Программно-определяемая радиосистема (SDR) ZK USRP X310

ZK USRP X310 — высокопроизводительная масштабируемая платформа Software Defined Radio (SDR) для разработки, прототипирования, испытаний и построения специализированных радиосистем. Платформа разработана как функциональный аналог архитектуры Ettus Research USRP X310 и ориентирована на задачи, требующие высокой производительности ПЛИС FPGA, широкой полосы обработки и нескольких высокоскоростных интерфейсов
В основе ZK USRP X310 используется ПЛИС Xilinx Kintex-7 XC7K410T FPGA, обеспечивающая аппаратную обработку цифровых сигналов, реализацию пользовательских алгоритмов и работу с RFNoC. Платформа оснащена двумя слотами для ВЧ дочерних плат, что позволяет формировать различные конфигурации приёмо-передающего тракта. В зависимости от установленной дочерней платы система может работать в диапазоне DC–6 ГГц. Архитектура ZK USRP X310 ориентирована на задачи, в которых требуется высокая скорость обработки IQ-данных, программируемая FPGA-обработка и возможность адаптировать радиотракт под конкретную задачу.
Радиосистема ZK X310 поддерживает полный дуплекс, одновременную передачу и приём и до 160 МГц мгновенной полосы на канал при использовании соответствующей ВЧ платы (RF daughterboard).
Платформа может использоваться для разработки новых стандартов и протоколов связи, радиолокационных систем, навигационного оборудования, систем радиоэлектронной борьбы и других специализированных радиотехнических комплексов.
 
Модульная архитектура
Одно из ключевых преимуществ ZK USRP X310 — возможность конфигурировать радиочастотную часть системы с помощью сменных дочерних плат.
На материнской плате предусмотрено два расширяемых ВЧ-слота. Это позволяет сформировать необходимую конфигурацию в зависимости от требований проекта.
Типовая структура:
ПК / сервер → высокоскоростной интерфейс → ПЛИС (FPGA) → Дочерняя плата (RF daughterboard) → антенна
При этом пользователь может выбирать ВЧ-модуль исходя из:
•    требуемого диапазона частот;
•    количества каналов;
•    полосы сигнала;
•    режима приёма/передачи;
•    требований к MIMO;
•    необходимости синхронной работы каналов.
 
ПЛИС FPGA Xilinx Kintex-7
Вычислительной основой ZK USRP X310 является Xilinx Kintex-7 FPGA. ПЛИС выполняет значительную часть цифровой обработки сигнала и обеспечивает возможность реализации специализированных алгоритмов непосредственно внутри SDR-платформы.
Это позволяет использовать ZK X310 не только как устройство ввода/вывода IQ-данных, но и как аппаратную платформу цифровой обработки сигналов.
В ПЛИС могут реализовываться:
•    цифровая фильтрация;
•    DDC/DUC;
•    децимация;
•    интерполяция;
•    обработка I/Q;
•    синхронизация;
•    детектирование;
•    цифровая демодуляция;
•    пользовательские DSP-алгоритмы;
•    обработка RFNoC;
•    предварительная обработка данных перед передачей на ПК.

Особенно важна возможность разработки собственных FPGA-модулей. Это позволяет переносить вычислительно сложные операции из ПК непосредственно в аппаратный тракт USRP.

Полоса до 160 МГц
ZK USRP X310 поддерживает до 160 МГц полосы сигнала при использовании соответствующей ВЧ платы.
Широкая мгновенная полоса позволяет использовать платформу для задач, где необходимо одновременно принимать или формировать значительный объём радиочастотной информации.
Это особенно важно для:
•    широкополосного мониторинга;
•    анализа спектра;
•    радиолокации;
•    channel sounding;
•    4G/5G;
•    MIMO;
•    широкополосных радиоканалов;
•    исследований сигналов с неизвестными параметрами.

Диапазон частот
Возможный диапазон определяется установленной ВЧ платой.
Производитель указывает для X310 возможность покрытия DC–6 ГГц с соответствующими дочерними модулями.
Поэтому при выборе конфигурации необходимо рассматривать материнскую платформу и дочерние платы как единую систему.
Например:
Платформа (ZK X310 USRP) + Дочерняя плата (RF daughterboard) → требуемый частотный диапазон
Это позволяет одной платформой закрывать различные проекты без замены основной вычислительной части системы.
 
Высокоскоростные интерфейсы
Для работы с большими потоками IQ-данных ZK USRP X310 оснащён высокоскоростными интерфейсами:
•    PCIe;
•    2 × 10 Gigabit Ethernet;
•    2 × Gigabit Ethernet.
Это позволяет использовать платформу как локально подключенное устройство, так и элемент распределённой SDR-системы.
Например:
ZK X310 → 10GbE → сервер обработки
или несколько SDR:
ZK X310 №1 → Ethernet → сервер
ZK X310 №2 → Ethernet → сервер
что позволяет создавать многоканальные и распределённые системы радиомониторинга.
 
Программно-определяемая архитектура
Одно из главных преимуществ SDR заключается в том, что значительная часть функциональности определяется программой.
Изменение:
•    частоты;
•    полосы;
•    типа модуляции;
•    алгоритма обработки;
•    структуры радиоканала;
•    логики обнаружения;
•    алгоритма демодуляции
может выполняться программно без изменения основной аппаратной архитектуры.
Производитель позиционирует ZK USRP X310 как платформу, которая позволяет адаптироваться к новым стандартам и протоколам связи посредством программной настройки.
 
Поддержка GNU Radio
ZK USRP X310 ориентирован на работу с открытой программной экосистемой SDR, включая GNU Radio. GNU Radio позволяет создавать радиосистемы в виде графа обработки:
Источник IQ → фильтр → синхронизация → демодулятор → декодер → анализ
или для передачи:
Данные → кодер → модулятор → формирование I/Q → USRP → RF-тракт
Это существенно сокращает время разработки экспериментальных радиосистем.
 
Возможность создания специализированных систем
ZK USRP X310 может использоваться как ядро собственного радиотехнического комплекса.
Например:
Платформа (ZK X310 USRP) + Дочерняя плата (RF daughterboard)+ собственная плата ВЧ
или:
Платформа (ZK X310 USRP) + Дочерняя плата (RF daughterboard) + усилитель + фильтры + антенная система.
На базе платформы можно создавать специализированные:
•    радиоприёмники;
•    радиопередатчики;
•    радиомодемы;
•    анализаторы спектра;
•    радиолокационные системы;
•    системы радиомониторинга;
•    навигационные комплексы;
•    экспериментальные системы связи.

Основные преимущества
1. Высокая производительность ПЛИС
Xilinx Kintex-7 обеспечивает аппаратную обработку радиосигналов и возможность реализации пользовательских алгоритмов.
2. Два ВЧ-слота
Два слота дочерних плат (daughterboard) позволяют гибко конфигурировать радиочастотный тракт и создавать многоканальные системы. 
3. До 160 МГц полосы
Широкая полоса подходит для широкополосной связи, радиолокации, мониторинга и исследований.
4. Покрытие до 6 ГГц
При выборе соответствующих дочерний платы платформа может работать в диапазоне до 6 ГГц. 
5. Высокоскоростная передача IQ
PCIe, 1GbE и 10GbE позволяют интегрировать платформу с производительными вычислительными системами.
6. Гибкость программного определения
Алгоритмы обработки и функциональность радиосистемы могут изменяться программно.
7. Масштабируемость
Платформа может использоваться как отдельное SDR или как часть многоканального/распределённого комплекса.