ユニバーサルソフトウェア無線周辺機器

ユニバーサルソフトウェア無線周辺機器（USRP ）は、Ettus Researchとその親会社であるNational Instrumentsによって設計および販売されているソフトウェア定義無線製品群です。Matt Ettusが率いるチームによって開発されたUSRP製品群は、研究室、大学、愛好家によって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れを使用して USRP ハードウェアを制御し、データを送受信します。一部の USRP モデルでは、ホスト コンピュータの一般的な機能が組み込みプロセッサと統合されており、USRP デバイスがスタンドアロンで動作できます。

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、製品の多く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製品はオープンソースのUHDドライバーで制御されます。これは無料のオープンソースソフトウェアです。^{[2] USRPは、複雑なソフトウェア定義無線システムを作成するために、} GNU Radioソフトウェアスイートと併用されることがよくあります。

USRP 製品ファミリには、同様のアーキテクチャを使用するさまざまなモデルが含まれています。マザーボードは、クロック生成と同期、FPGA、ADC、DAC、ホスト プロセッサ インターフェイス、および電力調整などのサブシステムを提供します。これらは、信号のベースバンド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フロントエンドは、アップ/ダウン変換、フィルタリング、その他の信号調整などのアナログ操作に使用されます。このモジュール性により、USRP は DC から 6 GHz の間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操作を実行し、最終的にはアナログ領域の実際の信号からデジタル領域の低速で複雑なベースバンド信号に変換します。ほとんどの使用例では、これらの複雑なサンプルは、DSP 操作を実行するホスト プロセッサ上で実行されているアプリケーションとの間で転送されます。FPGA のコードはオープン ソースであり、FPGA で高速かつ低レイテンシの操作を実行できるように変更できます。

USRP ハードウェア ドライバー (UHD) は、Ettus Research が USRP 製品ファミリーで使用するために提供しているデバイス ドライバーです。^[3] Linux、MacOS、Windows プラットフォームをサポートしています。GNU Radio、LabVIEW、MATLAB、Simulink などのいくつかのフレームワークは UHD を使用しています。UHD が提供する機能には、C++ のネイティブ サポートを提供する UHD API で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でも UHD を使用できます。これは、たとえば SWIG を介して Python で実現されます。

UHD は、USRP 製品ファミリ全体にわたって移植性を提供します。特定の USRP モデル用に開発されたアプリケーションは、サンプル 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 モデルもサポートします。

いくつかのソフトウェア フレームワークが UHD をサポートしています。

• GNU Radioは、ソフトウェア定義無線機の開発に使用できるフリー/リブレツールキットです。このフレームワークは、C++とPythonを組み合わせてDSPパフォーマンスを最適化しながら、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]
• National Instruments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、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]
• USRP N210とUSRP2はMATLABとSimulinkでサポートされています。^[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サンプルが含まれています。
• OpenLTEは、3GPP LTE仕様をSDRとしてオープンソースで実装したものです。^{[7] [循環参照]}
• 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] UHDには、APIの使用方法を示す例も提供されています。^[9]

USRP N200 および USRP N210 は、バス シリーズよりも高いダイナミック レンジと帯域幅を提供する高性能 USRP デバイスです。ギガビット イーサネットインターフェイスを使用して、ネットワーク シリーズのデバイスは、最大 50 MS/s の複雑なベースバンド サンプルをホストとの間で転送できます。このシリーズは、デュアル 14 ビット 100 MS/s ADC とデュアル 16 ビット 400 MS/s DAC を使用します。このシリーズには、このシリーズの 2 つのデバイスを同期するために使用できるMIMO拡張ポートも用意されています。これは、MIMO システムに推奨されるソリューションです。

X300 および X310 は、2 つの全二重ドーターボード スロットを備え、フル 200 MS/s DAC および ADC を搭載した第 3 世代 USRP です。ネットワーク インターフェイスとして、10GBase over SFP+ により、全二重動作で両方のチャネルでフル 200 MS/s が可能になります。

N300、N310、N320、N321 は、SFP+ 接続、最大 200 MS/s、および検証可能なソフトウェア展開のためのローカル発振器と TPM モジュールの共有 (オプション) を提供する最新のデュアル チャネル モデルです。

Ettus Research Bus シリーズのすべての製品は、USB 2.0またはUSB 3.0インターフェイスを使用して、ホスト コンピューターとの間でサンプルを転送します。

Embedded シリーズは、他の USRP デバイスと同じ機能とOMAP 3組み込みプロセッサを組み合わせたものです。2014 年 11 月にリリースされた E310 は、Zynq SoCプラットフォームと Analog Devices AD9361 RFIC を活用した非常にコンパクトな組み込み USRP です。このファミリのデバイスは、操作のために外部 PC に接続する必要はありません。Embedded シリーズは、スタンドアロン操作を必要とするアプリケーション向けに設計されています。

USRP2 は USRP の後に開発され、2008 年 9 月に初めて提供されました。USRP2 はサポート終了となり、USRP N200 および USRP N210 に置き換えられました。USRP2 は元の USRP を置き換えることを意図したものではなく、元の USRP は USRP2 と並行して販売され続けました。この第 1 世代の USRP も、一般には入手できなくなりました。

組み込み USRP の E100 シリーズは利用できなくなりました。

オリジナルの USRP、USRP2、USRP E1xx、USRP N2xx、および X3xx ファミリは、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ラー アーキテクチャを備えています。ドーターボード モジュールには、レシーバー、トランスミッター、トランシーバーなど、いくつかのクラスがあります。

• 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ます。
• 受信機ドーターボードモジュールはRF信号を取得し、それをベースバンド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兼ね備えています。

USRP B2xx および E3xx には交換可能なドーターボードがありません。N3xx シリーズには AD9371 フロントエンドを搭載した JESD204B 接続のドーターボードがありますが、現在、代替のドーターボードは市販されていません。

• ソフトウェア無線の一覧

• エタスリサーチLLC
• UHD ドキュメントとマニュアル
• GNUラジオウィキ
• USRPプラットフォームに関するWiredの記事
• Firas の USRP プラットフォームドキュメント