Skydel如何使用USRP完成GNSS信号仿真

作者介绍

一、Skydel与NI USRP

软件定义架构（Software Defined Architecture）是一种新型的架构模式，它是一种基于软件的架构，通过软件来定义系统的功能，从而提高系统的运行效率和能量效率。软件定义架构可以将硬件资源抽象化，从而使得应用程序可以更好地利用硬件资源，提高系统的性能和可靠性。

Skydel GNSS仿真引擎是创新型的软件定义GNSS模拟仿真引擎，它利用PC的GPU的计算能力并借助Nvidia GPU极快的数学计算能力处理星座、频率与轨迹信息，并生成IQ信号，使用SDR进行IQ信号的处理与RF信号的输出兼具两全其美的优势：顶级GNSS模拟器获得的高端性能，以及使用其GNSS软件架构的硬件所带来的规模经济性和灵活性。

NI（National Instruments，美国国家仪器公司）是一家总部位于美国的跨国公司，成立于1976年，专注于测试、测量和自动化领域的产品和服务，是测试测量行业的世界级龙头企业。

NI的核心产品之一USRP（Universal Software Radio Peripheral，通用软件无线电外设）系列，是一套开源的软件定义无线电（SDR）设备。USRP允许研究人员、工程师和爱好者通过软件编程来定义和重新定义无线电的通信协议，而无需更改硬件。这使得USRP非常适合于无线通信研究、原型设计、教育和业余无线电活动。

Ettus Research是USRP（Universal Software Radio Peripheral）产品的原始开发商，这是一家专注于软件定义无线电（SDR）技术的公司。2010年，Ettus Research被National Instruments（NI）收购。这次收购使得NI能够扩大其在无线通信和软件定义无线电领域的影响力。

Skydel允许用户使用NI USRP294xR/295xR系列以及同级别的Ettus Reserch的X300/X310/N310系列进行GNSS信号的仿真模拟，为各个行业的技术工程师带来直观、高效的GNSS仿真与测试方法。

二、硬件部署

Skydel可以在NI USRP-294xR/USRP-295xR部署环境下实现单一场景与多场景的仿真。

使用一个USRP

在使用一个USRP的情况下，允许仿真单个场景，实现单频双频GNSS信号输出。

使用USRP时，需要Skydel所在的计算机具有10GbE网卡，并使用10 GbE SFP光缆与SDR端口1连接，推荐的万兆网卡有：

● Intel X710-BM2

● Intel E810XXV-AM2

● Intel XXV710-AM2

● Intel E81oXXV-DA2

● Intel XXV710-DA2

注意：一个 Skydel 实例只能与一个USRP通信，两个Skydel实例无法与一个USRP同时通信。

使用多个USRP

在使用一个USRP的情况下，允许仿真复数个场景，实现单频双频GNSS信号输出或反正一个场景，实现三频GNSS信号输出。

与之前相同，使用USRP时，需要Skydel所在的计算机具有10GbE网卡，并使用10 GbE SFP光缆与SDR端口1连接。

为了执行准确的GNSS模拟，SDR需要精确的参考时钟，每个 SDR都需要共享相同的10MHz参考时钟并具有共同的每秒脉冲 (PPS) 信号才能同步。

需要注意的是，USRP本身具有80dB的增益，因此在使用线缆连接GNSS接收机时，一定要使用足够的衰减与隔直器以确保两端设备的安全使用。

三、软件部署

-固件安装

Skydel要正常使用，需要为USRP安装非常特定版本的FPGA映像，在首次将Skydel用于您的设备之前，您必须将此特定映像刻录到您的设备中。我们提供了简单可用的UHD驱动包（windows/Linux），直接安装应用即可，详细的固件安装方法请查阅Skydel使用手册。

为什么Safran Skydel需要这个特定版本呢?——GNSS信号模拟有一个非常重要的要求：RF信号传输绝不能中断。缺少单个 I/Q样本会将误差引入载波相位，从而使整个模拟对于GNSS 接收器测试来说太不精确。为了实现不间断的RF信号，SDR 必须具有I/Q样本缓冲区。缓冲区必须足够大，以减轻软件和SDR之间I/Q样本传输的中断。为了确保I/Q样本流稳定，这个特殊的FPGA映像使用板载DDR RAM作为流缓冲区；这种 FPGA映像称为“HG”映像。

