PlutoSDR学习指南【0】PlutoSDR介绍

【注】前几篇文章介绍了PlutoSDR的简单实用，这一篇文章在补一个对PlutoSDR的介绍，本应当放在第一篇推文，这篇文章就是第0篇吧！

ADI Pluto是ADI公司推出的主动学习模块（Active Learning Module），其主要包含三个设备：ADALM1000，ADALM2000，ADALM-PLUTO。其中前两个设备偏向基本的电路测量，ADALM-PLUTO偏向软件无线电。

PlutoSDR具有独立的接收和发射通道，可在全双工模式下工作。主动学习模块可以在325 MHz至3800 MHz频率范围内以最高每秒61.44MSPS产生或捕获RF模拟信号。PlutoSDR非常小，可装在衬衣口袋中，完全独立自足且由配有默认固件的USB供电。由于PlutoSDR通过libiio驱动程序启动，因此它支持OS X®、Windows®和Linux®，可让学生在多台设备上学习和探索。

Pluto是一款基于FPGA的SDR架构，实际上是一个Zynq的FPGA+AD936X的封装版本，我们所看到的很多商业应用的SDR版本也是基于该平台的。不过直接入手FPGA和AD9361开发，相对于很多开发者而言，都是比较困难的，而且针对于算法开发和学习，也是没有太大必要的。Pluto的固件也是开源的。

https://github.com/analogdevicesinc/plutosdr-fw

ADI这一块的Pluto设备，确实是一个不错的学习平台，其开发时，不需要进行FPGA开发，可以通过ADI开发的Libiio组件进行调用。如上图所示通过LibIIO组件，可以直接调用底层的SDR资源，从而方便开发很多。上层可以用C，Matlab等开发语言和平台进行二次开发。

ADALM-PLUTO主动学习模块基于 AD9363，分别配备了可在全双工模式下工作的一条接收通道和一条发射通道。该模块能够以高达61.44MSPS的采样速率和20MHz的带宽产生和测量频率范围在325MHz到3800MHz之间的RF模拟信号。PlutoSDR体积小巧，可以轻松装进衣服口袋或者背包中，使用灵活，采用配备默认固件的USB端口供电。该模块支持OS XTM、WindowsTM和LinuxTM，因此使用者可以在不同的时间、不同的设备上学习和探索RF系统。

为什么叫做“Pluto”

在地理学中，天体“冥王星”（Pluto）是一颗矮行星，它类似于一颗小行星，但缺乏将其归类于此的技术准则。PlutoSDR是一个主动学习模块，类似于软件定义无线电，但在官方看来，它同样缺乏相应的性能表现或技术准则来将其归类于此。

PlutoSDR可以作为打开通信或SDR课程大门的一把钥匙，但它不能替代现有的更加专业的SDR。PlutoSDR针对学生而设计，价格也更加低廉。因此，所有PlutoSDR的用户都应注意它在很多方面的局限性，确保正常的工作和使用。

ADALM-PLUTO 内的无线电芯片 AD9363，是一款基于直接转换接收器的高性能、高集成度的RF敏捷收发器， * 接收子系统包括低噪声放大器 （LNA）、直接转换混频器、可配置模拟滤波器、高速模数转换器 （ADC）、数字抽取滤波器和 128-tap 有限脉冲响应 （FIR） 滤波器，可以适当的采样率产生12位输出信号。接收链通过可配置的自动增益控制 （AGC） 或手动增益模式、直流偏置校正、正交校正进行扩大。接收的 I 和 Q 信号传递到数字基带处理器中，在本例中为 Xilinx Zynq SoC。* 传输子系统还使用直接转换结构。从基带处理器（在本例中同样为 Xilinx Zynq SoC）中接收12位I/Q样本，通过 128-tap 有限脉冲响应 （FIR） 滤波器、数字插值滤波器、高速数模转换器 （DAC）、模拟滤波器、直接转换混频器和小功率放大器（PA）向天线输出。* AD9363 内集成的相锁环 （PLL） 为接收和传输通道提供时钟和本地振荡器，并为 ADC、DAC 提供时钟和采样频率。

Xilinx Zynq 全部可编程 soc（AP SoC）融入了基于 ARM 处理器的可编程性和 FPGA 硬件可编程性，该器件采用单核ARM Cortex™-A9处理器，与28nm Artix®-7基本可编程逻辑配合。配备常用的硬件外设（USB、SPI 等）。

收发器结构

AD9363传输链基于直接转换技术。虽然此框图属于 AD9361，但它也适用于在 ADDALM-PLUTO 中的 AD9363。两者的区别在于可调范围及次要功能缺失（DCXO、无外部LO、RF 通道带宽变窄）。

