消除有扰射频：基于LabVIEW和NI USRP进行射频/通信物理层研究

图1: 抑制前后检测仪上显示的符号、BER、SNR、电流估计值、传输状态信息概览

"LabVIEW系统设计软件在并行编程上确实很出色，是我研究过程中开发信号处理和通信算法的好帮手。 我用过C++、Java和其他语言进行编程，但我还没发现有其他方法比LabVIEW更直接、更直观地反映这种并行机制。"
                                                                           - Jan Dohl, Ph.D candidate at the Vodafone Chair, TU Dresden
挑战:
       设计更佳的数字信号处理方法，校正非线性射频损伤；使用真实无线信号验证该方法。

解决方案:
       将仅仿真代码移植到NI LabVIEW软件，采用实时数字信号处理(DSP)技术并借助两个NI USRP?(通用软件无线电外设)软件定义无线电设备专门解决非线性放大器损伤问题，并使用真实信号验证算法。

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

有扰射频概念
      作为德累斯顿工业大学沃达丰移动通信系统集团的研发人员，我主要负责设计方法来提高低价位移动前端的模拟射频性能。 我的研究主题是通过DSP技术来抑制硬件损伤，这一概念也就是有扰射频。 我可以使用昂贵的实验室硬件来消除非线性、同相/正交失衡、相位噪声和载波频率偏移等负面损坏影响，但是成本较低的DSP方法却可以明显提高常见通信系统 的质量。
      许多通信系统采用由混频器、功率放大器、低噪声放大器组成的低成本射频前端，得到的性能和特性并不是很理想。 消费电子产品行业是一个通过低成本来刺激消费的行业，理想的射频前端对于该行业来说价格过于昂贵且不实用。 低价位的消费设备射频元器件已得到广泛应用，但却存在明显的射频损伤问题，射频损伤会阻碍通信链路、减小网络容量。 因此，消费设备开发人员在设计射频前端时，只能在成本和性能上做出取舍。
       由于移动电话和无线应用的快速普及，研究和开发更有效、更精确的DSP硬件损伤校正对于工程师来说意义重大。此外，由于模拟前端通常是设计无线电元器件中难度最大且成本最高的一个环节；采用数学算法来消除损伤可降低无线设备的成本，提高数据速率和无线链路的可靠性。                                             

算法开发
       这个有扰射频项目是在可对特定非线性放大器损伤影响进行盲目特征记述的现有数学模型的基础上展开的。 然后通过编写算法来自定义模型，提高降级信号的校正性能，并通过重复的软件仿真来进行算法迭代。 借助前馈校正，我开发出了一种使用仅仿真软件的概念验证方法。前馈校正是通过校正数学算法以数字形式补偿损伤的无线信号的一种方法 。 这样，我通过仿真得到了全面的数据后，就可以将估计值与我们开发的方法得出的值进行比较。

实际验证
       接下来第二个阶段就是搭建测试台，在真实的系统中验证算法的整体效率。 作为LabVIEW软件的新用户，我通过本地LabVIEW MathScript RT模块将所有现有代码移植到这个图像化编程环境。 不到四周的时间，我借助两个通过无线连接的NI USRP软件定义无线设备开发了第一个可实时运行的工作原型。 尽管开发过程中使用的是Windows系统的计算机，但是该软件却可实时应用损伤校正，而无需专用的DSP或现场可编程门阵列，这样就简化了原型的开发。
       借助LabVIEW和NI USRP软件定义的无线电设备，我能够快速从仿真过渡到无线工作原型。 该原型通过有扰射频来对低价位发射机和接收机中常采用的非理想射频元器件进行特征记述和校正。
       能够如此迅速、轻松地开发出此类系统的原型真是出乎我的意料，因为建立无线链路和开发子系统是需要很大努力的。 使用真实信号进行验证需要：
       a. 将发射机和接收机同步
       b. 根据可能的不同调制方案建立正交频分复用(OFDM)链路
       c. 在LabVIEW软件上开发估计和抑制算法
       d. 将人工损伤与已知的行为相结合，对不同的仿真结果进行比较
       e. 收集性能特性，将结果记录到文件中，搭建视觉友好的图形化用户界面
       这个原型通过一个软件定义的无线电平台就解决了所有这些需求，该平台由两个NI USRP-2920收发器组成的单输入、单输出发射和接收设备对和在上位机执行的LabVIEW VI组成。 首先通过对估计的各种NI USRP射频前端噪声源进行建模来记录系统的特性，噪声源包括时钟源的相位噪声以及放大阶段和其他元器件产生的非线性增益。
       采用LabVIEW设计OFDM链路后，我最终取得了以下成果：
       a. 搭建包含1024个子载波的OFDM链路，每个子载波最大调制为256-QAM
       b. 证明估计和抑制方法可抑制来自真实非线性放大器硬件的非线性损伤
       c. 发现该方法可改进之处
       d. 数据速率约达1.4 Mbps

结论
       由于具有较丰富的ANSI C/C++和MathWorks, Inc. MATLAB®软件编程经验，我很快就适应了LabVIEW系统设计软件的方法，通过直接重用专门用于仿真的.m文件脚本，开发时间缩短了。 看到自己编写的许多.m文件脚本转换为本地LabVIEW代码，并行执行性能得到了提高，我总是很有成就感。
       LabVIEW系统设计软件在并行编程上确实很出色，是我研究过程中开发信号处理和通信算法的好帮手。 我用过C++、Java和其他语言进行编程，但我还没发现有其他方法比LabVIEW更直接、更直观地反映这种并行机制。
       最终应用，也就是“有扰射频演示仪”，将LabVIEW系统设计软件方法与NI USRP硬件相结合，为工作原型开发和交互式项目中的挑战探索提供了有效地方法。 该平台具有极高的灵活性，可重配置设置来仿真各种操作条件下低价位RF通常出现的损伤问题。 该平台还可根据研究需要进行扩展。
       我打算在2012年的几个会议上发表我的研究成果。最终有效地证明噪声模型以及基于真实原型的噪声抑制算法的有效性。 再接下去，我将使用“有扰RF演示仪”项目所取得的工作成果来支持其他研究，深入探索非线性硬件损伤。