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LabVIEW和NI USRP对开发信号处理和通信算法验证与分析

2017年11月21日 20:54 次阅读

"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

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。

LabVIEW和NI USRP对开发信号处理和通信算法验证与分析

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。

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。

LabVIEW和NI USRP对开发信号处理和通信算法验证与分析

图2: 接收的幅值分布和估计的幅值分布以及相应的放大器特性。

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。

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基于LabVIEW的交通灯控制系统设计与仿真

本文主要介绍了基于LabVIEW的交通灯控制系统设计与仿真。传统的十字路口交通控制系统中,一般只采用...

发表于 2018-01-09 11:39 1420次阅读
基于LabVIEW的交通灯控制系统设计与仿真

Apple Watch能够告诉游泳者一些关于他们...

Apple Watch可能很快会告诉游泳者在哪里可以使用无线电导航技术来查明他们的位置。

发表于 2017-12-31 23:52 1665次阅读
Apple Watch能够告诉游泳者一些关于他们...

对于无线电全模式短波电台TS-480SAT/HX...

配备一个由分配电路及组合器电路为特征的双重区域,TS-480HX 可进行高达 200 瓦的 RF 输...

发表于 2017-12-29 13:34 905次阅读
对于无线电全模式短波电台TS-480SAT/HX...

OPC技术的PC与西门子PLC的实时通讯技术

本文主要介绍了基于OPC技术的PC机通过LabVIEW实现与西门子PLC的通讯。给出了相关组态配置流...

发表于 2017-12-28 11:20 895次阅读
OPC技术的PC与西门子PLC的实时通讯技术

开源软件定义无线电设备内部结构及应用设计

与模拟电路相比数字电路具有更多的优势,能够提供更好的性能比如灵敏度、动态范围、处理速度和精确度等,现...

发表于 2017-12-27 09:12 2678次阅读
开源软件定义无线电设备内部结构及应用设计

无线化技术不断演进,2018年将迎来加速发展!

移动互联网时代,一个重大变化就是以前的线都不见了。现在,WiFi路由器家家都有,甚至已经是饭馆、咖啡...

发表于 2017-12-27 06:15 2797次阅读
无线化技术不断演进,2018年将迎来加速发展!

一种基于STM32和LabVIEW的无线温湿度检...

本文主要介绍了一种基于STM32和LabVIEW的无线温湿度检测系统的设计,主控制器采用STM32,...

发表于 2017-12-25 14:13 1104次阅读
一种基于STM32和LabVIEW的无线温湿度检...

HD无线电广​播技术创新理念介绍及应用

HD Radio广播是一种激动人心的新兴技术,提出了与当前模拟无线电广播截然不同的独特数字信号处理要...

发表于 2017-12-13 15:16 162次阅读
HD无线电广​播技术创新理念介绍及应用

最新小型软件无线电平台SFF SDR介绍

加拿大Lyrtech公司最新研制的小型软件无线电平台SFF SDR属于专用便携式SDR,可应用于军事...

发表于 2017-12-13 14:55 357次阅读
最新小型软件无线电平台SFF SDR介绍

场强测量的四种模式及不确定度简介

场强测量是无线电监测工作的重要组成部分,在无线电管理工作中起着重要作用。通过准确的场强测量可了解电磁...

发表于 2017-12-13 04:02 140次阅读
场强测量的四种模式及不确定度简介

浅谈mimo技术及分类

MIMO技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,使信号通过发射端与接收端的多个天线传送...

发表于 2017-12-12 14:53 661次阅读
浅谈mimo技术及分类

认知无线电的历史和概念及其关键技术

随着无线通信技术的发展,无线用户的数量急剧增加,使得频谱资源变得越来越紧张,如何充分提高无线频谱的利...

发表于 2017-12-11 14:15 204次阅读
认知无线电的历史和概念及其关键技术

电磁辐射与电磁波应用介绍

无线电波是一种电磁波。电磁波每秒钟振动的次数,称为频率(单位为赫兹Hz);每秒钟传播的距离,称为速度...

发表于 2017-12-10 15:28 169次阅读
电磁辐射与电磁波应用介绍

基于软件无线电实现音调干扰方案

当前通信制式下,基于FDMA/TDMA体制的GSM手机和基于CDMA体制的CDMA手机均是通过接收基...

发表于 2017-12-09 08:40 204次阅读
基于软件无线电实现音调干扰方案

看不见的安全保障 无线电安防监测

当今,在世界范围内,大型活动的安保都会将无线电监管和防控列为安保的重要一环。而对于高新技术云集、电磁...

发表于 2017-12-07 11:05 1519次阅读
看不见的安全保障 无线电安防监测

认知无线电的频谱管理以及频谱监测与占用度分析

随着无线通信技术的发展,人们对通信速率(尤其是数据传输速率)的需求也越来越高。根据香农理论,通信速...

发表于 2017-12-06 04:47 573次阅读
认知无线电的频谱管理以及频谱监测与占用度分析

公民宽带无线电服务(CBRS)缓解无线频谱的短缺

无线通信中的频谱资源稀缺已经不是秘密了,它们要么被拍卖,要么被美国政府霸占,要么被阻塞了。因此,政府...

发表于 2017-12-05 11:51 2144次阅读
公民宽带无线电服务(CBRS)缓解无线频谱的短缺

飞思卡尔简化射频介绍及特性分析

射频功率技术领域的领先提供商飞思卡尔半导体(NYSE: FSL)日前宣布推出射频功率工具系统(RF ...

发表于 2017-12-05 09:48 151次阅读
飞思卡尔简化射频介绍及特性分析

无线电基本知识及对讲机型号选择详读

在无线通信的专业里,没有"距离"这个技术参数,因为能影响无线信号能传播远距离的因素实在太多。常用的无...

发表于 2017-11-30 12:06 1759次阅读
无线电基本知识及对讲机型号选择详读

基于LabVIEW FPGA模块设计调用独立的I...

对于利用LabVIEW FPGA实现RIO目标平台上的定制硬件的工程师与开发人员,他们可以很容易地利...

发表于 2017-11-24 15:36 531次阅读
基于LabVIEW FPGA模块设计调用独立的I...

NI LabVIEW NXG应对5G、AI和无人...

NI为了满足5G、AI和无人驾驶汽车等新兴高潜力应用市场对大数据测试测量新挑战,推出了新一代的图形化...

发表于 2017-11-23 16:26 3607次阅读
NI LabVIEW NXG应对5G、AI和无人...

基于FPGA的通用软件无线电平台设计

本文的项目背景是通过软件无线电方式实现数字音频广播(DAB)的基带信号处理,这要求软件无线电平台具有...

发表于 2017-11-23 08:39 360次阅读
基于FPGA的通用软件无线电平台设计

GPP开发无线通信算法问题四种解决方法及主要技术

SORA是微软研究中心的软件无线电(Software Radio :简称Sora)是一种新型的软件无...

发表于 2017-11-21 20:26 242次阅读
GPP开发无线通信算法问题四种解决方法及主要技术

用户快速启动和运行NI USRP平台说明指南

NI USRP(通用软件无线电外设)是一款软件定义、灵活且价位适中的即用型无线电平台。用户在配有1兆...

发表于 2017-11-21 20:06 395次阅读
用户快速启动和运行NI USRP平台说明指南