„A LabVIEW grafikus rendszertervező szoftver kiváló segítséget nyújt a kutatásaimhoz szükséges jelfeldolgozási és kommunikációs algoritmusok megvalósítását elősegítő párhuzamos programozás támogatásával. A C++, Java és további nyelvek terén szerzett tapasztalataim során nem találkoztam még olyan eszközzel, amely a párhuzamosságot ennyire közvetlenül és intuitívan támogatná — nyilatkozta Jan Dohl, a Drezdai Műszaki Egyetem Vodafone Tanszékének doktorjelöltje. — Feladatom egy javított digitális jelfeldolgozási módszer kifejlesztése volt nemlineáris RF-fokozatok által okozott zavarok kompenzálására, továbbá az eljárás használhatóságának igazolása valódi rádiófrekvenciás jelek segítségével.
Megoldásként — az NI LabVIEW-nak köszönhetően — tisztán szimulációs kód átültetése mutatkozott NI LabVIEW szoftverkörnyezetbe, valamint valós idejű digitális jelfeldolgozás alkalmazása két darab NI USRP™ (Universal Software Radio Peripheral — univerzális szoftverrrádió-periféria) típusú szoftverrádió segítségével. Mindezek célja az erősítők nemlinearitásai miatt keletkező jelhibák célzott kompenzálása és az algoritmusok valódi jelekkel történő igazolása.”
Torzult rádiójelek
„A Drezdai Műszaki Egyetem Vodafone Mobil Kommunikációs Rendszerek Tanszékének kutatójaként olyan eljárások kifejlesztésén dolgozom, amelyek révén javíthatók a mobiltelefonok olcsó rádiófrekvenciás fokozatainak analóg működési jellemzői. Munkám az áramkörök által okozott jelhibák DSP-vel történő kompenzálására irányul. Alkalmazhatnék drága laboratóriumi eszközöket a nemkívánt jelenségek — mint például nemlinearitások, I/Q-aszimmetria, fáziszaj, vivőfrekvencia-eltolódás stb. — kiküszbölésére, de lényegesen olcsóbb, DSP-alapú megközelítéssel is jelentősen javíthatók az átviteli rendszerek minőségi jellemzői.
Számos kommunikációs rendszer az ideálistól eltérő paraméterekkel rendelkező, keverőkből, teljesítményerősítőkből és kiszajú erősítőkből felépülő rádiófrekvenciás fokozattal rendelkezik. Az ideális paraméterekkel bíró RF-egységek drágák és alkalmazásuk nem praktikus a fogyasztóelektronikában, ahol a mennyiséget a költségek határozzák meg. A nagy tömegben gyártott készülékekbe kerülő, olcsó RF-alkatrészeknek köszönhetően széles körben forgalmazhatók a termékek, mindezért azonban azt az árat kell fizetni, hogy felléphetnek az átvitelt akadályozó és a hálózati kapacitást csökkentő RF-jelhibák. A fogyasztóelektronikai berendezések fejlesztőinek ezért a költségek és a működési jellemzők között kell középutat találniuk, amikor a rádiófrekvenciás fokozatokat tervezik.
1. ábra. Áttekintőkép a demoszoftverről, a detektor szimbólumaival a kompenzálás előtt és után, a BER- és SNR-, továbbá a pillanatnyi becslési értékekkel, valamint az átvitel állapotának jelzésévelMivel a mobiltelefon- és WiFi-felhasználók köre exponenciálisan bővül, az áramkörök által okozott jelhibák DSP-vel történő, hatékonyabb és pontosabb kompenzálására irányuló kutatás-fejlesztés továbbra is kiemelten fontos a mérnökök számára. Mindezek mellett, mivel sokszor az analóg RF-fokozatok megtervezése jelenti az egyik legnagyobb kihívást és költséget, a jelhibák matematikai algoritmusokkal való megszüntetése révén mérsékelhető az RF-eszközök költsége, miközben javítható az adatsebesség és a vezeték nélküli átvitel megbízhatósága.”
Algoritmus-fejlesztés
„Az itt ismertetett projektet bizonyos — erősítők nemlinearitása által keltett — zavarjelenségeket eszközöktől függetlenül leíró, már létező matematikai modellek alkalmazásával kezdtük. Ezt követően egyedien átalakítottam a modelleket, olyan algoritmus létrehozásával, amely a torzult jelek korrigálását hatékonyabbá teszi. Ezt az algoritmust folyamatosan ismételt szoftveres szimulációkon keresztüli iterációval finomítottam. Átviteli korrekciót alkalmazva — ami a torzult RF-jelek korrekciós matematikai algortimusokon való, digitális úton történő átvezetését jelenti — kidolgoztam az elgondolás bizonyítását, kizárólag szimulációs szoftvereket felhasználva. Ily módon össze tudtam vetni a becsült értékeket az eljárásunk eredményeivel, feltételezve, hogy szimuláción keresztül tökéletesen ismertem a rendszert.”
