运用NI USRP打造出经济实惠的8x8 MIMO测试台

此技术文章说明了LabVIEW 与USRP 平台的使用方式，进而打造出相位同调(Phase Coherent) 的MIMO 测试台，可以从2x2 扩充为8x8 天线设定，并且用来测试多种MIMO 与多用户的通信研究项目。

1. 8x8 MIMO 简介

现在Single-Link 单连结MIMO (多重输入与多重输出) 通信的概念可说是非常普遍[1]，新的无线标准也陆续采用此技术。 比如说LTE Advanced 标准，其中结合了高达4x4 MIMO 上行与8x8 MIMO 下行[2]。 随着各式标准持续提高数据传输率、用户人数与稳定的链接数量，工程师也必须开发新并仿真的算法，并且在实际情况下加以检验。 而且各机构也开始大量投资MIMO 应用，包含多使用者的MIMO (MU-MIMO)、合作式MIMO 与协作多点(CoMP) 等项目。 研究基金的竞争状况越来越激烈，同时因为原型制作决定了新算法的实用性，重要性更甚于仿真通道，因此让整个情况更具挑战性。 如要发表全新的研究结果，必须建置原型，而且研究结果还要具有充分的重复使用率。 可扩充的现成软件定义无线电(Software Defined Radio，SDR) 解决方案可在研究员制作算法原型时提供关键优势，因其兼具了开发客制化无线电的低成本弹性，以及高成本传统仪器的可重复使用效能。

图1. NI USRP-2920 设备

通用软件无线电外围设备(USRP，见图1) 可说是最方便好用也最经济实惠的现成软件定义无线电系统，非常适合更高阶次的MIMO 应用。 此技术文章说明了LabVIEW (图2) 与USRP 平台的使用方式，进而打造出相位同调(Phase Coherent) 的MIMO 测试台，可以从2x2 扩充为8x8 天线设定，并且用来测试多种MIMO 与多用户的通信研究项目。

图2. 8x8 MIMO LabVIEW 人机界面

2. USRP 硬件概述

USRP 平台是一款RF 软件设定的无线电收发器，可用于无线通信研究。 将USRP 连接至主计算机后，即可做为软件定义的无线电，提供主机架构的数字信号处理功能。 每个USRP 设备都会提供独立的传送与接收通道，可针对特定的硬件配置提供全双工作业效能。 

USRP 设备会通过GB ETHERNET 端口连接至主计算机，此端口需要Standard 1 Gigabit Ethernet (GbE) 连接功能。 同时以6 伏特DC 运作，最高耗电量为18 瓦特。 请参阅USRP 系统方块图(图3)，传送与接收链分别独立运作，但会共享一个通用的内接10-MHz TCXO 参考频率，局部震荡器(LO) 便是来自此频率。

图3. NI USRP-2920 系统方块图

Rx 信号路径

就接收端而言(图3 下方)，所接收的模拟RF 信号会通过RX 1 或RX 2 接头进入，这会由可设定的切换开关来决定，并且经过可调整的(0-30dB) 增益阶段到达混合器，进而将LO RF 频率直接转换为基带IQ 组件。100MS/s、14 位的双信道ADC 会过滤基带I/Q 模拟信号并取得其样本。 经过数字化的I/Q 数据会经过平行的内建信号处理(OSP) 程序，此程序会套用DC 偏移修正作业、采用CORDIC 执行数字降转换以修正次要的频率偏移并达到所需的RF 中央频率，过滤并抽取100M S/sec 的输入信号至用户所指定的IQ 速率。 经过降转换的样本接着会通过标准的GbE 连接功能传送至主计算机，如果是16 位模式的话基带IQ 速率最高可达25 MS/s，如果是8 位模式的话则是50 MS/s。

Tx 信号路径

就传送端而言(图3 上方)，主计算机会合成基带IQ 信号，接着通过GbE 连接功能把合成过的I/Q 信号样本传送至USRP，如果是16 位模式的话最高可达25 MS/s，如果是8 位模式的话则是50 MS/s。USRP 硬件OSP 会采用数字升转换程序来插入合成信号并且升转换至400MS/s，根据所需的RF 中央频率套用CORDIC 以便修正次要的频率偏移，接着通过16 位的双信道DAC 将信号转换为模拟信号。 再来会通过直接转换架构来过滤并调变此模拟信号以达到指定的RF 频率，进一步混合LO 与模拟基带IQ 信号。 可调整的(0-30dB) 增益阶段会放大信号，以便通过外接的TX 1 端口来传送信号。

时序与频率

有了MIMO 扩充埠即可同步化2 个USRP 的时序与频率，此外也可做为以太网络开关，一组USRP 就能够共享单一GbE 连接。USRP 前端设备具有REF IN (10-MHz 参考频率) 与PPS (每秒脉冲) SMA 连接，可提供外部频率参考与时序的同步化功能，以便补足内接的TCXO 以提高频率准确度，也可针对大量设备提供同步化功能。

NI-USRP 驱动程序

至于软件方面，LabVIEW 开发系统提供方便的强大接口，可搭配USRP 硬件，以便快速制作通信算法原型。NI-USRP 软件驱动程序提供直觉性的函式、VI (LabVIEW 虚拟仪器，可直接对应至硬件配置以便设定时序与同步状态)、开启/关闭阶段，还能执行读写作业。 通过简易的Rx 作业即可从LabVIEW 程序方块图