-软件配置

本文将会介绍在WINDOW环境下如何快速实现NI USRP的部署并使用Skydel进行GNSS仿真，Ubuntu下的部署请咨询我们的相关技术工程师。

Skydel 支持以下 Microsoft Windows 版本：

● Windows 10 家庭版/专业版

● Windows 11 家庭版/专业版

-BIOS设置

我们强烈建议您在BIOS中修改以下设置：

● 禁用Intel SpeedStep；

● 禁用Intel Turbo Boost。

需要禁用这些设置才能强制CPU始终以相同频率运行。否则，当CPU频率变化时，可能会导致计算机与SDR之间的通信链接不稳定。这反过来可能会导致GNSS信号传输中断。

-windows系统设置

① 电源计划

● 打开控制面板、电源选项，然后单击“选择电源计划”。

● 选择“高性能”电源计划。

● 点击“更改计划设置”，将所有时间设置为“从不”。

说明：在GNSS模拟期间始终保持显示器打开。Windows能够检测显示器是打开还是关闭，当显示器关闭时，Windows可能会降低GPU的性能，从而导致模拟错误（例如，流缓冲区不足）。

② 注册表项：FastSendDatagramThreshold

仅在使用Ettus或NI SDR时需要设置。使用regedit工具打开Windows注册表：

●在HKEY_LOCAL_MACHINESystemCurrentControlSet ServicesAFDParameters下添加或修改DWORD注册表项 FastSendDatagramThreshold；

● 确保该值为9000（十进制）；

● 重新启动PC使之生效。

③ 通知

GNSS 模拟期间，强烈建议关闭所有 Windows 通知以避免中断。为此，请打开通知与操作，然后禁用通知。

-Nvidia GPU驱动程序

安装的Nvidia显卡驱动程序必须支持CUDA Runtime API 11.8.0或更高版本。确保您的计算机使用的是最新的WHQL认证的Nvidia GPU驱动程序（520.06或更高版本）。您可以在 Nvidia网站下载最新版本。

-网卡设置

① 驱动程序

仅在使用Ettus或NI SDR时需要设置，从英特尔网站下载并安装最新版本。

② 巨帧数据包

打开控制面板、网络和共享中心，然后更改适配器设置。右键单击连接到 SDR 的适配器并选择属性。单击配置，然后在高级选项卡中查找“巨帧数据包”：

● 启用巨帧数据包，并将大小设置为最大值。

● 在高级选项中，将传输缓冲区设置为最大值 (16384)

③ 静态 IP 地址

打开控制面板、网络和共享中心、更改适配器设置。右键单击连接到 SDR 的适配器并选择属性。双击 Internet 协议版本 4 (TCP/IPv4)：

● 选择单选按钮“使用以下 IP 地址”；

● IP地址：192.168.40.1

● 子网掩码：255.255.255.0

四、硬件连接

1. 软件配置完成后，关闭计算机，NI USRP连接电源

2. 黄色光纤连接到两台设备，听到“咔哒”一声就说明连接好了。如果需要拔出，拉住光纤头的塑料手柄平行拔除即可。

a. USRP插“1”端口，PC插入对应设置静态IP为“192.168.40.1”的SFP端口。

b. 拔出塑料把手如图

3. 连接好之后，在命令行输入“ping 192.168.40.2”。如果没有ping通，尝试检查硬件后重启电脑。

五、启动Skydel

至此，您可以正常打开Skydel，并选择对应的SDR开始您的仿真。

打开Skydel，如果需要直接使用，可打开例程“usrp-testing.sdx”(usrp-testing.sdx)，即可进行Skydel GUI的测试，如需要API控制，也需要打开Skydel。

警告：

一定要加隔直器单元，否则反向电流会打坏USRP！

一定要加衰减器，否则过大功率会损坏待测件！

审核编辑 黄宇