Visszaellenőrzés valós körülmények között
„A kutatás következő szakaszában egy tesztelőkörnyezetet állítottunk össze annak érdekében, hogy az algoritmus teljes körű hatékonyságát igazoljuk valós körülmények között. Új LabVIEW-felhasználóként a beépített LabVIEW MathScript RT Module-t használtam arra, hogy az összes meglévő programkódomat átültessem a grafikus környezetbe. Kevesebb, mint négy hét alatt sikerült megvalósítanom az első működő prototípust, amely valós időben futott két NI USRP szoftverrádió között felépített vezeték nélküli kapcsolaton. Noha a megvalósítás számítógépen futó Windows alatt történt, a szoftver valós időben korrigálta a jelsérüléseket, külön célra beállított DSP vagy FPGA nélkül, ami a prototípus fejlesztését is megkönnyítette.
2. ábra. A vett és becsült amplitúdóeloszlások, továbbá az eredményül adódó erősítőkarakterisztikaA LabVIEW és egy NI USRP szoftverrádió segítségével gyorsan át tudtam térni a szimulációról egy működő, jeleket ténylegesen kisugárzó prototípusra. A prototípus a fentiekben leírt elv szerint jellemzi és korrigálja az olcsó adók, illetve vevők által gyakran előállított, ideálistól eltérő RF-összetevőket.
Egy ilyen rendszer prototípusa ritkán állítható össze gyorsan és könnyedén, mert jelentős erőfeszítéseket igényel egy vezeték nélküli kapcsolat felépítése és a megfelelő alrendszer megvalósítása. Ahhoz, hogy valós jelekkel visszaellenőrizzem a működést,
- egymáshoz kellett szinkronizálnom az adót és a vevőt;
- ortogonális frekvenciaosztásos nyaláboláson (OFDM-moduláción) alapuló kapcsolatot kellett felépítenem, lehetőséget adva különféle modulációs beállításokra;
- becslő- és kompenzálóalgoritmusokat kellett LabVIEW szoftver alatt megvalósítanom;
- ismert jellemzőjű, mesterséges zavarokat kellett beiktatnom a szimulációkkal való összehasonlítás érdekében;
- a működést jellemző paramétereket kellett gyűjtenem, az eredményeket állományokba naplózva, továbbá megjelenésében kellemes élményt nyújtó grafikus felhasználói felületet kellett kidolgoznom.
A prototípussal sikerült az összes fenti kérdést megoldani, 2 db, egy bemenetű—egy kimenetű átviteli rendszerként működő, NI USRP-2920 típusú adó-vevőre épülő szoftverrádió-környezetre alapozva, továbbá vezérlő számítógépen futó LabVIEW VI modulok segítségével. Az első lépésben a rendszer jellemzőit vettük fel, az NI USRP típusú RF-egység által várhatóan keltett különféle zajokat modellezve. Többek között órajelforrások fáziszajának és erősítőfokozatok, illetve egyéb egységek nemlineáris erősítése következtében létrejövő hatások vizsgálatát jelentette ez.
LabVIEW segítségével megvalósított OFDM-átvitel révén a következő eredményeket értem el:
- OFDM-kapcsolat 1024 alvivővel, melyek mindegyike 256 QAM modulációjú volt;
- Bebizonyítottam, hogy a becslő- és korrekciós eljárások képesek kompenzálni a valódi nemlineáris erősítők által okozott zavarokat;
- Megmutattam, hogy hol lehet továbbfejleszteni az eljárásokat;
- Közel 1,4 Mibit/s-os adatsebesség.”
Következtetések
„Az ANSI C/C++ és a MathWorks, Inc. MATLAB szoftverben járatos programozóként gyorsan megbarátkoztam a LabVIEW rendszertervező szoftver szemléletével és lerövidítettem a fejlesztési időt, szimulációhoz írtam állományok közvetlen felhasználása révén. Nagy örömet okozott számomra a sikerélmény, amit több, állományom belső LabVIEW kóddá való átalakítása jelentett, nagyobb mértékű párhuzamosítást és jobb futási jellemzőket elérve.
A LabVIEW rendszertervező szoftver kiváló segítséget nyújt a kutatásaimhoz szükséges jelfeldolgozási és kommunikációs algoritmusok megvalósítását elősegítő párhuzamos programozás támogatásával.
A C++, Java és további nyelvek terén szerzett tapasztalataim során nem találkoztam még egy olyan eszközzel, amely a párhuzamosságot ennyire közvetlenül és intuitívan támogatná.
A végső alkalmazás a LabVIEW rendszertervező szoftver szemléletét és az NI USRP típusú hardveregységek képességeit kihasználva a működő prototípus kifejlesztéséhez hatékony eszközként szolgált, valamint elősegítette a projekt nehézségeinek interaktív feltárását is. E környezet megfelelően rugalmas volt ahhoz, hogy az összeállítást újra lehessen konfigurálni, amire az olcsó RF-fokozatok által különféle működési feltételek mellett jellemzően előidézett, különféle zavarok szimulálása miatt volt szükség. A kutatási igényeknek megfelelően akár bővíthető is a rendszer.
Terveim szerint számos konferencián közlöm a kutatási eredményeimet 2012-ben. Végső soron hatékonyan szemléltettem a zajmodellek megfelelőségét és a zajcsökkentő algoritmusok hatásosságát egy valós körülmények között működő prototípus segítségével. A jövőt illetően a jelen projektben elért eredményeimet a nemlineáris áramköri hatások feltárására irányuló további kutatások támogatására fogom használni.”
