ユニバーサルソフトウェア無線周辺機器

Universal Software Radio Peripheral ( USRP ) は、Ettus Research とその親会社であるNational Instrumentsが設計・販売しているソフトウェア無線機のシリーズです。Matt Ettusが率いるチームによって開発されたUSRP 製品ファミリーは、研究室、大学、趣味のユーザーなどで広く使用されています。^{[ 1 ]}

ほとんどのUSRPは高速リンクを介してホストコンピュータに接続し、ホストベースのソフトウェアはこのリンクを使用してUSRPハードウェアを制御し、データの送受信を行います。一部のUSRPモデルは、ホストコンピュータの一般的な機能を組み込みプロセッサに統合しており、USRPデバイスをスタンドアロンで動作させることができます。

USRPファミリーはアクセシビリティを考慮して設計されており、多くの製品はオープンソースハードウェアです。一部のUSRPモデルのボード回路図は無料でダウンロードできます。すべてのUSRP製品は、無料のオープンソースソフトウェアであるオープンソースのUHDドライバで制御されます。^{[ 2 ]} USRPは、複雑なソフトウェア無線システムを構築するために、GNU Radioソフトウェアスイートと組み合わせてよく使用されます。

USRP製品ファミリーには、同様のアーキテクチャを採用した様々なモデルが含まれています。マザーボードには、クロック生成と同期、FPGA、ADC、DAC、ホストプロセッサインターフェース、電源レギュレーションといったサブシステムが搭載されています。これらは、ベースバンド信号処理に必要な基本コンポーネントです。ドーターボードと呼ばれるモジュール式のフロントエンドは、アップ/ダウンコンバージョン、フィルタリング、その他の信号調整といったアナログ処理に使用されます。このモジュール構造により、USRPはDCから6GHzまでの周波数帯域で動作するアプリケーションに対応できます 。

標準構成では、FPGAは複数のDSP演算を実行し、最終的にアナログ領域の実信号からデジタル領域の低レートの複素ベースバンド信号への変換を行います。ほとんどのユースケースでは、これらの複素サンプルはホストプロセッサ上で動作するアプリケーションとの間で転送され、ホストプロセッサがDSP演算を実行します。FPGAのコードはオープンソースであり、高速かつ低遅延の演算をFPGA内で実行できるように変更可能です。

USRP ハードウェアドライバ (UHD) は、Ettus Research が USRP 製品ファミリーで使用するために提供するデバイスドライバです。^{[ 3 ]} Linux、MacOS、および Windows プラットフォームをサポートしています。GNU Radio、LabVIEW、MATLAB、Simulink など、いくつかのフレームワークが UHD を使用しています。UHD が提供する機能は、C++ のネイティブサポートを提供する UHD API を使用して直接アクセスすることもできます。C++ 関数をインポートできる他の言語も UHD を使用できます。たとえば、 Python ではSWIGを介してこれを実現しています。

UHDは、USRP製品ファミリー全体で互換性を提供します。特定のUSRPモデル向けに開発されたアプリケーションは、サンプリングレートやその他のパラメータを適切に考慮すれば、他のUSRPモデルでも動作します。

UHDをサポートするソフトウェアフレームワークは複数存在する。

• GNU Radio は、ソフトウェア無線機の開発に使用できるフリー/リブレのツールキットです。このフレームワークは、C++ と Python を組み合わせて DSP のパフォーマンスを最適化しつつ、使いやすいアプリケーション プログラミング環境を提供します。GNU Radio Companion は、GNU Radio に付属するグラフィカル プログラミング環境です。^{[ 4 ]}
• ナショナルインスツルメンツは、 Ettus Research USRP N210と機能的に同等のNI USRP 292xシリーズを販売しています。NIはまた、NI-USRPドライバを使用してこのデバイスのLabVIEWサポートも提供しています。^{[ 5 ]}
• MATLABとSimulinkはUSRP N210とUSRP2をサポートしています。^{[ 6 ]}このパッケージには、両方のデバイスで使用するためのプラグインといくつかの例が含まれています。
• OpenLTEは、3GPP LTE仕様をSDRとして実装したオープンソースのソフトウェアである。^{[ 7 ]}
• 多くのユーザーは独自のカスタムフレームワークを使用して開発を行っています。この場合、USRP デバイスには UHD API を使用してアクセスできます。^{[ 8 ]}また、UHD には API の使用方法を示すサンプルも付属しています。^{[ 9 ]}

オリジナルのUSRP、USRP2、USRP E1xx、USRP N2xx、およびX3xxシリーズは、RFフロントエンドとして機能する交換可能なドーターボードモジュールを備えたモジュール式アーキテクチャを採用しています。ドーターボードモジュールには、受信機、送信機、トランシーバーなど、いくつかの種類があります。

• 送信機ドーターボードモジュールは、出力信号をより高い周波数に変調することができる。
• 受信機ドーターボードモジュールは、RF信号を取得してベースバンド信号に変換することができます。
• トランシーバー・ドーターボードモジュールは、送信機と受信機の機能を統合したものです。

USRP B2xxおよびE3xxシリーズは、交換可能なドーターボードを備えていません。N3xxシリーズは、 AD9371フロントエンドを搭載したJESD204B接続のドーターボードを備えていますが、現時点では代替となるドーターボードは市販されていません。

• ソフトウェア無線機の一覧

• Ettus Research LLC
• UHD Documentation and manual
• GNU Radio wiki
• Wired article on the USRP platform
• Firas's USRP platform documentation