消除有擾射頻： 基于LabVIEW和NI USRP進行射頻/通信物理層研究

圖1: 抑制前后檢測儀上顯示的符號、BER、SNR、電流估計值、傳輸狀態(tài)信息概覽。

"LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計軟件在并行編程上確實很出色，是我研究過程中開發(fā)信號處理和通信算法的好幫手。 我用過C++、Java和其他語言進行編程，但我還沒發(fā)現(xiàn)有其他方法比LabVIEW更直接、更直觀地反映這種并行機制。"

- Jan Dohl, Ph.D candidate at the Vodafone Chair, TU Dresden

挑戰(zhàn):
設(shè)計更佳的數(shù)字信號處理方法，校正非線性射頻損傷；使用真實無線信號驗證該方法。

解決方案:
將僅仿真代碼移植到NI LabVIEW軟件，采用實時數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)并借助兩個NI USRP™(通用軟件無線電外設(shè))軟件定義無線電設(shè)備專門解決非線性放大器損傷問題，并使用真實信號驗證算法。

作者:
Jan Dohl - Ph.D candidate at the Vodafone Chair, TU Dresden

有擾射頻概念

作為德累斯頓工業(yè)大學(xué)沃達豐移動通信系統(tǒng)集團的研發(fā)人員，我主要負責(zé)設(shè)計方法來提高低價位移動前端的模擬射頻性能。 我的研究主題是通過DSP技術(shù)來抑制硬件損傷，這一概念也就是有擾射頻。 我可以使用昂貴的實驗室硬件來消除非線性、同相/正交失衡、相位噪聲和載波頻率偏移等負面損壞影響，但是成本較低的DSP方法卻可以明顯提高常見通信系統(tǒng) 的質(zhì)量。

許多通信系統(tǒng)采用由混頻器、功率放大器、低噪聲放大器組成的低成本射頻前端，得到的性能和特性并不是很理想。 消費電子產(chǎn)品行業(yè)是一個通過低成本來刺激消費的行業(yè)，理想的射頻前端對于該行業(yè)來說價格過于昂貴且不實用。 低價位的消費設(shè)備射頻元器件已得到廣泛應(yīng)用，但卻存在明顯的射頻損傷問題，射頻損傷會阻礙通信鏈路、減小網(wǎng)絡(luò)容量。 因此，消費設(shè)備開發(fā)人員在設(shè)計射頻前端時，只能在成本和性能上做出取舍。

由于移動電話和無線應(yīng)用的快速普及，研究和開發(fā)更有效、更精確的DSP硬件損傷校正對于工程師來說意義重大。此外，由于模擬前端通常是設(shè)計無線電元器件中難度較大且成本較高的一個環(huán)節(jié)；采用數(shù)學(xué)算法來消除損傷可降低無線設(shè)備的成本，提高數(shù)據(jù)速率和無線鏈路的可靠性。                                              

算法開發(fā)

這個有擾射頻項目是在可對特定非線性放大器損傷影響進行盲目特征記述的現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上展開的。 然后通過編寫算法來自定義模型，提高降級信號的校正性能，并通過重復(fù)的軟件仿真來進行算法迭代。 借助前饋校正，我開發(fā)出了一種使用僅仿真軟件的概念驗證方法。前饋校正是通過校正數(shù)學(xué)算法以數(shù)字形式補償損傷的無線信號的一種方法 。 這樣，我通過仿真得到了全面的數(shù)據(jù)后，就可以將估計值與我們開發(fā)的方法得出的值進行比較。

實際驗證

接下來第二個階段就是搭建測試臺，在真實的系統(tǒng)中驗證算法的整體效率。 作為LabVIEW軟件的新用戶，我通過本地LabVIEW MathScript RT模塊將所有現(xiàn)有代碼移植到這個圖像化編程環(huán)境。 不到四周的時間，我借助兩個通過無線連接的NI USRP軟件定義無線設(shè)備開發(fā)了第一個可實時運行的工作原型。 盡管開發(fā)過程中使用的是Windows系統(tǒng)的計算機，但是該軟件卻可實時應(yīng)用損傷校正，而無需專用的DSP或現(xiàn)場可編程門陣列，這樣就簡化了原型的開發(fā)。

借助LabVIEW和NI USRP軟件定義的無線電設(shè)備，我能夠快速從仿真過渡到無線工作原型。 該原型通過有擾射頻來對低價位發(fā)射機和接收機中常采用的非理想射頻元器件進行特征記述和校正。

能夠如此迅速、輕松地開發(fā)出此類系統(tǒng)的原型真是出乎我的意料，因為建立無線鏈路和開發(fā)子系統(tǒng)是需要很大努力的。 使用真實信號進行驗證需要

1. 將發(fā)射機和接收機同步
2. 根據(jù)可能的不同調(diào)制方案建立正交頻分復(fù)用(OFDM)鏈路
3. 在LabVIEW軟件上開發(fā)估計和抑制算法
4. 將人工損傷與已知的行為相結(jié)合，對不同的仿真結(jié)果進行比較
5. 收集性能特性，將結(jié)果記錄到文件中，搭建視覺友好的圖形化用戶界面

這個原型通過一個軟件定義的無線電平臺就解決了所有這些需求，該平臺由兩個NI USRP-2920收發(fā)器組成的單輸入、單輸出發(fā)射和接收設(shè)備對和在上位機執(zhí)行的LabVIEW VI組成。 首先通過對估計的各種NI USRP射頻前端噪聲源進行建模來記錄系統(tǒng)的特性，噪聲源包括時鐘源的相位噪聲以及放大階段和其他元器件產(chǎn)生的非線性增益。

采用LabVIEW設(shè)計OFDM鏈路后，我較終取得了以下成果：

1. 搭建包含1024個子載波的OFDM鏈路，每個子載波較大調(diào)制為256-QAM
2. 證明估計和抑制方法可抑制來自真實非線性放大器硬件的非線性損傷
3. 發(fā)現(xiàn)該方法可改進之處
4. 數(shù)據(jù)速率約達1.4 Mbps

結(jié)論

由于具有較豐富的ANSI C/C++和MathWorks, Inc. MATLAB®軟件編程經(jīng)驗，我很快就適應(yīng)了LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計軟件的方法，通過直接重用專門用于仿真的.m文件腳本，開發(fā)時間縮短了。 看到自己編寫的許多.m文件腳本轉(zhuǎn)換為本地LabVIEW代碼，并行執(zhí)行性能得到了提高，我總是很有成就感。

LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計軟件在并行編程上確實很出色，是我研究過程中開發(fā)信號處理和通信算法的好幫手。 我用過C++、Java和其他語言進行編程，但我還沒發(fā)現(xiàn)有其他方法比LabVIEW更直接、更直觀地反映這種并行機制。

較終應(yīng)用，也就是“有擾射頻演示儀”，將LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計軟件方法與NI USRP硬件相結(jié)合，為工作原型開發(fā)和交互式項目中的挑戰(zhàn)探索提供了有效地方法。 該平臺具有極高的靈活性，可重配置設(shè)置來仿真各種操作條件下低價位RF通常出現(xiàn)的損傷問題。 該平臺還可根據(jù)研究需要進行擴展。

我打算在2012年的幾個會議上發(fā)表我的研究成果。較終有效地證明噪聲模型以及基于真實原型的噪聲抑制算法的有效性。 再接下去，我將使用“有擾RF演示儀”項目所取得的工作成果來支持其他研究，深入探索非線性硬件損傷。

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