GNURadio 也處理數(shù)據(jù)的緩存。信號處理模塊通常以它們被輸入的速率來處理，但有時候因?yàn)?nbsp;CPU 的處理速率或者其它因素，數(shù)據(jù)處理的速度不夠快，就需要緩存（buffer）來緩沖。這就要求編程者要注意：當(dāng)數(shù)據(jù)傳送的速率大于處理速度時，有些緩存有可能會溢出并導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失；而當(dāng)數(shù)據(jù)傳送速率小于處理速度時，緩存經(jīng)常是空的，有可能會產(chǎn)生脈沖。

GNURadio 除了支持 Linux 的多種發(fā)行版本外，還可移植到 Mac OS X 、NetBSD以及 Windows 等操作系統(tǒng)。

3.3 USRP 介紹

3.3.1 認(rèn)知無線電對硬件平臺的要求

從第二章 Simon Haykin 教授對認(rèn)知無線電的理解中，可以看到，認(rèn)知無線電系統(tǒng)對硬件方面有如下的要求：

（1）對多個頻帶信道進(jìn)行監(jiān)測

認(rèn)知無線系統(tǒng)的收發(fā)器為了能夠工作于不同的頻段和提供寬帶頻譜感知能力，收發(fā)器的前端要能夠調(diào)諧到大頻譜范圍內(nèi)的任意頻帶，由此必須選用寬帶天線。同時，根據(jù)電波傳播條件設(shè)計天線，使之具有一定的極化或方向圖分集控制能力。由于認(rèn)知無線電能工作在不同的頻段，對 A/D 轉(zhuǎn)換器的要求也比較高，這就要求射頻前端 A/D 轉(zhuǎn)換器具有寬帶、高頻、高精度、高采樣率、高分辨率、大動態(tài)范圍的特性。

（2）具有一定的人工智能

認(rèn)知無線電先對環(huán)境進(jìn)行感知，再進(jìn)行學(xué)習(xí)，最后達(dá)到?jīng)Q策，這過程是通過大量的算法實(shí)現(xiàn)的。因此，硬件平臺應(yīng)該具有運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)這些算法的載體，比如說 DSP，F(xiàn)PGA等，并且要對這些算法進(jìn)行調(diào)度和控制。

（3）容易升級和擴(kuò)展

認(rèn)知無線電要求需要對多種頻段進(jìn)行支持，而各個頻段的調(diào)制方式、數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率、傳輸協(xié)議等都不同，這就要求該硬件平臺能根據(jù)不同的實(shí)際情況，進(jìn)行重新配置；另外，由于目前認(rèn)知無線電的各種算法并不是很成熟，處于研究階段，為了便于以后的系統(tǒng)升級，要求硬件平臺可以重新配置，具備良好的擴(kuò)展能力，如可以提供更多各類的接口等。

3.3.2 USRP 硬件結(jié)構(gòu)分析

由Matt Ettus發(fā)明的硬件系統(tǒng)USRP 射頻前端是GNU Radio最重要的硬件“伙伴” ，這個非常靈活的 USB 設(shè)備可以把我們的 PC 連接到 RF 世界。與 GNU Radio 軟件相同，USRP 也是完全開放的，其所有的電路、設(shè)計文檔和 FPGA 代碼均可從 Ettus Research的站下載。它具有低成本、高效率等特點(diǎn)，是 GNU Radio 使用者的最佳選擇。基于GNU Radio 和 USRP 的組合，用戶可以構(gòu)建各種具有想象力的軟件無線電應(yīng)用。

