应用笔记

用USRP设备实现同步和MIMO功能

Ettus Research

简介

有的设备需要多个USRP™ 设备之间实现同步。Ettus Research™ 针对同步提出了几个便捷的解决方案。例如，两个USRP N210s可以通过一根MIMO 电缆实现同步。也可以通过使用 Ettus Researc八度时钟同步两个以上的单位。可选GPSDO提供的功能可将设备同步到大区域上的GPS 标准。本文将对USRP™产品系列的同步进行介绍和解释，并且阐述如何满足多通道应用程序的要求。

MIMO系统要求——-时间和频率同步

一个收发器要考虑MIMO能力，系统中的每个通道必须满足两个基本要求：

1.采样时钟必须同步并且对齐

2.必须在时间一致的样品上进行DSP 操作——相同的采样时钟边缘

建议MIMO 应用程序使用Ettus Research USRP N200/N210。两个USRP

N200/N210可用一根USRP MIMO  电缆实现同步。也可以通过分布外部参考建立更大的MIMO 系统（高达16x16) 。

波束形成和测向需求

有的应用程序，如波束形成和测向，对系统提出额外的要求。除了样本时间和样本时钟对齐，系统必须保持每个射频输入或者输出成已知的相位关系。相位锁环用于上下转换，相位锁环引起的相位多值性，有的校准可能要求确定相位关系。

用等长的射频电缆输入每个USRP 设备，生成一个基调，从而进行多通道系统的校准。用此方法进行的系统分析见表1.主机PC 上的用户开发软件用于测量每个通道上的相位及振幅差异，并且进行校正。

表1 多通道基于USRP系统测向（标注定标信号）

其他影响相位对齐的变量

如前所述，本地振荡器旁边的其他组件导致相位错误。过滤器、搅拌机、放大器和其他组件产生的相位抵消，可能会随着时间、温度及力学条件的不同而变化。这些类型的错误通常可以间接性的，并且以一种校准的音调检测通道与通道之间相位的低速率程序，进行校准 。这些错误不会随着每个锁相环重新调整而得以改变，但会随着时间和温度的变换而变化。这样，那些要求射频相位对齐的应用程序就可能要求定期进行校准。

SRP B100 和E100——不建议使用MIMO

和USRP N200/N210一样, SRP B100和 E100/110 可以通过外部参考及PPS 资源实现同步。但这并不意味着USRP B100 和E100/E110 就是 完全相干的多信道系统。用于这些设备的灵活频率时钟架构在ADC/DAC 采样时钟中产生相位模糊。因此，样品边缘就不会对齐。

尽管样品边缘没有对齐，仍有可能产生带有相对准确时间戳的样品。这对于到达时间差（TDOA）或者类似算法是很有用的。当你在单槽中使用包含一个以上通道的子板时，这种情况例外。例如，LFRX/TX, BasicRX/TX和 TVRX2 就可以通过USRP B100或者E100/110完成MIMO 功能。

用GPSDO实现同步

用GPSDO在更广泛的地理区域实现时间同步是有可能的。一个GPSDO 从GPS 系统获取10 MHz/PPS的信号，GPSDO 可以精确到全球+/-50 ns左右。Ettus Research用USRP N200/N210提供一个可选的GPSDO模块。还有一个八度时钟的升级版，它包含一个内置GPSDO

图2 ——-GPSDO

Ettus ResearchUSRP 设备MIMO 功能

表1显示的是USRP 产品线的MIMO 功能和同步概览

表1——USRP同步功能

射频子板选择也影响到同步经验。大多数子板使用频率合成器生成当地——振荡器信号。一般来说，每次重新调整后，这些分数——N合成器引入一个随机相位抵消。如果要求所有射频通道相位对齐，就需要测量随机相位抵消值并且在软件中进行补偿。SBX PLL 包含再次同步的特性，即每次重调之后重新设置到一个固定的相位上。这样，每次调整之后可能就不需要校准，但可能需要定期校准。这就让SBX 子板成为频率范围内相控阵应用程序最理想的选择。并且，BasicRX/TX和LFRX/TX 板不包含可引起相位错误的本地振荡器。

表2——同步功能 vs子板和USRP

USRPN200/N210——即插即用 2x2 MIMO系统

运行高性能2x2 MIMO 系统的最简单的方法是用一根Ettus ResearchMIMO 电缆实现两个N200/N210同步。在此装置中，单个千兆以太网端口可用于两个USRP 设备之间的交流。USRP 连接到千兆以太网上充当开关以及两个USRP 设备之间的路由数据。它也能处理数据之间的时间同步，因此，样本的对齐过程对于用户来说是透明的。在16

