Fortgeschrittene Prototypenerstellung mit softwaredefinierten Funksystemen

Überblick

Die Verbreitung von drahtlosen Geräten für eine ständig wachsende Zahl von Anwendungen treibt die Komplexität der Anforderungen und Designs in die Höhe. Die Nachfrage nach mehr Daten treibt Hardwareschaltungen hin zu größeren Bandbreiten, höheren Frequenzen und mehr Kanälen, während Software mehr Flexibilität und kürzere Markteinführungszeiten bieten soll. 

Egal, ob Sie sich mit der Prototypenerstellung neuer drahtloser Technologien im Labor oder der Evaluierung von Systemen in realen Umgebungen befassen, softwaredefinierte Funksysteme (SDRs) bieten eine ideale Lösung, um sicherzustellen, dass die Leistungs- und Entwurfsziele erreicht werden.

In diesem Artikel wird das NI Ettus USRP X410 zusammen mit Anwendungsfällen dafür vorgestellt. Dieses Universal Software Radio Peripheral (USRP) wurde entwickelt, um die neuesten Anforderungen in Sachen fortschrittliche drahtlose kommerzielle Kommunikations- und Verteidigungsanwendungen von der Forschung bis zum Einsatz zu erfüllen.

Inhalt

Die Evolution der drahtlosen Prototypenerstellung

In sich rasch entwickelnden Anwendungen wie Drohnenabwehr und Signalaufklärung sind eine schnellere Bereitstellung und die Fähigkeit, sich schnell anpassen zu können, von entscheidender Bedeutung. Es sind kommerzielle handelsübliche Systeme (COTS) mit leistungsstarken HF- und Signalverarbeitungsfunktionen erforderlich, aber auch eine offene Plattform ist notwendig, um flexible Verbesserungen zu ermöglichen, damit Sie den Bedrohungen immer einen Schritt voraus sein können. Bei Anwendungsfällen in der Bereitstellung ermöglichen SDRs mit geringer Größe, Gewicht und Leistung (size, weight and power, SWAP) mobil einsatzbereite, portable Lösungen.

Während eines Tests mit einem COTS USRP-Gerät liegt eine Drohne auf einem Tisch

Abbildung 1: SkySafe wehrt kommerzielle Drohnen mit Open-Source-USRP ab 

Kommerzielle Prüfstände und Prototypen für die drahtlose Kommunikation müssen häufig mehrere Frequenzbänder und Standards für Mobilfunk- und drahtlose Konnektivität berücksichtigen. Um mit neuen drahtlosen Standards wie 5G Schritt zu halten, müssen Sie Software-IP auf geeigneter Hardware entwickeln und testen, um Technologien zu erproben, die von neuen Codierungsschemata bis hin zu fortschrittlichen Vielfacheingang-Vielfachausgang (Multiple Input, Multiple Output, MIMO)-Systemen reichen, oft durch drahtlose Over-the-Air (OTA) Prototypenerstellung.

Zwei HF-Ingenieure entwickeln Software für 5G

Abbildung 2. Diese SDRs mit niedrigem Profil verfügen über die Leistung, um große 5G-Prüfstände zu ermöglichen.

Eine neue Generation softwaredefinierter Funksysteme

Das NI Ettus USRP X410 ist die erste der neuen Generation leistungsstarker SDRs von Ettus Research und NI. Es vereint die Stärken von NI und Ettus Research in einem einzigen Funksystem, das sowohl populäre Open-Source-Werkzeugflows wie USRP-Hardwaretreiber (UHD) als auch GNU Radio und LabVIEW-Software unterstützt. Das NI Ettus USRP X410 basiert auf dem Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC und verfügt über leistungsstarke HF-Sender- und -Empfänger-Hardware, um das bisher leistungsstärkste SDR von NI bereitzustellen. Das RFSoC bietet eine Grundlage für den Embedded-Prozessor und die programmierbare FPGA-Technologie, die mit Datenwandlern (A/D-Wandlern/D/A-Wandlern) integriert werden. Der Quad-Core-ARM®-Prozessor ermöglicht den eigenständigen Betrieb (Embedded-Modus) oder den Host-basierten Modus mit einem externen Host-Computer, um Ihre Anwendung auszuführen.

Vorderseite des NI Ettus USRP X410

Abbildung 3: Das NI Ettus USRP X410 vereint Hardware und Software, um Sie bei der Prototypenerstellung leistungsstarker drahtloser Systeme zu unterstützen.

Eine offene Plattform für Ihre nächste Innovation

Mit mehr als dem Doppelten der FPGA-Ressourcen anderer USRP-Produkte bietet der programmierbare Logikteil des Zynq UltraScale+ FPGA von Xilinx eine digitale Signalverarbeitung (DSP) mit hohem Durchsatz und gehärtete IP-Cores, wie etwa geräteeigene Soft-Decision-Vorwärtsfehlerkorrektur sowie digitale Auf-/Ab-Umwandlungskerne (DUC/DDC). Die SD-FECs eignen sich besonders für die Prototypenerstellung mit 5G und eignen sich für die LDPC-Kodierung und -Dekodierung (Low-Density Parity Check) in Echtzeit, einer der rechenintensivsten Operationen in 5G. Bei Entwürfen, die nur auf FPGA ausgeführt werden, kann sich die SD-FEC-Logik über mehrere große Virtex-7-FPGA erstrecken. Die Integration der SD-FEC-Logik als vorgefertigter Kern in der Hardware spart daher enormen Platz- und Entwicklungsaufwand.

