作者： zhao xudong

概述

许多应用需要具有不同同步级别的多输入多输出 (MIMO) 配置。一些 MIMO 系统只需要 ADC 和 DAC 共用一个时钟，而另一些系统则要求每个通道都锁定到一个公共时钟和本地振荡器，以实现完全相位相干操作。

一种常见的 MIMO 应用是空间复用通信。由于这只需要时钟同步，因此大多数配备外部 10 MHz 参考时钟的 USRP 就足够了。布里斯托大学和隆德大学构建的此类系统就是一个例子，他们使用基于 SDR 的大规模 MIMO 系统打破了无线频谱效率的世界纪录。本应用中使用的系统由 NI USRP 软件定义无线电设备和板载 FPGA 组成。

当需要完全相位相干操作时，您可以考虑以下几种方案。如果您需要最多四个通道的纯接收操作，可以设置带有两个 TwinRx 子板的 Ettus Research USRP X310 来共享 LO 并以相位相干方式运行。

型号	描述	未含税	含税价格
USRP X310	母板（不含子板），万兆网口，PCIe口	76800	86784
TwinRX	10 MHz – 6 GHz, 80 MHz BW, 2 RX	52600	59438

如果需要四个以上的通道，则可以考虑 Ettus Research USRP N320 和 N321（如图 1 所示）或 NI Ettus USRP X440（如图 2 所示）。由于 USRP X440 采用直接采样中频 (IF) 架构，因此可以通过在最多八个发射通道和八个接收通道之间共享采样时钟来实现同步。它已准备好与外部提供的参考时钟信号进行多设备同步。

型号	描述	未含税	含税价格
Ettus USRP X440	30 MHz ~ 4 GHz，八通道，1600 MHz带宽，100G 网口，PCIe口，GPSDO口，QSFP+	218305	246684.65

USRP N321 配备内置 LO 分配硬件，允许高达 128 x 128 相位相干操作：图 4 显示了 32 x 32 配置示例。

关于N320和N321的售价见如下的表格

型号	描述	未含税	含税价格
N320	3 MHz ~ 6 GHz，双通道， 200 MHz带宽，万兆网口，QSFP+	161285	182252.05
N321	3 MHz ~ 6 GHz，双通道， 200 MHz带宽，万兆网口，QSFP+	181420	205004.6

N320和N321的多通道系统

在需要将多个发射器或接收器调谐到相同频率的应用中，进一步的要求可能是使LO相位同步。在具有相位同步LO的系统中，LO以及因此的通道本身具有确定性相位。在重新调谐LO时，此确定性相位保持不变。实现确定性相位可以通过使用LO合成器（该合成器接受同步脉冲以便在重新调谐后设置其相位）来实现，也可以通过在各个通道之间共享LO来实现。共享LO可以更好地抑制通道间相对相位随温度漂移的影响。

USRP N320/N321 收发器采用 LO 共享机制。具体而言，LO 分配采用星型配置，比菊花链配置支持更高的通道数。最多可配置 128×128 通道的解决方案。

每个通道都包含一个用于接收和发射路径的内部本振 (LO)，当 USRP N320 作为独立模块运行时，可以进行调谐。当配置在相位同步系统中，多个模块共享一个 LO 时，内部 LO 将被旁路，以便导入外部 LO。LO 分配器是一个无源分路器，它将单个 LO 从前面板路由到两个通道。Tx 和 Rx 分别使用独立的 LO，以便分别调谐这些路径。

通道 0 为 Tx 和 Rx 路径提供 LO。LO 分配板包含用于 Rx 和 Tx 路径的相同电路。通道 0 的 LO 从 RF 板路由至 LO 分配板中的 1:4 功率分配器。LO 输入 0 用于下游模块，其中 LO 信号路由至 1:4 功率分配器。对于 LO 输入 1，LO 路由至 RF 板。图 8 显示了 N321 的前面板，其中突出显示了 LO 端口。

UHD LO 分配命令

与 LO 分布相关的命令是 UHD 内的 multi_usrp 对象的一部分。

RF 板 LO 设置为接受外部 LO Tx 路径：

set_tx_lo_source(“external”, “lo1”, channel)

Rx 路径：

set_rx_lo_source(“external”, “lo1”, channel)

