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特集
第 1 章 ラインアップ，ハードウェア・アーキテクチャ，「できること」と「できないこと」

USRP のしくみと特徴
早田 直樹
Naoki Hayata

本章では，USRP とは何なのかを読者の皆様にご理解いただけるよう，ハードウェアに焦点を当てて詳しく紹介します．USRP のラインアップやハードウェア・アーキテクチャ，USRP で MIMO 無線機を構築するにはどうすればよいか，USRP を使う際に配慮したいことなどのトピックについて説明しますので，読者の皆様のお仕事や学業に USRP を役立てていただけるかをイメージしながら読み進めていただけると幸いです．

1.1 USRP のラインアップ■ 1.1.1 NI USRP−292x/293x シリーズとNI USRP−294x/295xR シリーズ
2014 年 7 月現在，ナショナルインスツルメンツ（NI）社からは，大きく分けて以下の二つのシリーズの USRPを提供しています．これらの外観はイントロダクションの写真 1 と写真 2 をご覧ください．
●NI USRP−292x/293x シリーズ

NI USRP−294x/295xR シリーズ
NI USRP−294x/295xR シリーズは，NI USRP−292x/●

293xシリーズよりも新しい世代の USRPで，NI USRP−292x/293x シリーズに比べてパワー・アップしています．両シリーズの主なスペックの違いは表 1.1 のとおりです．特筆すべき違いを以下に 3 点挙げます．
● チャネル数の違い
NI USRP−292x/293x シリーズは，1 台に送信ユニットと受信ユニットがそれぞれ一つずつ搭載されています．後ほど説明しますが，1 台の USRP で RF 信号の送受信を同時に実施することも可能です．
一方，NI USRP−294x/295xR シリーズは，1 台に送信ユニットと受信ユニット数がそれぞれ二つ搭載されており，合計四つのユニットをすべて同時に使用できます．そのため NI USRP−294x/295xR シリーズは，1 台だけで 2×2 の MIMO 通信システムのプロトタイピングを行うことも可能です．
● 最大の瞬時帯域幅
NI USRP−294x/295xR シリーズは，送受信できるRF信号の瞬時帯域幅の最大値がNI USRP−292x/293xシリーズよりも大きくなっています．なお，上記の瞬時帯域幅は，第 1.2.3 節で説明する「IQ レート」が高速であるほど広くできます．ただし，IQ レートが高速になるほど，PC との間でやり取りするベースバンド信号波形のデータ量が多くなるため，PC との接続インターフェースが十分に高速大容量である必要があります．NI USRP−294x/295xR シリーズが NI USRP−292x/293x シリーズよりも広い最大瞬時帯域幅を備えPeripheral Component Interconnectているのは，PCI Express など，PC へのインターフ〈 表 1.1 〉NI USRP−292x/293x シリーズと NI USRP−294x/295xR シリーズの違い
項目

NI USRP−294x/295xR シリーズ＊2NI USRP−292x/293x シリーズFPGA プログラミング

不可能

可能

対応する周波数帯① 50 M 〜 2.2 GHz のモデル
② 2.4 〜 2.5 GHz および 4.9 〜 5.9 GHz のモデル
③ 400 M 〜 4.4 GHz のモデル

① 50 M 〜 2.2 GHz のモデル
② 400 M 〜 4.4 GHz のモデル
③ 1.2 G 〜 6 GHz のモデル

PC とのインターフェース●

G ビット Ethernet（1000BASE−T）●●

PCI Express x4（ケーブル経由）
ExpressCard（ケーブル経由）

1 台あたりの送信 / 受信ユニット数

送信 / 受信ともに一つずつ最大の瞬時帯域幅

約 20 MHz

送信 / 受信ともに二つずつ
約 40 MHzD−A コンバータの性能

16 ビット，400 Msps

16 ビット，800 Msps

A−D コンバータの性能

14 ビット，100 Msps

14 ビット，200 Msps

参考価格（税別）＊1NI USRP−2920（50 M 〜 2.2 GHz）
：31.6 万円

NI USRP−2940R（50 M 〜 2.2 GHz）
：72.5 万円

＊1：2014 年 7 月現在の価格．価格は予告なく変更される場合があります．最新情報は http://www.ni.com/usrp からご確認ください．
＊2：USRP−2940R/2950R は別途 PC 用 PCI Express インターフェースが必要です．

14No.27

特集

LabVIEW と USRP で体験する SDRェースとして，より高速大容量なものを備えているためです．

NI USRP−294x/295xR シリーズと比較して性能は劣ります．しかしながら，NI USRP−294x/295xR シリ● FPGA プログラミングの可否ーズよりも低価格で入手可能であり，すでに多くの方NI USRP−294x/295xR シリーズは，ザイリンクス社
Field-Programmable Gate Arrayに活用されています．一方，NI USRP−294x/295xRの Kintex−7 シリーズの FPGA を搭載しています．こシリーズは，NI USRP−292x/293x シリーズよりも性の強力な FPGA はユーザが自由にプログラムできるようになっていて，高速かつ処理遅延の確定性が高いという FPGA の長所を活かして，リアルタイムなベースバンド信号処理や MAC プロトコルを実装可能です．このとき，FPGA のプログラミングを LabVIEWで行うことができ，PC 上で動くプログラムを開発する際と共通の開発言語 / 開発環境で，グラフィカルにFPGA をプログラミングできます．図 1.1 は FPGA プ
ログラムのソース・コードの一例で，FPGA から D−能やプログラミングの自由度が向上したぶん，複雑さが増していることは否めません．
以上の理由から，価格面での入手の容易さと，USRPを初めて使用される方にとっての使いやすさを考慮して，本特集では NI USRP−292x/293x シリーズをメイ

A コンバータにディジタル・ベースバンド波形を渡す
FPGA 側の I/O がプログラムされています．
イントロダクションの図 2（p.10）は PC 上で動くプログラムのソース・コードを示していますが，図 1.1 と見比べていただくとわかるとおり，FPGA も PC 上で動くプログラムとまったく同じイメージでプログラムできることがわかります．
一方，USRP−292x/293x シリーズは，同じく FPGAを搭載していますが，あらかじめ動作が決められているため，FPGA を自由にプログラムすることができません．
● 本特集で対象とする USRP
上述のように，NI USRP−292x/293x シリーズは，ン・ターゲットに据えて説明します．以下では，特に断りがない限り，単に「USRP」といえば NI USRP−292x/293x シリーズを指すものとお考えください．

■ 1.1.2 NI USRP−292x/293x シリーズのラインアップ
それでは，NI USRP−292x/293x シリーズのラインアップを紹介します．表 1.2 を見てください．
NI USRP−292x/293x シリーズには，対応する周波GPS-Disciplined Oscillator

数帯および第 1.2.4 節で紹介する GPSDO（GPS 基準のオシレータ）の有無が異なる五つのモデルが存在します．どのモデルを選ぶべきかは，興味のあるアプリケーションの周波数帯がカバーされているか，そして，GPSDO が必要かどうかで判断してください．
図 1.2 に USRP を活用できる代表的なアプリケーシ
ョンの周波数帯と，NI USRP−292x/293x シリーズがカバーする周波数帯をまとめています．

〈 図 1.1 〉LabVIEW の FPGA プログラムのソース・コードの一例

No.2715