软件无线电收发实验开篇：从 HackRF 到璞致 P201Pro，搭建高精度软件无线电收发平台

前言此前我们分享了AD9361的选型逻辑从产品本身定位来说璞致电子 PZSDR P201Pro是为通信算法验证而生的工业级软件无线电平台。P201Pro基于AD9361芯片具备12位采样、56MHz瞬时带宽、双通道全双工及±0.5ppm高精度VCTCXO时钟显著降低初始频偏提升载波同步性能。其Zynq7020核心支持复杂信号处理配合GNURadio的PlutoSDRSource接口实现收发统一配置。设备采用工业级供电与稳定时钟为后续40MHz宽带通信及2×2 MIMO实验奠定基础大幅拓展了无线系统研究能力。做软件无线电很多时候卡住你的不是算法是时钟。我们可以从具体的操作使用验证了这一点。今天我们就给大家分享一位软件无线电学习爱好者分享的接收端设备升级之路。在已经搭建了无线电的收发环境后从原来的HackRF One切换 到了璞致P201Pro。在入手实测以后他决定用璞致 P201Pro完成接下来的无线通信系统收发实验。具体使用感受如下收发双方各自跑在自己的参考时钟上两个时钟的微小偏差会直接变成载波频偏全部压到同步算法头上。这次把实验平台换成璞致 P201Pro用的是 AD9361 射频前端收发两端都配备了 ±0.5 ppm 的 VCTCXO 高精度参考时钟 —— 相比 HackRF 的 ±20 ppm由时钟误差引入的初始频偏大幅下降载波同步算法需要处理的频偏范围随之收窄后续的频偏估计和载波同步也更容易实现。此外P201Pro 的双通道特性也可以更好地支持后续 WIFI 的 MIMO 模块学习。更新后的环境架构如下————————————————下面详细介绍这台新设备。1. 设备基本信息新入手的设备为璞致 P201Pro来自璞致电子科技上海有限公司www.puzhi.com该设备用于替代我接收端的 HackRF One和发射端设备。下表是两个设备的参数对比可以看出P201Pro 在 ADC 采样位数和时钟精度方面都明显优于 HackRF One这在后续的信号同步上更具优势而且 AD9361 射频芯片的性能要强得多。P201Pro 参数来源https://www.puzhi.com/puzhi-PZSDR-P201Pro对比维度璞致 P201ProHackRF One核心射频芯片AD9361MAX2837 RFFC5072频率范围70 MHz - 6 GHz1 MHz - 6 GHz工作模式全双工 (2发2收)半双工 (同一时刻只能收或发)采样位数12-bit (I/Q)8-bit (I/Q)最大瞬时带宽56 MHz20 MHz数据处理核心Zynq 7020 (FPGA 双核ARM)LPC4320 (ARM Cortex-M4) CPLD时钟精度0.5 ppm VCTCXO普通 XO无温度补偿±20 ppm主要接口千兆网, USB OTG, UART, JTAG, SD, GPSUSB 2.0 High Speed供电方式8-36V 超宽压 (极限50V)USB总线供电 (5V)工作温度-40°C ~ 85°C商业级建议35°C ~ 45°C从上表可以看出两者在时钟精度上差距显著这也是选择 P201Pro 的重要原因之一。另外这款设备采用独立供电即 工业级 8-36V 超宽压供电极限50V)性能优异高隔离度接口如下图所示2. 选型分析结合上表的参数进一步分析 P201Pro核心是 AD9361和 HackRF One的一些差异核心芯片的差距AD9361 是 ADI 推出的集成射频收发器RF Agile Transceiver把射频前端、混频器、滤波器、ADC/DAC 和数字滤波等集成在单颗芯片上支持 70 MHz ~ 6 GHz、全双工、2 收 2 发。HackRF One 则由 MAX2837收发器 RFFC5072混频器/频率合成器两颗分立芯片组合而成架构较老且只能半双工。采样位数与动态范围ADC 每增加 1 bit理论量化动态范围约增加 6 dB。12-bit 的理论动态范围约 74 dB而 8-bit 仅约 50 dB估算公式6.02 × N 1.76。更高的动态范围意味着能同时区分弱信号与强信号抗阻塞、抗互调能力更强直接影响接收灵敏度。