软件定义无线电1

最新推荐文章于 2025-02-05 22:03:53 发布

YunSDR

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分类专栏：软件无线电威视锐文章标签：信息与通信网络

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1.引言

1.1软件无线电时代的到来

软件无线电（Software Defined Radio，SDR）起源于20世纪80年代，其基本思想是通过软件来实现无线电的部分功能。

如今的Wi-Fi，蓝牙，4G，5G等标准中的精密且复杂的系统都离不开软件的控制。在很多情况下，核心处理功能也在软件中实现。如今6G的设计与开发也在进行中，这将是第一代和第一套在射频前端几乎都是软件无线电的标准。因此，现代通信工程师需要的是能增强SDR能力的平台，为当今无线电标准部署更好的解决方案并开发新的无线电系统。

1.2 SDR与Zynq UltraScale+ RFSoC

本书的重点是使用Zynq UltraScale+ RFSoC（以下简称“RFSoC“）实现SDR系统。该设备专门针对射频（Radio Frequency，RF）引用的片上系统（System on Chip，SoC）。RFSoC是AMD开发的第三款主要Zynq SoC。第一款和第二款分别是Zynq-7000 SoC和Zynq UltraScale+ Multi-Processor SoC（MPSoC）。这三种SoC都由用于运行软件系统组件的处理系统（Processing System，PS），与等效于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的可编程逻辑（Programmable Logic）以及两部分之间的高速互联组成。

RFSoC设备的架构如图1.1所示。图中所标注的功能在设备上的专用部分实现，而不是通过可编程逻辑实现。这使得在性能上获得提升的同时仍可提供可编程性。

这些功能可概括如下：

1.射频数据转换（RF Data Converter，RFDC）模块

该模块集成了模数转换器（Analogue to Digital Converter，ADC）和数模转换器（Digital to Analogue Converter，DAC），可以以每秒多个千兆的采样率工作。同时该模块还包括可编程数字上变频器（Digital Upconverter，DUC）和数字下变频器（Digital Downconverter，DDC）以实现基带与调制频率之间的相互转换。

2.软决策前纠错（Soft Decision Forward Error Correction，SD-FEC）模块

无线通信方案中的前向纠错编码（Forward Error Correction，FEC）可以减轻无线电信道中引入的错误。RFSoC采用了SD-FEC模块，用于在所选的移动蜂窝标准中实现编码和解码。

3.千兆收发器（Gigabit Transceivers ，GTY Transceivers）

在许多情况下，RFSoC需要以有线形式与无线电系统中的其他设备连接。例如在无线蜂窝基础设施中，RFSoC可用于实现无线电线段，但是需要连接核心网络的高速链路，这些往往以有线或光学形式实现。RFSoC上的GTY收发器模块可实现多种不同标准的高速串行接口。

除此以外，PL还提供可编程硬件资源用于实现自定义无线电架构，可从软件更改硬件设计的参数，甚至动态重新编程PL设计的部分。

PS架构包括一个四核应用程序处理单元，一个双核实时处理单元以及平台管理和安全的功能。还有本地存储器、互连和外围接口。这些特征可以组合使用以实现SDR的软件部分，如操作系统、硬件元件的控制与协调以及基于软件的算法。

1.3 设计方法

SDR可以使用各种硬件技术和软件方法来实现。RFSoC平台为SDR提供了强大的硬件平台，其PS是实现软件功能的主要部分。此书中介绍的SDR“软件“部分的基础是PYNQ框架，它通过将SoC硬件设计、Linux和Python元素与Jupyter应用程序开发环境相结合，以实现AMD自适应计算平台上的软硬件集成与生产力。

RFSoC PYNQ是PYNQ的扩展，它包括对RFDC等强化功能的设计支持，能够轻松控制硬件块的参数和操作。本书提供了一些实用设计资源的简短摘要，这些资源的用户界面是通过Jupyter Notebook实现的。

A Notebook Set A——Jupyter Notebook和PYNQ简介

本书中的RFSoC实践练习使用Jupyter进行。 Jupyter Notebook是交互式文档，包括可执行代码、文档和可视化结果。本书的Notebook Set包括两种类型的Jupyter Notebook。第一种类型可以在计算机或RFSoC平台上执行；第二种类型使用了RFSoC的硬件功能，必须在RFSoC平台上执行。

本节首先介绍Jupyter项目和Jupyter Notebook的关键组件，然后展示关键的绘图和科学计算库，方便Jupyter进行可视化和分析。

A.1 Jupyter 入门

Jupyter有两个交互式图形环境。分别是经典的Jupyter Notebook，和最近的JupyterLab——一个基于浏览器的集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）。JupyterLab在一个环境中组合了多个工具，包括文本编辑器、命令终端等、工作区查看器。设置JupyterLab后，可以看到如图1.2所示的窗口。

图1.2所示窗口展示了JupyterLab界面的三个主要区域——菜单栏、侧边栏和主工作区。菜单栏显示了与文件控制和操作相关的设置与命令；侧边栏提供了包括文件浏览器、工作区管理器、Notebook导航工具和Jupyter扩展管理器等工具；主工作区包含交互式Notebook、启动器窗口。

A.2 可视化和分析

JupyterLab可以利用几个Python库来绘制、评估和操作数据。以下是对这些库的介绍：

Numpy库用于高级数学函数和多维矩阵运算。
Pandas库提供数据结构和数值表，用于数据操作和分析。
SciPy库由科学和工程学科中常见的科学计算任务模块组成，包括积分、插值、抽取、空间处理、优化、傅立叶分析等。
MatplotLib库用于生成绘图。
Plotly库用于创建图形和绘图，默认情况下生成的绘图是交互式的。
Ipywidgets库用于创建图形界面。

A.3 PYNQ 框架和 RFSoC-PYNQ

Python Productivity on Zynq，即为PYNQ，是AMD的一个开源项目，该项目提供一个简化AMD SoC平台上硬件和软件开发的框架。PYNQ框架如图1.3所示。

A.4 覆盖层与硬件接口

覆盖层是在PL上实现的可编程硬件配置。该设计包含产生正弦波的数字控制振荡器（Numerically Controlled Oscillator，NCO）。正弦波发送到数据搬移IP核，以便数据可以从FPGA逻辑结构传输到RFSoC的PS。用户可从Jupyter控制NCO，允许修改正弦波频率和振幅，该系统的功能框图如图1.4所示。