Das NI Ettus USRP X410 unterstützt das beliebte RF-Network-on-Chip (RFNoC)-Framework vollständig und macht die FPGA-Beschleunigung mit einer Software-Programmierschnittstelle und einer FPGA-Infrastruktur leichter zugänglich. Dies hilft Ihnen, schnell einsatzbereit zu sein, damit Sie sich auf IP mit Mehrwert konzentrieren können. Mit der grafischen Benutzeroberfläche GNU Radio, C++ oder Python können Sie Host- und FPGA-basierte Verarbeitung nahtlos in Ihre Anwendung integrieren. Die Bibliothek bestehend aus RFNoC-Blöcken für gängige Funktionen wie schnelle Fourier-Transformationen (FFT) und Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR) ist ein guter Ausgangspunkt. Anschließend können Sie Ihre eigenen IP-Blöcke mithilfe Ihrer bevorzugten Hardwarebeschreibungssprache (HDL) zur modularen Architektur hinzufügen.

Neben dem FPGA-Fabric-Teil des Systems ist das Xilinx UltraScale+ RFSoC mit vier integrierten Anwendungsverarbeitungseinheiten (APUs) und zwei Echtzeitverarbeitungseinheiten (RPUs) für Anwendungen ausgestattet, die für den eigenständigen Betrieb ein geräteeigen integriertes Betriebssystem erfordern.

Diagramm mit integrierten Prozessoren und Logik im NI Ettus USRP X410

Abbildung 4: Das vereinfachte Blockdiagramm des Xilinx UltraScale+ RFSoC zeigt die integrierten APUs und RPUs für Anwendungen, die für den eigenständigen Betrieb ein integriertes Betriebssystem erfordern.

Skalierbare HF-Hardware

Mit einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 7,2 GHz erfasst das NI Ettus USRP X410 nicht nur die herkömmlichen HF-Bänder <6 GHz-Bänder, sondern auch das kürzlich geöffnete unlizenzierte Band zwischen 5,925 GHz bis 7,125 GHz für Wi-Fi 6E. Mit der Echtzeitbandbreite von 400 MHz können Sie die breiteren Kanäle nutzen und Kanalbindung und Modulträgeraggregation für einen höheren Datendurchsatz implementieren. Die HF-Frontend-Architektur verwendet eine sich überlagernde zweistufige Umwandlung unter 3 GHz und eine einstufige Umwandlung über 3 GHz zusammen mit Filterung und Leistungspegelregelung, um eine hochwertige Signalübertragung und -empfang zu ermöglichen.

Das NI Ettus USRP X410 vereint vier Sende- und vier Empfangskanäle in einem kompakten ½-Rack-1U-Formfaktor, sodass es vielseitig und einfach transportierbar für Feldtests und Operationen ist. Jeder Kanal ist unabhängig, d. h., jeder Kanal kann für FDD-Anwendungen oder für die gleichzeitige Emulation mehrerer Signale auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt werden. Die Kanäle können auch über einen internen OCXO (Oven-Controlled Crystal Oscillator), der auf eine Genauigkeit von 50 ppb kalibriert werden kann, einen internen GPS-Disciplined Oscillator (GPSDO) für Zeitstempel sowie eine 10-MHz-Referenz- und PPS-Erzeugung (Pulse pro Sekunde) synchronisiert werden. Für noch höhere Kanalzahlen können Sie mehrere Geräte synchronisieren, indem Sie einen externen Referenztakt importieren und die PPS-Generierung für Anwendungen verwenden, die eine präzise Zeitausrichtung erfordern, wie z. B. massive MIMO.

Bei größeren Bandbreiten und mehr Kanälen kann es eine Herausforderung sein, große Datenmengen auf und aus dem Funksystem zu übertragen. Aus diesem Grund verfügt der NI Ettus USRP X410 über zwei konfigurierbare QSFP-Ports (Quad Small Form-Factor Pluggable), mit denen Sie die Vorteile von Doppel-10-GbE oder Doppel-100-GbE geräteeigen nutzen können. Darüber hinaus verfügt das Funksystem über einen PCI Express x8 Gen 3-Port für Übertragungsraten von bis zu 8 GB/s.

Diagramm mit konfigurierbaren Ports, die das NI Ettus USRP X410 skalierbar machen

Abbildung 5: Das Blockdiagramm des NI Ettus USRP X410 zeigt dessen HF- und Digitalfunktionen. 

Zusammenfassung

Die kraftvolle Leistung des NI Ettus USRP X410 bietet eine ideale Plattform, um Ihre neuesten Innovationen zu entwickeln. In Kombination mit der Software-Toolchain Ihrer Wahl bietet dieses softwaredefinierte Funksystem die Fähigkeit und Flexibilität, Ihre Anforderungen zu erfüllen. Unabhängig davon, ob Sie Forschung für 5G und darüber hinaus durchführen oder Systeme zur Vermeidung wachsender Bedrohungen implementieren, kann das NI Ettus USRP X410 die Prototypenerstellung Ihrer drahtlosen Geräten beschleunigen.