簡易來說，USRP 就是一個集成電路板，它由一塊主板和最多四塊子板構(gòu)成。USRP包含母板和前端子板。母板包含 4 個 12bit /64M 抽樣率的 ADC，4 個 14bit/128M DAC,一個百萬門的 FPGA 芯片 Altera Cyclone EP1C12 FPGA10 和一個可編程的 USB2.0 控制器，母板完成信號從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換、基帶信號的生成、與 PC 的通信的功能，它處理的是數(shù)字基帶和中頻信號。每個 USRP 母板支持 4 個子板，2 個接收，2 個發(fā)射。RF前端是實(shí)現(xiàn)在子板上的，不同的子板處理不同的頻率帶寬。現(xiàn)在可以覆蓋從 DC 到5.9GHz 頻段的信號。子板主要在中頻上完成初步的濾波和信號混疊。

主板上面包含了 AD/DA 轉(zhuǎn)換器以及 FPGA，主要完成中頻采樣以及中頻信號到基帶信號之間的互相轉(zhuǎn)換。而子板主要是負(fù)責(zé)處理不同頻帶的射頻信號，并進(jìn)行射頻、中頻信號之間的轉(zhuǎn)換。所有硬件部分的相關(guān)特性都是極為重要的，它們會很大作用地影響無線電設(shè)計、軟件編程，使用時必須嚴(yán)格按照這些硬件的約束條件和要求來進(jìn)行操作。

下面將分別介紹 USRP 各部件的相關(guān)功能：

（1）AD/DA 轉(zhuǎn)換器

USRP采用兩塊 Analog Device 的 AD9862 芯片，這是美國模擬器件公司設(shè)計的、適合無線寬帶通信應(yīng)用的高性能混合信號前端。每塊可提供兩路 12bit、64M Sample/s 的AD 變換和兩路 14bit、128M Sample/s 的 DA 變換。那么一塊主板可提供 4 路模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器（ADC）和 4 路的數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換器（DAC），也即收/發(fā)各兩路的復(fù)采樣。因此，從理論上講，如果我們用實(shí)時采樣的話，有四個輸入、輸出通道。然而，如果我們用復(fù)數(shù)（IQ）采樣會更有靈活性。我們需要進(jìn)行配對，因此可得到兩組復(fù)數(shù)輸入和兩組復(fù)數(shù)輸出。

AD9862的接收路徑包括用在基帶或低中頻（IF）上接收多種數(shù)據(jù)或正交（I&Q）數(shù)據(jù)的兩個高性能 ADC、輸入緩沖器、接收端可編程增益放大器（RxPGA）和抽取濾波器。AD9862 還包含一個可編程的延遲鎖定環(huán)路（DLL）時鐘倍頻器與集成定時電路（允許使用單個基準(zhǔn)時鐘）、輔助 ADC 和 DAC（用于對接收信號強(qiáng)度指示進(jìn)行監(jiān)視和控制）、溫度傳感器及增益與失調(diào)調(diào)整電路。

AD9862的發(fā)送路徑允許接受多種數(shù)據(jù)格式并且包括兩個高性能 DAC、發(fā)送端可編程增益放大器（TxPGA）、2 倍或 4 倍內(nèi)插濾波器、一個希爾伯特（Hilbert）數(shù)字濾波器和用于復(fù)合或真實(shí)信號上變頻的數(shù)字混頻器。這些特點(diǎn)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從本質(zhì)上減少了重構(gòu)和抗混疊濾波要求。

注意到在 RX 板和 TX 板上的 PGA 都是可編程的，也就是說可以通過 GNU Radio調(diào)用 USRP 的相關(guān)函數(shù)來定義的。

（2）FPGA

明白 FPGA 的作用對 GNU Radio 的使用者來說是最重要的。USRP 采用一塊型號為EP1C12 PQ240 的 FPGA，等效門數(shù)為 65 萬門。它就像一個小的，高性能的并行計算機(jī)一樣，可以完成所需的設(shè)計任務(wù)。設(shè)計 FPGA 需要一些技能，并且如果不慎還會燒壞硬件電路板。這里 USRP 的設(shè)計者提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性很廣的 FPGA 配置。使用者在應(yīng)用過程中不需做過多改動。

