LimeSDR官方系列教程(一):LimeSDR简介

2020/10/30 12:21
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本文内容、开发板及配件仅限用于学校或科研院所开展科研实验!

温馨提示:“开源SDR实验室”是北京的。

本文主要对软件无线电(SDR)以及软件无线电平台LimeSDR进行简单地介绍。

目录

一、什么是软件无线电?

二、软件无线电应用领域

三、LimeSDR简介

四、LimeSDR射频部分

五、LimeSDR其他连接部分

六、LimeSDR USB控制

七、LimeSDR FPGA

八、如何开始学习

九、配套软件

十、有用链接和联系方式


一、什么是软件无线电?

维基百科对软件无线电的定义为:软件无线电(SDR)是一种无线电通信系统,通常在硬件(例如混频器、滤波器、放大器、调制器/解调器、检测器等)中实现的典型组件的功能由软件来实现。

事实上,SDR的含义远比一句话所能表达的要多,由于这项技术相对较新,世界各地的科学家仍在探索中。这项技术的关键内容点是软件和硬件均是灵活的,例如,硬件上可以是CPLD、FPGA或者ASIC,而功能上我们可以在基于这些硬件的情况下用软件来具体实现。

二、软件无线电应用领域

您可能会有疑问? SDR是下一代的通信解决方案,但是到目前为止却从未听说过,已经有人在使用它了吗?答案是肯定的,全世界有数百万个软件无线电设备正在使用中,说不定您的客厅现就有一个!

比如,家里的机顶盒就已经有其使用的背景了。机顶盒行业已经有这样的一个趋势了,即机顶盒中的调制解调器有被“全频带捕获”前端所代替的趋势,本质上讲,“全频带捕获”前端就是SDR,传统的前端IC已被等效于传统模块的ADC和DSP所取代。

三、LimeSDR简介

当前有很多SDR产品可供选择,但很少有像LimeSDR一样功能强大而性价比又高的产品。LimeSDR有100kHz到3.8GHz的超宽的工作频率,且有丰富的应用程序可供使用。比如,蜂窝,Wi-Fi,蓝牙,IoT协议(LoRa / SigFox等),导航,气象信息,航空,海洋,卫星通信,广播和电视,这只是LimeSDR可以使用的应用程序的一小部分,还有很多很多功能可以被开发,只有想不到没有做不到的。

LimeSDR是一个低成本、开源、支持丰富应用程序的软件定义无线电(SDR)平台,几乎支持任何类型的无线通信标准,正因为LimeSDR是完全开源的,所以其所有的硬件和软件都可以被个人所开发或者修改,原理图、PCB布局、BOM和相关软件可在Creative Commons和Apache 2.0许可下获得。

LimeSDR的核心芯片是LMS7002,是一种“现场可编程RF IC”,简单地说,它是一个RF FPGA。我们会在后续章节中对LMS7002进行详细说明,并揭示其可执行的许多功能。

四、LimeSDR射频部分

LimeSDR具有两个接收/发送对,可用于单发射到2×2 MIMO的任何场景。 我们看到射频连接器部分,发现总共有10个接口,但是IC中只有2个Rx和2个Tx可用,这是为什么呢?为了在某些频率范围内提供性能改进的可能,因此提供了用于低频段和高频段RX / TX(10个中的8个)的接口。 此外,还有一个宽带RX通道覆盖了最后两个接口,通过为特定频率提供多个通道来保持灵活性和性能的同时,很难为每个通道提供一个RX / TX接口。

具体来说,接口与频率匹配如下(出厂设置):

  • TX1_1/TX2_1 = 宽频
  • TX1_2/TX2_2 = 宽频
  • RX1_1/RX2_1 = 低频 < 1.5GHz
  • RX1_2/RX2_2 = 高频 > 1.5GHz
  • RX1_3/RX2_3 = 宽频 100kHz to 3.8GHz