其中channel= 0 | 1
将射频板的本振信号路由至本振分配板的 1:4 分路器。这仅适用于主本振信号。发射路径：

set_tx_lo_export_enabled(true, “lo1”, 0)

Rx 路径：

set_rx_lo_export_enabled(true, “lo1”, 0)

将 LO 从前面板 IN0 端口路由到 1:4 分离器 Tx 路径：

set_tx_lo_export_enabled(false, “lo1”, 0)

Rx 路径：

set_rx_lo_export_enabled(false, “lo1”, 0)

启用分配输出端口 Tx 路径：

get_device()->get_tree()->access<bool>("mboards/0/dboards/A/tx_frontends/0/los/lo1/lo_distribution/LO_OUT_<output_number>/export").set(<output_enabled>)

Rx 路径：

get_device()->get_tree()->access<bool>("mboards/0/dboards/A/rx_frontends/0/los/lo1/lo_distribution/LO_OUT_<output_number>/export").set(<output_enabled>)

<output_number> = 0 |1|2|3
<output_enabled> = true | false

N321 + N320 布线图

对于 4×4 通道配置，框图布线图如图 9 和图 10 所示。为了实现最低的相位漂移性能，最好确保电缆长度相似。

在此用例中，需要以下 UHD 配置：

N321配置：

set_tx_lo_source(“external”, “lo1”, 0)
set_tx_lo_source(“external”, “lo1”, 1)
set_rx_lo_source(“external”, “lo1”, 0)
set_rx_lo_source(“external”, “lo1”, 1)
set_tx_lo_export_enabled(true, “lo1”, 0)
set_rx_lo_export_enabled(true, “lo1”, 0)
get_device()->get_tree()->access<bool>("mboards/0/dboards/A/tx_frontends/0/los/lo1/lo_distribution/LO_OUT_0/export").set(true)
get_device()->get_tree()->access<bool>("mboards/0/dboards/A/tx_frontends/0/los/lo1/lo_distribution/LO_OUT_1/export").set(true)
get_device()->get_tree()->access<bool>("mboards/0/dboards/A/rx_frontends/0/los/lo1/lo_distribution/LO_OUT_0/export").set(true)
get_device()->get_tree()->access<bool>("mboards/0/dboards/A/rx_frontends/0/los/lo1/lo_distribution/LO_OUT_1/export").set(true)

N320配置：

set_tx_lo_source(“external”, “lo1”, 0)
set_tx_lo_source(“external”, “lo1”, 1)
set_rx_lo_source(“external”, “lo1”, 0)
set_rx_lo_source(“external”, “lo1”, 1)

更高通道数的布线

图 11 显示了最多 8×8 个共享通道的简化布线图：

为简单起见，仅显示 Rx LO 布线。Tx 布线相同。电缆上的颜色编码表示电缆长度相似。

在 9×9 和 32×32 通道之间，使用图 12 所示的布线配置。

在 33×33 和 128×128 通道之间，使用图 13 所示的布线配置。

图 13 中，每个 32×32 通道的 Tile 都使用图 12 所示的布线。标记为“主”的 N321 为每个 32×32 Tile 提供 LO 信号。主 N321 仅提供 LO 信号，该模块的 Rx 和 Tx 部分未使用。在每个 Tile 中，主 LO 信号路由至 Tile 的 N321 In0 端口。

测量性能

图 14 显示了环境温度为 25 摄氏度时两个通道之间的相位漂移，这两个通道位于不同的模块中。

相位漂移小于0.1度。

图 15 显示了当环境温度从 45 摄氏度变为 0 摄氏度时两个通道之间的相位漂移。

相位漂移小于0.9度。

星型配置中的本振共享可为多通道应用提供高度稳定的相位相干性。MIMO 和测向是两个需要具有相位相干性的多通道应用示例。USRP N320/N321 具有高度可配置的本振共享拓扑，允许 Rx 和 Tx 共享最多 128 个通道。

其他产品

NI是标杆，但是还有其他低成本的产品方案可以参考。

KrakenSDR

频率：24 MHz – 1766 MHz，通道带宽：2.56 MHz，通道数（RX Channels）：5，本振稳定度（Oscillator Stability）：1 PPM