IngeniArs integriert Innovation in SATCOM mit Hilfe von NI Data Link

IngeniArs: Innovation in der Satellitenkommunikation 

Das italienische Startup IngeniArs entwickelt Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungstechnologien für die Satellitenkommunikation. Es erstellt IP-Kerne – Makrozellen, die spezifische Funktionen implementieren, die für die Wiederverwendung in verschiedenen Designs entwickelt wurden, um die Systementwicklung zu beschleunigen – als eigenständige Hardwareblöcke für anspruchsvolle SATCOM- und Datenverbindungen, was die Integration von FPGA und ASIC hocheffizient macht. Diese Kerne sind integrierte Hardwarekomponenten, die ähnlich wie Softwaretreiber spezifizierten Standards entsprechen, wodurch der Bedarf an Fachwissen und langwierigen Entwicklungszeiten reduziert wird.

IngeniArs verfügt über ein großes Portfolio an IP-Kernen für verschiedene Raumfahrtanwendungen: Datenverbindung zwischen verschiedenen Onboard-Einheiten wie Spacewire, SpaceFibre und WizardLink; Datenverarbeitung wie der innovative GPU@SAT-Kern, der KI-Algorithmen an Bord ermöglicht; und Satellitenkommunikationen sowohl RF als auch optisch für Satellit-Boden-Satellit- und Inter-Satelliten-Verbindungen. IngeniArs hat mit NI zusammengearbeitet, um seine SATCOM-IP-Kerne mit Hilfe des NI Data Link Test Frameworks zu testen und zu validieren. Dadurch wurde die Simulation realistischer Satellitenkommunikationsszenarien ermöglicht. Die Partnerschaft von IngeniArs und NI entstand aus der Notwendigkeit einer robusten, kompakten Validierungsplattform, um Anwendungen mit hoher Bandbreite zu ermöglichen und gleichzeitig die Probleme im Wettbewerb mit anderen größeren Akteuren der Branche anzugehen.

Für IngeniArs hängt eine zuverlässige SATCOM-Leistung von der Validierung hochkomplexer IP-Kerne ab. Die Suche nach kompatiblen Hard- und Softwarelösungen ist für Anbieter von IP-Kernen schwierig, insbesondere wenn SATCOM-Anforderungen komplex sind und hohe Datenraten erfordern. Da ein RF-System mit hoher Bandbreite als Frontend für ein effizientes Senden und Empfangen von Signalen erforderlich ist, wird die Schwierigkeit noch größer. IngeniArs nutzte das NI Data Link Test Framework, um Kommunikationsprotokolle zwischen Satelliten- und Bodenstationen zu validieren, eine Schlüsselfunktion, die sie erreichen wollten. Die NI-Technologie bot eine brillante, kompakte integrierte Lösung, die sowohl RF-Frontend- als auch digitale Signalverarbeitungsanforderungen erfüllte. Gerade bei begrenzten Ressourcen ist es sehr schwierig, geeignete Hard- und Softwarelösungen für solche Datenraten und Komplexitätsanforderungen zu finden.

NI Data Link Test Framework

Das NI Data Link Test Framework bietet eine umfassende Lösung für die hohen Anforderungen der Validierung von SATCOM- und Telemetriesystemen. Da die Konstellationen kleiner Satelliten immer größer werden und von einigen wenigen bis hin zu Tausenden von Satelliten in schneller Umlaufbahn reichen, wird es immer komplexer, eine nahtlose Konnektivität der Datenverbindungen zwischen Satelliten und Bodenstationen aufrechtzuerhalten. Das Framework von NI bietet eine flexible Plattform, die eine Vielzahl der Anforderungen zu Telemetrie, Tracking und Steuerung (TT&C) durch eine Kombination aus modernster RF-Technologie und anpassbaren Implementierungen softwaredefinierter Funksysteme (SDR) erfüllt.

Der NI PXI-Vektorsignal-Transceiver (VST) ist die zentrale RF-Technologie für diese Lösung. Der VST kann eigenständig TT&C- und SATCOM-Datenverbindungssignale senden und empfangen, um wichtige Signaltreuemessungen wie Modulationsgenauigkeit, Übertragungsleistung und mehr durchzuführen, die für eine hohe Signalintegrität in SATCOM-Anwendungen unerlässlich sind. Um die Anforderungen modularer und skalierbarer SATCOM-Systeme zu erfüllen, insbesondere mit ESA (Electronic Scanning Array)-Antennen, die Strahlen ohne mechanische Bewegung dynamisch justieren können, ist der VST in der Lage, Signale schnell und präzise zu verarbeiten. Mit dem PXI-Express-FlexRIO-Coprozessor kann der VST für Full-Rate-Streaming von und zu einem offenen FPGA konfiguriert werden, was Echtzeit-Inline-Signalverarbeitung und komplexe Kanalmodellierung unterstützt und ihn effektiv in einen RF-Kanalemulator für eine vollständige Validierung auf Systemebene verwandelt.

Die in SATCOM-Systemen verwendete ESA-Technologie ermöglicht die Verwaltung mehrerer Satelliten in einem einzigen Sichtfeld und der durch den FlexRIO Coprozessor erweiterte VST von NI passt dies präzise an. Die RF-Kanalemulationsfunktionen des VST ermöglichen die Validierung ganzer Systeme innerhalb dieser dynamischen Satellitenkonstellationen und bieten die adaptive und rekonfigurierbare Unterstützung, die für Protokolle wie das Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) erforderlich ist. Das Setup von VST-FlexRIO emuliert anspruchsvolle Umgebungen und stellt sicher, dass jede Komponente die für den Einsatz in der Praxis erforderlichen Leistungsanforderungen erfüllt.

