基于LabVIEW和NI USRP進(jìn)行射頻/通信物理層研究

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

“LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件在并行編程上確實(shí)很出色，是我研究過(guò)程中開發(fā)信號(hào)處理和通信算法的好幫手。我用過(guò)C++、Java和其他語(yǔ)言進(jìn)行編程，但我還沒(méi)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(jī)制。”

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

挑戰(zhàn)：

設(shè)計(jì)更佳的數(shù)字信號(hào)處理方法，校正非線性射頻損傷;使用真實(shí)無(wú)線信號(hào)驗(yàn)證該方法。

解決方案：

將僅仿真代碼移植到NI LabVIEW軟件，采用實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)并借助兩個(gè)NI USRP?(通用軟件無(wú)線電外設(shè))軟件定義無(wú)線電設(shè)備專門解決非線性放大器損傷問(wèn)題，并使用真實(shí)信號(hào)驗(yàn)證算法。

有擾射頻概念

作為德累斯頓工業(yè)大學(xué)沃達(dá)豐移動(dòng)通信系統(tǒng)集團(tuán)的研發(fā)人員，我主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)方法來(lái)提高低價(jià)位移動(dòng)前端的模擬射頻性能。我的研究主題是通過(guò)DSP技術(shù)來(lái)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(shí)驗(yàn)室硬件來(lái)消除非線性、同相/正交失衡、相位噪聲和載波頻率偏移等負(fù)面損壞影響，但是成本較低的DSP方法卻可以明顯提高常見(jiàn)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(fèi)電子產(chǎn)品行業(yè)是一個(gè)通過(guò)低成本來(lái)刺激消費(fèi)的行業(yè)，理想的射頻前端對(duì)于該行業(yè)來(lái)說(shuō)價(jià)格過(guò)于昂貴且不實(shí)用。低價(jià)位的消費(fèi)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(wèn)題，射頻損傷會(huì)阻礙通信鏈路、減小網(wǎng)絡(luò)容量。因此，消費(fèi)設(shè)備開發(fā)人員在設(shè)計(jì)射頻前端時(shí)，只能在成本和性能上做出取舍。

由于移動(dòng)電話和無(wú)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(duì)于工程師來(lái)說(shuō)意義重大。此外，由于模擬前端通常是設(shè)計(jì)無(wú)線電元器件中難度最大且成本最高的一個(gè)環(huán)節(jié);采用數(shù)學(xué)算法來(lái)消除損傷可降低無(wú)線設(shè)備的成本，提高數(shù)據(jù)速率和無(wú)線鏈路的可靠性。

算法開發(fā)

這個(gè)有擾射頻項(xiàng)目是在可對(duì)特定非線性放大器損傷影響進(jìn)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(guò)編寫算法來(lái)自定義模型，提高降級(jí)信號(hào)的校正性能，并通過(guò)重復(fù)的軟件仿真來(lái)進(jìn)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(yàn)證方法。前饋校正是通過(guò)校正數(shù)學(xué)算法以數(shù)字形式補(bǔ)償損傷的無(wú)線信號(hào)的一種方法 .這樣，我通過(guò)仿真得到了全面的數(shù)據(jù)后，就可以將估計(jì)值與我們開發(fā)的方法得出的值進(jìn)行比較。

實(shí)際驗(yàn)證

接下來(lái)第二個(gè)階段就是搭建測(cè)試臺(tái)，在真實(shí)的系統(tǒng)中驗(yàn)證算法的整體效率。 作為L(zhǎng)abVIEW軟件的新用戶，我通過(guò)本地LabVIEW MathScript RT模塊將所有現(xiàn)有代碼移植到這個(gè)圖像化編程環(huán)境。 不到四周的時(shí)間，我借助兩個(gè)通過(guò)無(wú)線連接的NI USRP軟件定義無(wú)線設(shè)備開發(fā)了第一個(gè)可實(shí)時(shí)運(yùn)行的工作原型。盡管開發(fā)過(guò)程中使用的是Windows系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，但是該軟件卻可實(shí)時(shí)應(yīng)用損傷校正，而無(wú)需專用的DSP或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，這樣就簡(jiǎn)化了原型的開發(fā)。

借助LabVIEW和NI USRP軟件定義的無(wú)線電設(shè)備，我能夠快速?gòu)姆抡孢^(guò)渡到無(wú)線工作原型。該原型通過(guò)有擾射頻來(lái)對(duì)低價(jià)位發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中常采用的非理想射頻元器件進(jìn)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?yàn)榻o(wú)線鏈路和開發(fā)子系統(tǒng)是需要很大努力的。 使用真實(shí)信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證需要

a. 將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同步

b. 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

c. 在LabVIEW軟件上開發(fā)估計(jì)和抑制算法

d. 將人工損傷與已知的行為相結(jié)合，對(duì)不同的仿真結(jié)果進(jìn)行比較

e. 收集性能特性，將結(jié)果記錄到文件中，搭建視覺(jué)友好的圖形化用戶界面

這個(gè)原型通過(guò)一個(gè)軟件定義的無(wú)線電平臺(tái)就解決了所有這些需求，該平臺(tái)由兩個(gè)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(duì)和在上位機(jī)執(zhí)行的LabVIEW VI組成。 首先通過(guò)對(duì)估計(jì)的各種NI USRP射頻前端噪聲源進(jìn)行建模來(lái)記錄系統(tǒng)的特性，噪聲源包括時(shí)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(jì)OFDM鏈路后，最終取得了以下成果：

a. 搭建包含1024個(gè)子載波的OFDM鏈路，每個(gè)子載波最大調(diào)制為256-QAM

b. 證明估計(jì)和抑制方法可抑制來(lái)自真實(shí)非線性放大器硬件的非線性損傷

c. 發(fā)現(xiàn)該方法可改進(jìn)之處

d. 數(shù)據(jù)速率約達(dá)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(yàn)，我很快就適應(yīng)了LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的方法，通過(guò)直接重用專門用于仿真的。m文件腳本，開發(fā)時(shí)間縮短了?？吹阶约壕帉懙脑S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(jì)軟件在并行編程上確實(shí)很出色，是我研究過(guò)程中開發(fā)信號(hào)處理和通信算法的好幫手。我用過(guò)C++、Java和其他語(yǔ)言進(jìn)行編程，但我還沒(méi)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(jī)制。

最終應(yīng)用，也就是“有擾射頻演示儀”,將LabVIEW系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiàng)目中的挑戰(zhàn)探索提供了有效地方法。該平臺(tái)具有極高的靈活性，可重配置設(shè)置來(lái)仿真各種操作條件下低價(jià)位RF通常出現(xiàn)的損傷問(wèn)題。 該平臺(tái)還可根據(jù)研究需要進(jìn)行擴(kuò)展。

我打算在2012年的幾個(gè)會(huì)議上發(fā)表我的研究成果。最終有效地證明噪聲模型以及基于真實(shí)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(xiàng)目所取得的工作成果來(lái)支持其他研究，深入探索非線性硬件損傷。