-bit模式下，连接到主机单一千兆以太网端口的USRP 设备的总采样率不能超过25MS/s，8-bit模式下不能超过50MS/s。

应用程序示例___用 N210 2X2 MIMO 系统进行可视相位对齐

UHD™API 允许您为每一个USRP设备选择同步装置。这些装置也通过软件无线电块暴露出去。如何使用N200/N210 创建一个 MIMO 系统这一快捷且具说明性的例子成为可能。GRC用于基本阐释。

图3显示的是从两个未同步的USRP 设备中接收两个数据流的流程图。400.01 MHz 音调注入到两个USRP设备中，可以调到400.00 MHz.该流程图将每个复杂基带信号的实际组件进行分解然后把它们放在一个WXGUI范围内。当两个USRP 设备同步时，范围显示的是两个，常数相对相位10 kHz，在这种测试情况下，USRP设备不同步。注意，图4两个信号之间有明显的相位和频率差。两个不同步参考时钟中，这是变量的结果。

热能应用于 USRP设备内部参考晶体之一，以放大两个单元之间的频率变化。

。

表3——GRC ——两个USRP N200/210不同步接收

时畴显示里的相位及频率差异w/未同步的USRP 设备

接下来，表5阐述的是即插即用2X2系统。注意是相对简单的系统。MIMO 系统是由一根MIMO 电缆和连接两个N200/N210s创立的系统，它们共享一个以太网连接和10 MHz/PPS 信号。图4未同步装置产生的Scope视图，信号生成器驱动两个输入的接收器输入。图5显示的是同步系统框图，流程图见表6.

表5 ——参考设计和测试

图6 ——w/ 2X2 MIMO 系统GRC 流程图

UHD 块用于GRC 流程图。块状参数用于设置2x2 MIMO 系统。设置为：

Device addr: addr0=192.168.10.2,addr1=192.1

68.10.3

Sync = don't sync

Num Mboards = 2

Mb0 Clk Src = Default

Mb0 Time Src = Default

...

Mb1 Clk Src = MIMO Cable

Mb1 Time Src = MIMO Cable

这些设置装配第一个USRP设备Mb0，对应地址栏里的第一项进入，利用默认参考值进行时钟和定时。第二个d USRP(Mb1) 设备用于从MIMO 天线接收频率以及时间同步参考。这些信号由Mb0提供，所有其他标准设置，例如中心频率还有增益分配也一样。图

如第一个流程图所示，每个 USRP 流的实体部分都在scope视图上展示。包含一个相位校正块，以便对本文之前所讨论的随机常量相位抵消做补偿。图7所示的是相位调整之前的显示结果的屏幕截图。标注的相位是常量，音调有相同的频率。

图7    时间域显示相位补偿之前接收的信号

图8显示的是带应用相位纠正的信号，此图中清晰的显示了 MIMO连接实现了频率与时钟参考的同步。随机相位抵消是通过流程图中复杂相位转移得以纠正的。在实际应用程序中，这种相位纠正将通过算法（如：MRC

或者定期校准）隐式生成。

图8——时间域展示显示的是带相位补偿的接收信号

这是由USRP N200/N210提供的对 MIMO性能的简单图解。在大多数应用程序中，相位补偿是通过自动化处理实施的。但是，手动校正来校准设备当然也是一种选择。

本示例中的所有准则在传输方向操作中同样适用。

用10 MHz 和1 PPS 信号实现同步

USRP N200 和N210提供用Ettus Research MIMO 天线进行的 即插即用MIMO 功能。也可以通过外部l 10 MHz和l 1 PPS分布对多个设备进行同步。如果研发者想要高精确度的外部参考比如铷源，这个也有用。如果开发者一定要创建两个以上通道的MIMO 系统，这个也会有帮助。如果共用PPS and 10 MHz 信号分布在USRP N系列设备上，理论上讲也可以创建任意大型MIMO系统。事实上，开发商已经创建了带有16个同步USRP 设备的系统。

Ettus Research八度时钟和八度时钟-G很容易将10 MHz和 1 PPS信号用于多通道操作。八度时钟作为n 8-通道 PPS 和10 MHz 参考分配器。用户必须提供一个e 10 MHz和1 PPS 信号。升级后的-G包含高精确度、内置GPSDO并且不要求提供外部信号。图9阐释了用八度时钟-

G 创建一个8x8 MIMO 系统。

图9-——8X8MIMO 装置图

所有来自八度时钟的定时信号都应该连接到带有等长同类型电缆和连接的USRP 设备上。这就确保了所有通道的低偏差。

同步信号——输入水平

为了实现最佳性能防止对USRP 设备造成损害，设计者必须确保输入水平在特定限制范围内。 1 PPS和10 MHz 输入电压级别和功率级别见表3。

表3——外部参考和1PPS 输入规格*50 ohm Terminated

多余的资源

UHD API 同步http://files.ettus.com/uhd_docs/manual/html/sync.html

八度时钟-G 产品页https://www.ettus.com/product/details/OctoClock-G USRP N200/N210 GPSDO模块

https://www.ettus.com/product/details/GPSDO-KIT