模式
主模式的 4 种配置方式：
从模式的 3 种配置方式：
USRP B210
USRP B210 是由 Ettus Research 公司发行的 SDR Kit（Software Defined Radio Kit，软件定义的无线网开发套件），提供了一个完全单板（Board）集成的 USRP，连续频率覆盖范围为 70MHz 至 6GHz，实时带宽高达 56 MHz。其中 USRP 的全称为 Universal Software Radio Peripheral（通用软件无线电外围设备平台）。官方主页：https://www.ettus.com/all-products/ub210-kit/
简而言之，USRP B210 是一个低成本的软件定义无线电支撑设备。利用 USRP B210 可以实现十分广泛的应用，包括广播，手机，GPS，WiFi，ISM FM 和 TV 信号等等。用户可以利用 GUN Radio 很快的进行一些 SDR 的开发。其中，UHD 支持与 HDSDR 和 OpenBTS 等开源软件兼容。
USRP B210 的功能清单与相关参数
- 完全单板集成的双通道 USRP 器件，具有从 70MHz ~ 6GHz 的连续 RF（发射信号）覆盖范围。
- 全双工 MIMO（多入多出，2 Tx & 2 Rx）操作，实时带宽高达 56MHz（正交为 61.44MS/s）。
- 支持高速的 USB 3.0 连接。
- 通过 UHD（USRP Hardware Driver，USRP 硬件驱动程序）支持 GNU Radio 和 OpenBTS。
- 用户可编写的 Spartan 6 XC6SLX150 FPGA。
- 使用 ADI AD9361 RFIC 射频集成电路芯片。
- 具有用于 PCB 设备（电路板）的钢化外壳附件。
USRP B210 的系统结构与运行原理
USRP B210 专为低成本 SDR 实验而设计。其实时吞吐量以 61.44MS/s 正交为基准，可为主机提供完整的 56MHz 实时 RF 带宽，以便 GNU Radio 或使用 UHD API 的应用程序进行处理。B210 射频前端（RF frontend）芯片为 AD9361，AD9361 是一个直接转换收发器（Direct conversion transceiver），能够传输高达 56MHz 的实时 RF 带宽。B210 使用了 AD9361 的两个信号链，提供 2x2 MIMO 功能。 AD9361 的板载信号处理和控制由 Spartan6 XC6SLX150 FPGA 执行，它通过 USB 3.0 连接到主机。通过 B210，你可以立即使用 GUN Radio 进行 SDR 的开发，也可以使用 OpenBTS 对自己的 GSM 基站进行原型设计。
GNU Radio
GNU Radio 同样是 Ettus Research 公司牵头发起的开源的软件开发工具套件。它提供信号运行和处理的模块，用它可以在唾手可得的低成本的外部射频（RF）硬件和通用微处理器上实现软件定义无线电（SDR）、或无硬件的模拟环境。这套套件广泛用于业余爱好者，学术机构和商业机构用来研究和构建无线通信系统。
GNU Radio 的应用主要是用 Python 编程语言来编写的。但是其核心信号处理模块是 C++ 在带浮点运算的微处理器上构建的。因此，开发者能够简单快速的构建一个实时、高容量的无线通信系统。
尽管其主要功用不是用来做仿真器，GNU Radio 在没有射频 RF 硬件部件的境况下还可用作对预先存储或（信号发生器）生成的数据进行信号处理的算法研究的平台。
GNU Radio 中文网站：http://gnuradio.microembedded.com
OpenBTS
OpenBTS，即开源基站（Open source Base Station），它基于软件定义无线电系统（e.g. USRP）来实现 GSM 空中接口（UM 接口）来规范 GSM 手机（的连接），使用软交换（Asterisk software PBX 或 Freeswitch）来连接呼叫。结合司空见惯的 GSM 空中接口和 VoIP 有可能形成一个新型的无线网络，它可以以很低的布局和运营成本用于一些还未开垦的区域及一些发展中国家。
简单地表述，这是一种新型的无线网络，它的布局和运营成本是现存传统技术的十分之一。尽管如此，它不仅兼容了市场上的大多数手机。还可以以远低于搭建传统的 GSM 造价和复杂程度被用于私有网络的应用（e.g. 快速地搭建无线交换，等等）。
OpenBTS 中文网站：http://gnuradio.microembedded.com/openbts
参考文档
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1609302704799426168&wfr=spider&for=pc
https://blog.csdn.net/qq_20785973/article/details/102736491
http://bbs.eetop.cn/thread-483289-1-1.html
https://blog.csdn.net/qq_18536597/article/details/91384282
https://baike.baidu.com/item/RFIC