需要考虑的一些事项如下：- Tx LO 幅值保持不变，因此为接收到最佳信号，尽可能地以最大比特位数运行 DAC，然后调高/调低输出衰减以改变输出信号强度，（不要只减少 DAC 的输入）。DAC 最大比特位数为12位，但实际上使用 ADI 提供的 HDL 需要产生 16-bit 信号，其中低4位 LSB 会被去除。

相关参数

USB2.0

USB2.0 是480 Mbit/s半双工串行协议。

• 利用率为100%时，480兆比特每秒等于60兆字节每秒。
• USB开发者论坛主席指出，“由于存储卡和外设之间的通讯协议开销，宣称最高速度为60MB/s的高速USB中，至少10-15%达不到峰值。”从而导致速度降为约50MB/s。
• USB有控制传输、中断传输、同步传输和批量传输4种传输模式。当我们使用批量传输时，不可能关闭其他模式，资源会有10%的损耗，因此速度又降至约45MB/s。
• 半双工传输时，发送和接收分别占有约22.5MB/s。
• 单个样本长度为2 byte（12 bit），采样速率就为11MSPS。

实际上在PlutoSDR中采样速率接近7.5 - 12.5 MSPS，但它取决于USB host以及当前的网络状况。实际速率大约是理论速率的65%-100%，说明速率虽然主要取决于主机，但还是有优化空间的。相比现有的商业用的传输速率几个G的以太网、USB 3.0（5 Gbps 全双工）或者PCIe（4 Gbps每通道）解决方案，USB 2.0还是要慢得多。

FPGA 规格

PlutoSDR内的FPGA（作为Xilinx Zynq 7010的一部分）尺寸很小

使用部分FPGA的默认设计目标为：- CMOS接口实现 - I/Q转换（如果用户需要） - DDS（用于传输端的multi-tone发生器），以及 - 添加8个插值/抽取，使 PlutoSDR 的采样率比 AD9363（520.833kSPS）的最小采样率低8倍（65.104166 kSPS）

以下的利用率报告是一种比较典型的情况。如果您不需要上述的某些逻辑电路，可以将其关闭并重新利用FPGA作为自定义逻辑电路。

额外的抽取和插值滤波器使用 20 个 DSP slice（总共 40 个）。可选的 DDS 使用 20 个 DSP slice，可选的 2 x 2 矩阵乘法（有时用于 IQ 校正或相位旋转）是每个通道 2 个，DC 滤波器是每个通道 1 个。

使用不同的Zynq设备可以很轻易地克服该问题——我们在最小的引脚计数选择了一个设备，这有利于在价格较低时使布局更合理。使用更大的设备和封装，将影响大小和成本。

PlutoSDR的不足

PlutoSDR内的AD9363的可调范围由325至3800 MHz之间的LO中心频率指定。这个可调范围已经诞生了十多年，覆盖了美国，欧洲，澳大利亚，印度，日本等地的频段，但它范围没有AD9361或AD9364这类的板子大，这些板子可调范围在70至6000兆赫之间，几乎是它的两倍。因为器件的引脚几乎相同，通过将AD9363换成AD9364或AD9361，很容易克服这一缺点，但这会增加成本。

PlutoSDR内部没有RF屏蔽模块，这意味着在它附近放置一个强大的发射机（如您的手机）可能会影响PlutoSDR调谐到的频率结果。通过增加RF屏蔽装置可以克服这一缺点，但会增加成本和体积。

PlutoSDR 上没有预选或输出滤波器，AD9363的输出是SMA连接器的输出，AD9363的引脚提供的输入进入设备天线。

AD9363 中的射频发射机输出 LO 频率的中度三次谐波。如果您的 LO 为 3 GHz（其中三次谐波为 9 GHz，超出 PlutoSDR 中用于差分到单端转换的balun范围），则该频率将相当低。但是， 如果 LO 为 500 MHz，则第三次谐波将为 1500 MHz，完全在范围内。如果您在 500 MHz 下传输 RF 信号，信号会以 1500 MHz 进行传播。

总结

虽然AD9363的RF性能足以满足许多RF应用，但它与可能其他高性能器件的规格不匹配，如其他商用SDR器件中的AD9361、AD9364、AD9371。

PlutoSDR性能要优于其他许多同类设备，但它不是最好的SDR。

但由于 PlutoSDR 的易用性以及较低的价格，仍然是入门软件无线电（SDR）的最好的选择。

【参考资料】

1. https://wiki.seeedstudio.com/cn/ADALM-PLUTO-Overview/
2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/54190140
3. https://www.analog.com/cn/design-center/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/ADALM-PLUTO.html
4. https://wiki.analog.com/university/tools/pluto
5. https://wiki.analog.com/university/tools/pluto/users
6. https://wiki.analog.com/university/tools/pluto/developers
7. https://wiki.analog.com/university/tools/pluto/hackers