Für digitale Systemtests unterstützen die NI FlexRIO-Module benutzerdefinierte Konfigurationen, um Satellitennutzlast-Subsysteme mit hoher Wiedergabetreue zu validieren. FlexRIO kombiniert einen FPGA mit serieller oder paralleler Digital-I/O, wodurch Ingenieure benutzerdefinierte digitale Protokolle importieren und digitale Schnittstellen emulieren können, ohne benutzerdefinierte Hardware zu benötigen. Diese Flexibilität ermöglicht es Satellitenkommunikationsingenieuren, Datenverbindungen und Nutzlast-Subsysteme zu validieren, um präzise Anforderungen an die RF-Signaltreue und Protokollvalidierung zu erfüllen und gleichzeitig den Erfordernissen an Hochgeschwindigkeitstests für digitale Systeme gerecht zu werden.

 Insgesamt ermöglicht die modulare PXI-Express-Plattform des NI Data Link Test Frameworks Benutzern, ihre Konfigurationen an spezifische I/O-Leistungsanforderungen anzupassen. Das NI Data Link Test Framework zeichnet sich durch die Verwendung handelsüblicher modularer Hardware und flexibler Softwaretools für konsolidierte, skalierbare Systeme aus. Darüber hinaus ermöglicht es simultane parametrische RF-Tests und Echtzeit-Hardware-in-the-Loop-Funktionen. Außerdem stellt es ein schlüsselfertiges Framework für die volle Geschwindigkeit der Datenbewegung zwischen NI VST- und NI FlexRIO-Geräten bereit.

IP integrieren  

Für IngeniArs hat sich das NI Data Link Test Framework als perfekt erwiesen. IngeniArs hat seine proprietären SATCOM-IPs erfolgreich in das Framework von NI integriert und nutzt FlexRIO für die fortgeschrittene Signalverarbeitung und VST für die RF-Verwaltung. Die anpassungsfähige Architektur ermöglichte es IngeniArs, seine IPs nahtlos zu integrieren und zu analysieren und gleichzeitig seinen IP-Kern effizient für die Sender- und Empfängerketten des Typs CCSDS 131.2-B-1 bereitzustellen, wodurch die Notwendigkeit entfällt, ein RF-System von Grund auf neu zu entwickeln.

Die Integration konzentrierte sich auf die Einbettung der IP von IngeniArs in den FlexRIO-7903-Digitalprozessor von NI, wo kritische Funktionen wie Kodierung und Modulation implementiert wurden. Nach der Integration der IP wurde eine Bitdatei erzeugt, die alle notwendigen Verbindungen zur tatsächlichen RF-Hardware für umfassende RF-Signaltests herstellt. Diese Fähigkeit ermöglichte es IngeniArs, sich auf die Verfeinerung des IP-Designs zu konzentrieren und gleichzeitig hohe Datenraten und Signaltreue bei komplexen SATCOM-Anwendungen aufrechtzuerhalten.

Das NI Data Link Test Framework hat die Leistungsfähigkeit des Systems weiter verbessert, indem es die sofortige Konfiguration von IP-Parametern über die von der IP bereitgestellte Schnittstelle ermöglicht, wie zum Beispiel axi4Lite oder axi4Stream. Verschiedene Parameter konnten in Echtzeit geändert und die Auswirkung auf die Übertragungskette dank der sehr intuitiven grafischen Benutzeroberfläche sofort überwacht werden. Beispielsweise kann das auf die Übertragung angewandte spezifische Modulations- und Kodierungsschema (MODCOD) modifiziert und die Auswirkung auf den Signalverlauf und den Konstellationsgraphen überwacht werden. Die kompakte und integrierte Hardware von NI spielte eine entscheidende Rolle bei der Validierung komplexer SATCOM-Designs, wodurch IngeniArs eine schnelle und optimierte Verteilung erzielen konnte. Diese Integration stellt einen erheblichen Vorteil für FPGA-Entwickler dar und erleichtert die direkte Anbindung an NI-Hardware und reale RF-Signaltests.

Wesentliche Erkenntnisse

Die End-to-End-Validierungslösungen von NI bieten die erforderliche Zuverlässigkeit und Leistung, um die Herausforderungen bei Satellitenkommunikationen zu bewältigen. Durch die nahtlose IP-Integration und das Entfallen der Notwendigkeit, ein RF-System von Grund auf neu zu entwickeln, ermöglicht die anpassungsfähige Data Link Test Framework-Architektur von NI es SATCOM-Anwendungsteams, sich auf die Weiterentwicklung ihrer Entwürfe zu konzentrieren und gleichzeitig hohe Datenraten und Signaltreue zu gewährleisten – entscheidend für fortgeschrittene Anwender. Diese Integration stellt auch einen transformativen Vorteil für FPGA-Entwickler dar, der die direkte Anbindung an NI-Hardware erleichtert und robuste RF-Signaltests in der Praxis ermöglicht.

Mit Hilfe der offenen, softwaredefinierten Plattform von NI können Unternehmen schnell inländische Prototypen im Frühstadium erstellen und gleichzeitig die Stabilität gewährleisten, die für den Einsatz in praktischen Anwendungen erforderlich ist. Darüber hinaus macht das Engagement von NI für Langlebigkeit und Zuverlässigkeit unsere Plattform zu einer hervorragenden Alternative für Unternehmen, die sich auf wettbewerbsintensiven Märkten hervortun möchten. Mit fortschrittlichen Validierungstools und einer flexiblen Architektur ermöglicht das Telemetrie- und Datenlink-Test-Framework von NI führenden Anbietern von Satelliten- und Telemetriekommunikation Präzision, Agilität und Erfolg in einer sich schnell verändernden technischen Umgebung.