LabVIEW開發最小化5G系統測試平臺

由于具有大量存儲能力和數據的應用程序的智能手機的激增，當前一代產品被迫提高其吞吐效率。正交頻分復用由于其卓越的品質，如單抽頭均衡和具有成本效益的實施，現在被廣泛用作物理層技術。這些好處是以嚴格的同步、正交性和高功耗為代價的。除了高數據速率外，不需要人工干預的應用，如機器類通信、物聯網（IoT）和車對車通信（V2V），正在為未來的一代系統設計提供解決方案。這些應用需要低功耗、減少延遲和異步數據傳輸。

這刺激了對新型物理層波形的探索，從而提出了許多替代波形。廣義頻分復用（GFDM）是一種靈活的多載波傳輸策略，將適合上述特征，可以被認為是實施5G網絡的可行競爭者。GFDM系統基于不同時頻塊的調制，每個時頻塊在頻率上包含多個子載波，在時間上包含子符號。每個子符號上的子載波都使用特定于應用的原型濾波器進行濾波，該濾波器在時間和頻率上循環移動。與其他多載波方案一樣，GFDM由于時域中存在大量符號而存在高峰均功率比（PAPR）問題。

?

在基于GFDM的系統中，PAPR還原技術主要有三類。初始和最基本的類別是信號失真技術，它主要通過削波時域GFDM信號來降低信號PAPR。這些策略在GFDM系統中的PAPR減少方面表現得不夠好，因為它們具有失真特性和高誤差傳播率。信號加擾是PAPR減少技術的另一種，包括選擇性映射（SLM）和部分傳輸序列（PTS）[12]。為了產生大量的GFDM替代信號，GFDM信號與SLM頻域中的隨機相位旋轉矢量相乘。在逆快速傅里葉變換（IFFT）之后，選擇具有最低PAPR的替代GFDM信號進行傳輸。候選信號的側信息（SI）隨后被傳送，從而實現有效的接收器恢復。在PTS技術中，通過將信號分成不連續的子塊，將每個子塊乘以適當的相序向量，然后重構子塊以產生具有降低的PAPR的信號來降低PAPR[14]。PTS和SLM方法的計算要求很高，需要一種合適的相序向量的搜索策略。此外，它們需要向接收器提供所需的相序矢量和額外的側面信息，這會降低系統的頻譜效率。然而，上述所有PAPR緩解解決方案中的大多數在降低PAPR方面表現不佳，需要一種額外的機制來為每個比特流構建替代候選信號。PAPR約簡策略的最后一類包括預編碼技術，包括離散哈特利矩陣變換（DHMT），離散正弦矩陣變換（DSMT）和離散余弦矩陣變換（DCMT）。這些技術導致PAPR降低，因為它們在IFFT計算之前減少了調制數據信號之間的非周期自相關量。預編碼技術是降低GFDM系統中PAPR的有效策略之一。然而，與信號加擾技術相比，它們的PAPR降低較差。

我們提出了一種基于預編碼技術的高效PAPR約簡方法，以及一種基于奇異值分解（SVD）的最優正交預編碼矩陣，與其他現有的預編碼策略相比，它具有最小的潛在平均功率和相當好的PAPR最小化，而不會影響PAPR約簡。我們降低了平均功率以及峰均功率比，以提高PAPR緩解效率。利用NI的硬件，稱為通用軟件無線電外圍設備（USRP），開發了GFDM系統的實時原型，以驗證減少PAPR的想法。從USRP接收到的光譜響應通過與仿真表現出良好的一致性來驗證所提出的方法。

基于預編碼的技術具有很大的潛力，因為它們是簡單的線性過程，無需任何額外的側面信息即可使用。預編碼既不會顯著增加復雜性，也不會破壞子載波的正交性，而是增強了PAPR降低性能。在本文中，將最優預編碼作為降低GFDM傳輸信號PAPR的方法。在GFDM調制和傳輸之前，GFDM系統中的預編碼需要將每個GFDM模塊的調制數據乘以預編碼矩陣。GFDM系統使用預先確定的預編碼矩陣，因此發射器和接收器之間不需要握手。如果所有GFDM幀的預編碼矩陣都相同，那么也沒有必要進行基于塊的優化技術所需的所有處理。

用于實現疊加SI傳輸概念的測試臺采用LabVIEW軟件，可與NI硬件輕松合并，稱為通用軟件無線電外設RIO。LabVIEW的主要吸引力在于其簡單的可重配置，無需使用額外的硬件。USRP內部由用于射頻轉換的低頻子板、用于開發USRP內部數字信號處理（DSP）芯片的模數轉換器（ADC）/數模轉換器（DAC）組成。USRP能夠在1.2-6GHz的寬頻率范圍內運行，涵蓋所有移動通信場景。數字上/下變頻和插值/抽取等主要通信操作在USRP的FPGA板上實現，該板由LabVIEW軟件控制，用于執行調制/解調等基帶操作。因此，USRP中的實際FPGA實現由軟件控制。這個想法提供了一個測試算法的機會，因為軟件的變化是通過硬件上的實現來復制的。

兩個工作站，它們使用NIPXIe-PCIe8371Express卡與USRP連接。此接口具有832MB/s，這對于展示實時通信方案非常有用。連接USRP后，應為發射器和接收器USRP分配一個唯一的ID。在LabVIEW中，矩形網格QAM調制數據按照框圖中指定的順序在成分的有源子載波上進行GFDM調制。在對GFDM符號執行所有基帶操作后，在每個數據包的開頭和結尾添加前導碼和長度為8的零序列。前導碼用于執行同步和通道估計，而零填充可用于及時區分接收信號。USRP中傳輸的數據包不僅包含工資單數據，還包含控制信息。控制信息包括USRPIP、帶前導碼的數據位置和糾錯碼。RxUSRP從可用空間接收疊加信號作為數據流。RxUSRP丟棄數據樣本，直到使用檢測算法觀察到大量能量。

所采用的方法提高了數據效率和PAPR，使GFDM系統成為5G通信的誘人替代方案。解決了設計具有最低PAPR的預編碼矩陣的優化挑戰。仿真結果表明，預編碼策略可以顯著降低GFDM系統中的PAPR。實驗和仿真結果的魯棒性為GFDM系統中的PAPR約簡技術提供了可信度。

這是LabVIEW的一個應用，更多的開發案例，歡迎登錄北京瀚文網星官網，了解更多信息。有需要LabVIEW項目合作開發，請與我們聯系。

?