所有 ADC 和 DAC 都是連接到 FPGA 上，這塊 FPGA 扮演的是主角，它要進(jìn)行高帶寬數(shù)學(xué)處理并降低數(shù)據(jù)速率以便數(shù)據(jù)能通過 USB 傳到 PC 上處理。在接收通道上，F(xiàn)PGA 對 ADC 采進(jìn)來的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字下變頻 DDC，并通過層疊梳狀濾波器 CIC 對數(shù)據(jù)進(jìn)行可變速率的抽取。在發(fā)送通道上，原理是相同的，只不過要反過來進(jìn)行。因?yàn)閿?shù)字上變頻 DUC 是在 AD9862 里進(jìn)行的，F(xiàn)PGA 對數(shù)據(jù)進(jìn)行的是梳狀內(nèi)插。

因?yàn)?nbsp;FPGA 可以并行處理數(shù)據(jù)，所以 USRP 能實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)處理，在這種模式下，接收和發(fā)送兩路是完全互相獨(dú)立的。唯一需要注意的是收發(fā)復(fù)合的速率不能超32MByte/s。

FPGA的兩個主要功能：將 ADC 采來的中頻信號進(jìn)行數(shù)字下變頻 （DDC） 變換到基帶，并通過層疊梳狀濾波器 CIC 對采樣值進(jìn)行可變速率的抽取以符合用戶對信號帶寬的要求。FPGA 包含有四個 DDC，每個 DDC 有 I 和 Q 兩個輸入口。ADC 的每一個輸出都會被連接到四個 DDC 當(dāng)中的一個 I 或者 Q 端口當(dāng)中。這是由 MUX 來決定的。如下圖所示，MUX 就像一個路由或者電路交換器，它決定哪個 ADC 輸出連到哪個 DDC的輸入端，這可以用 USRP 中的內(nèi)部函數(shù)進(jìn)行控制。

DDC能實(shí)現(xiàn)兩個作用：首先，它把中頻信號下變頻到基帶信號。其次，對信號抽取使信號速率能被 USB2.0 采用，并與 PC 的運(yùn)算能力匹配。其結(jié)構(gòu)圖見圖 3.5：

抽取器可認(rèn)為是一個低通濾波器，后面緊接一個下采樣器。假設(shè)抽取倍數(shù)是 N。如果我們看數(shù)字頻譜，低通濾波器選出[-π/N，π/N]的頻帶，然后下采樣器把頻譜擴(kuò)展到[-π，π]。擴(kuò)展后的頻譜成分與原來的頻譜成分在[-π/N，π/N]是一一對應(yīng)的，或者說前者可以準(zhǔn)確地表示后者在[-π/N，π/N]的頻率分量。所以，這時對擴(kuò)展后的頻譜進(jìn)行處理等同于對原來信號頻譜的處理，但前者的數(shù)據(jù)流率只有后者的 N 分之一，大大降低了對之后信號處理（解調(diào)分析等）速度的要求。

抽取之后的數(shù)據(jù)都是以 16 位有符號整數(shù)的 I/Q 信號形式通過 USB2.0 接口的，結(jié)果形成通過 USB2.0 的 8M Sample/s 的復(fù)數(shù)采樣速率（參見下文有關(guān) USB2.0 的說明）。

數(shù)字下變頻之后，產(chǎn)生的 IQ 信號通過 USB 接口進(jìn)入 PC，接下來就是軟件編程的世界。

在發(fā)送路徑，情況則是相反的。我們需要發(fā)送一個基帶 IQ 信號到 USRP 板上。數(shù)字上變頻器（DUC）會對信號進(jìn)行修正，通過內(nèi)插上變頻到中頻，最后發(fā)送到 DAC 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。下來的工作交由子板完成，形成 RF 信號進(jìn)行發(fā)送。

(3)前端子板

在母版上有四個插槽，總共能夠被兩個接收子板和兩個發(fā)送子板使用，