瞬时带宽56 MHz 相比 20 MHz能一次性采集更宽的信号例如 20/40 MHz 的 WIFI 信号乃至更宽带信号为后续宽带信号处理留出余地。双通道 全双工为 MIMO 打基础MIMO 需要多路天线同时收发并且各路之间必须保持时钟与相位同步。P201Pro 的 2 发 2 收共用同一高精度时钟天然适合做 2×2 MIMO而 HackRF One 单通道半双工无法满足多路同步收发的需求。数据处理核心P201Pro 采用 Zynq-7020具备 FPGA 双核 ARM 的异构处理能力相比 HackRF One 的 MCU CPLD 架构为后续实现更复杂的实时数字信号处理提供了更大的硬件资源。GNU Radio 软件接口更加统一相比之前使用的 Soapy HackRF SourceP201Pro 可以通过 PlutoSDR Source 接入 GNU Radio。PlutoSDR Source 提供了较为直观的采样率、中心频率、增益等参数配置方式调试接收链路更加方便。同时发射端此前已经使用 PlutoSDR Sink因此接收端改用 PlutoSDR Source 后收发两端的软件接口保持一致后续进行收发参数调整和实验时更加方便。3. 时钟精度与载波同步这里再重复一下时钟精度对于同步的影响±20 ppm → 最大频偏 6 × 10⁹ × 20 × 10⁻⁶ 120 kHz±0.5 ppm → 最大频偏 6 × 10⁹ × 0.5 × 10⁻⁶ 3 kHzppm 的含义与频偏换算ppmparts per million百万分之一表示晶振频率相对标称值的偏差。在 6 GHz 的工作频率下两者相差 40 倍。频偏对载波同步的影响数字通信中接收端本振与发射端载波频率不一致会产生载波频偏CFO表现为星座图持续旋转解调误码率上升。载波同步算法如 Costas 环、锁相环、基于 FFT 的频偏估计等需要先捕获这个频偏频偏越大环路越难锁定、收敛越慢甚至超出捕获范围导致失锁。高精度时钟将初始频偏从百 kHz 量级降到 kHz 量级使其落在常见算法的捕获范围内载波同步更稳健、残余频偏更小。VCTCXO 的作用VCTCXO温度补偿压控晶振通过温度补偿电路抵消温度漂移并可压控微调使频率长期稳定在 ±0.5 ppm 量级。HackRF One 使用的普通 XO 无温度补偿温度变化时频率漂移明显±20 ppm这也是其载波同步较难实现的主要原因之一。4. 设备连接下面简单介绍连接步骤这是我的连接步骤更详细的步骤可参考 璞致科技的帮助文档 P201Pro 虽然是不同于 PlutoSDR 的硬件平台但由于其底层同样基于 AD9361并通过 IIO 接口提供数据因此在 GNU Radio 中可以使用 PlutoSDR Source 完成数据接收。将设备的电源线、天线和数据线连接好如下图所示将设备连接到虚拟机在 ubuntu 中查找设备iio_info -s得到如下输出Library version: 0.23 (git tag: v0.23) Compiled with backends: local xml ip usb Unable to create Local IIO context : No such file or directory (2) Available contexts: 0: 0456:b673 (Analog Devices Inc. PlutoSDR (ADALM-PLUTO)), serial [usb:2.18.5] 1: 192.168.2.1 (PUZHI PZSDR P201PRO), serial [ip:pzp201pro.local]打开 GNU Radio。之前使用 HackRF One 时接收模块是 Soapy HackRF Source现在使用 P201Pro 后接收模块改为 PlutoSDR Source如下图所示其中IIO context URI 设置为192.168.2.1该地址来自步骤 3 的终端输出。运行步骤 4 的配置得到如下结果这样就证明设备连接成功。至此我们新的软件无线电链路搭建完成了这一次我们不再受限于软件无线电的通道数和带宽了。可以做后面40M带宽和MIMO的802.11n和更多有兴趣的项目了。