尽管这是接口与频率匹配的默认设计,但还是可以对其进行更改。不过,这是一项相对高阶的任务,最好在尝试更改之前充分了解相关操作过程。

第二点要注意的是,对于任何灵活的解决方案,总会有一些妥协的地方。该平台在设计时考虑到了大多数的应用场景,因此进行了针对性地调整以实现最大的灵活性。

在大多数应用中,宽带RX端口的性能可能会比特定于高频段或低频段的端口性能差,而且低频段/高频段的带宽不是窄带,因此对于特定应用可能需要进行一些修改。 例如。 在特定频率下需要更高灵敏度的场合,其中的一个例子是Danny Webster的HF快速修复方法。

五、LimeSDR其他连接部分

射频部分的另一端是USB 3.1端口和可选电源连接器。在大多数情况下,LimeSDR可以通过USB提供的电源运行,但需要注意的是,它需要电脑的不仅仅是USB2.0 500mA规格,虽然大多数usb2.0设备将提供足够的电力,但它不能保证不会出现问题。如有可能,使用USB 3.x端口,因为该标准规定可保证900mA的电流,而且USB 2.0端口也可能会因带宽而限制LimeSDR应用程序的运行,因此建议使用USB 3.x端口。在设备供电方面,某些应用可能需要额外的功率放大器,但是低功率无线电场景的使用可以在不需要额外硬件的情况下运行。

对于2.4 GHz频段的应用,USB3.x具有明显的高次谐波干扰,电缆/PC上的不良屏蔽会增加噪声使其无法进行正常通信。这在WiFi中最常见,USB 3.x会中断笔记本电脑/平板电脑的连接。如果是这个问题,可以考虑使用USB2x(低带宽)或对设备进行良好的屏蔽。

六、LimeSDR USB控制

Cypress USB 3.0 CYUSB3014-BZXC (EZ-USB FX3)。该设备使用VID/PID进行了编程,并列入到LimeSDR的驱动程序中,在开源社区提供了所有代码,因此,如果需要特定用例,则可以根据需要对该部分进行重新编程。

请注意,在Windows上,该芯片在“设备管理器”中的设备将显示为“Myriad-RF LimeSDR-USB”而不是“LimeSDR”。

连接器J19在某些应用中可能很有意思。这是一组8个通用GPIO,可以从API作为输入和输出来驱动它们。由于它们由板载FPGA驱动,因此使用时必须格外小心,该板载驱动器的I/O电流相对较低,仅为3.3V。

此外,建议自行为连接的任何设备供电,同时提供3.3V电源,用于USB控制芯片。

板上的最后两个连接器是两个JTAG连接器,但是大多数用户不会使用它们,只有一些高级用户才需要考虑这些连接。

七、LimeSDR FPGA

最后,LimeSDR的最后一个主要部件是Altera Cyclone IV,它提供了一些后端处理、波形播放器和glue以使整个器件正常工作。

与EZ FX3一样,FPGA的代码是免费提供的,并且获得了Apache 2.0许可,并且可以根据应用的需要生成用户自定义的固件。

八、如何开始学习

学习参考以下链接。

https://wiki.myriadrf.org/LimeSDR-USB

https://wiki.myriadrf.org/LimeSDR-Mini

https://wiki.myriadrf.org/LimeSDR

https://wiki.myriadrf.org/LimeSDR-USB_Quick_Test

九、配套软件

与LimeSDR硬件一样,该软件为编程提供了很多灵活性和选项。这些可以大致分为三类:

初学者(GUI /简单)

中级(代码API)

专家(低级代码API)

对于后者,需要对LMS7002M有深入的了解。

十、有用链接和联系方式

https://myriadrf.org/news/limesdr-made-simple-part-1/

https://wiki.myriadrf.org/LimeSDR-USB

https://wiki.myriadrf.org/LimeSDR-Mini

https://wiki.myriadrf.org/LimeSDR

https://wiki.myriadrf.org/LimeSDR-USB_Quick_Test

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