Implementation of DSP-based algorithms on USRP for mitigating non-linear distortions in the receiver

Schlembach, Florian

In recent years, software-defined radio (SDR) has attracted increasingly more attention in regards to modern communication systems. The concept of SDR defines a radio device that is capable of flexibly reconfiguring its radio interface by software. This opens multiple fields of application and makes SDR an enormously adjustable and versatile radio technology. However, RF impairments induced by cheap and simple RF front-ends turn out to be a significant limitation in practice. Non-linear distortions emerge from non-linear components of the direct down-conversion chain that are driven into their saturation level. This is a result of a finite linearity and limited dynamic range of the RF frontend. The focus of this thesis are non-linear distortions in wideband receivers and a mitigation of them by means of digital signal processing. The idea is to artificially regenerate the non-linear distortions in the digital domain by applying a memoryless, polynomial model. An adaptive filter adjusts these reference distortions in their magnitude and phase and subtracts them from the distorted signal. A hardware implementation of a mitigation algorithm on a typical SDR-platform is presented. No prior implementation of this pure-digital approach is known. An implementation design flow is described following a top-down approach, starting from a fixed-point high-level implementation and ending up with a low-level hardware description language implementation. Both high-level and low-level simulations help to validate and evaluate the implementation. In conclusion, the implementation of the mitigation algorithm is a sophisticated mitigation technique for cleaning a down-converted baseband spectrum of non-linear distortions in real-time. Therefore, the effective linearity of the RF front-end is increased. This may lead to a significant improvement in the bit error rate performance of cleansed modulated signals, as well as to an enhanced sensing reliability in the context of cognitive radio.

Zusammenfassung: In den letzten Jahren sorgte Software-Defined Radio (SDR) in Bezug auf moderne Kommunikationssysteme für immer größere Aufmerksamkeit. Das Konzept von SDR bezeichnet ein Funkgerät, das in der Lage ist, seine Funkschnittstelle durch Software flexibel zu rekonfigurieren. Dies ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten und macht SDR zu einer enorm anpassungsfähigen und vielseitigen Funktechnologie. Allerdings stellen im HF-Frontend ausgelöste Störungen in der Praxis eine erhebliche Einschränkung dar. In direkt umsetzenden Empfängerstrukturen entstehen durch nichtlineare Komponenten, die in ihren Sättigungsbereich getrieben werden, nichtlineare Verzerrungen. Das ist ein Ergebnis der begrenzten Linearität und des Dynamikbereich des HF-Frontends eingeschränkt sind. Der Fokus der Arbeit liegt auf nichtlinearen Verzerrungen in breitbandigen Empfängern und deren Minderung mit Hilfe von digitaler Signalverarbeitung. Die Idee ist, die nichtlinearen Verzerrungen im digitalen Bereich auf Basis eines gedächtnislosen, Polynom-Modells zu regenerieren. Ein adaptives Filter passt dabei den Betrag der nichtlinearen Referenzverzerrungen an und subtrahiert diese vom verzerrten Signal. In der Arbeit wird eine Hardwareimplementierung eines Störungsminderungsalgorithmus auf einer typischen SDR Plattform vorgestellt. Bisher ist keine Implementierung des rein-digitalen Ansatzes bekannt. Der Implementierungsablauf beschreibt anhand eines Top-Bottom-Ansatzes, wie der Algorithmus zuerst in einer Festpunkt High-Level Realisierung und schließlich in einer Low-Level Implementierung mit einer Hardwarebeschreibungssprache umgesetzt wird. Sowohl High-Level als auch Low-Level Simulationen unterstützen dabei die Validierung und Bewertung der Implementierung. Die Implementierung des Abschwächungsalgorithmus stellt schließlich eine ausgefeilte Methode dar, um ein heruntergeschmischtes Basisbandspektrum in Echtzeit von nichtlinearen Verzerrungen zu befreien. Demzufolge wird die effektive Linearität des HF-Frontends erhöht. Dies kann zu einer erheblichen Verbesserung der Bitfehlerrate von modulierten Signalen führen sowie die Zuverlässigkeit des Sensings in Bezug auf kognitiven Funk steigern.

Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2013

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Schlembach, Florian: Implementation of DSP-based algorithms on USRP for mitigating non-linear distortions in the receiver. 2013.

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