Avancer le prototypage sans fil avec une radio logicielle

Aperçu

La prolifération des périphériques sans fil pour un ensemble toujours croissant d’applications augmente la complexité des exigences et des conceptions. La demande de plus de données pousse les conceptions matérielles vers des bandes passantes plus larges, des fréquences plus élevées et plus de voies, tandis que le logiciel est chargé d’offrir une plus grande flexibilité et une accélération de la mise sur le marché. 

Que ce soit le prototypage de nouvelles technologies sans fil en laboratoire ou l’évaluation de systèmes dans des environnements réels, les radios logicielles (SDR) offrent une solution idéale pour garantir la réalisation des objectifs de performance et de conception.

Cet article présente l’USRP X410 de NI Ettus et les applications pour son utilisation. Ce périphérique USRP (périphérique universel de radio logicielle) est conçue pour répondre aux besoins sans fil avancés les plus récents des applications de communications commerciales et de défense, de la recherche au déploiement.

Contenu

L’évolution du prototypage sans fil

Dans les applications en évolution rapide telles que la défense anti-drone et le renseignement d’origine électromagnétique, un déploiement plus rapide et une capacité à s’adapter rapidement sont essentielles. Des systèmes commerciaux prêts à l’emploi (COTS) dotés de puissantes capacités de traitement RF et du signal sont nécessaires, mais une plate-forme ouverte est également indispensable pour permettre aux améliorations flexibles apportées de rester en avance sur les menaces. Pour les cas d’utilisation du déploiement, les radios logicielles de faible taille, poids et puissance (SWAP) permettent des solutions portables prêtes pour le mobile.

Un drone repose sur une table pendant un test avec un périphérique USRP COTS

Figure 1. SkySafe élimine rapidement les menaces liées aux drones grand public grâce à la technologie USRP open source. 

Les bancs de test et prototypes de communications sans fil commerciaux doivent souvent répondre à plusieurs bandes et normes de fréquence pour la connectivité cellulaire et sans fil. Tenir la cadence des nouvelles normes sans fil telles que la 5G signifie développer et tester l’IP logicielle sur du matériel capable pour faire la preuve des technologies allant des nouveaux schémas de codage aux systèmes MIMO (multiple input, multiple output) avancés souvent via le prototypage sans fil OTA (over-the-air).

Deux ingénieurs RF développent des logiciels pour la 5G

Figure 2. Ces radios logicielles à profil bas présentent les performances permettant d’effectuer des bancs de test 5G à grande échelle.

Une nouvelle génération de radio logicielle

NI Ettus USRP X410 est la première d’une nouvelle génération de radios logicielles hautes performances d’Ettus Research et de NI. Elle combine les forces de NI et d’Ettus Research dans une seule radio qui prend en charge les flux d’outils open source populaires, y compris le driver matériel USRP (UHD) et GNU Radio, ainsi que le logiciel LabVIEW. Le NI Ettus USRP X410 est construit sur le Xilinx Zynq UltraScale + RFSoC et est doté d’un matériel émetteur et récepteur RF hautes performances pour fournir la radio logicielle la plus puissante de NI à ce jour. Le RFSoC fournit les bases du processeur embarqué et de la technologie FPGA programmable intégrée aux convertisseurs de données (C A/N - C N/A). Le processeur Arm® quadricœur permet un fonctionnement autonome (mode embarqué) ou un mode basé sur l’hôte avec une machine hôte externe pour exécuter votre application.

Figure 3. L’USRP X410 de NI Ettus intègre du matériel et des logiciels pour vous aider à prototyper des systèmes sans fil à hautes performances.

Une plate-forme ouverte pour faciliter votre prochaine innovation

Avec plus du double des ressources FPGA des autres produits USRP, la partie logique programmable du FPGA Xilinx Zynq UltraScale+ offre un traitement du signal numérique (DSP) à haut débit et des cœurs d’IP durcis tels que des cœurs de correction d’erreur sans voie de retour à décision souple embarquée (SD-FEC) et de conversion numérique ascendante/descendante (DUC/DDC). Particulièrement efficaces pour le prototypage 5G, les SD-FEC peuvent être utilisés pour l’encodage/décodage LDPC en temps réel, l’une des opérations les plus lourdes en calculs en 5G. Dans les conceptions uniquement FPGA, la logique SD-FEC peut couvrir plusieurs grands FPGA Virtex-7 ; ainsi, son incorporation en tant que noyau pré-construit en silicone permet d’économiser de l’espace et des efforts de développement énormes.

Le USRP X410 de NI Ettus prend pleinement en charge le framework populaire RFNoC (RF Network-on-Chip), ce qui rend l’accélération FPGA plus accessible grâce à une interface de programmation d’applications logicielles et à une infrastructure FPGA. Cela vous aide à démarrer rapidement et à vous concentrer sur l’IP à valeur ajoutée. Vous pouvez intégrer de manière transparente le traitement basé sur hôte et FPGA dans votre application avec l’interface graphique GNU Radio, C++ ou Python. La bibliothèque de blocs RFNoC pour les fonctions courantes telles que les transformées de Fourier rapides (FFT) et les filtres à réponse impulsionnelle finie (RIF) est un bon point de départ. Vous pouvez ensuite ajouter vos propres blocs IP à l’architecture modulaire en utilisant votre langage de description matérielle (HDL) préféré.

Au-delà de la partie en tissu FPGA du système, Xilinx UltraScale+ RFSoC est équipé de quatre unités de traitement d’applications (APU) embarquées et deux unités de traitement temps réel (RPU) pour les applications nécessitant un système d’exploitation embarqué pour un fonctionnement autonome.

Figure 4. Le diagramme simplifié de Xilinx UltraScale+ RFSoC montre les API et les RPU embarqués pour les applications nécessitant un système d'exploitation embarqué de contrôle et surveillance pour un fonctionnement autonome.

Matériel RF conçu pour évoluer

Avec une gamme de fréquences couvrant 1 MHz à 7,2 GHz, l’USRP X410 de NI Ettus couvre non seulement les bandes RF traditionnelles sous-6 GHz, mais également la bande sans licence récemment ouverte de 5,925 GHz à 7,125 GHz pour Wi-Fi 6E. Avec la bande passante instantanée de 400 MHz, vous pouvez exploiter les voies plus larges et implémenter l’assemblage des voies et l’agrégation du support pour une vitesse de transfert des données plus élevée. L’architecture frontale RF utilise une conversion à deux étages superhétérodyne inférieure à 3 GHz et une conversion monophasée supérieure à 3 GHz, ainsi que le filtrage et le contrôle du niveau de puissance, pour fournir une transmission et une réception de signaux haute fidélité.

Le USRP X410 de NI Ettus intègre quatre voies d’émission et quatre voies de réception dans un facteur de forme 1U compact 1⁄2 rack, ce qui le rend polyvalent et facilement transportable pour les tests et les opérations sur le terrain. Chaque voie est indépendante, ce qui signifie qu’elle peut être réglée à différentes fréquences pour les applications de répartition en fréquence duplex (FDD) ou pour l’émulation simultanée de plusieurs signaux. Les voies peuvent également être synchronisées via un oscillateur à cristal contrôlé par le four (OCXO) interne que vous pouvez étalonner dans 50 ppb, un oscillateur GPS discipliné (GPSDO) interne pour l’horodatage, et une génération de référence et d’impulsions par seconde (PPS) de 10 MHz. Pour un nombre de voies encore plus élevé, vous pouvez synchroniser des périphériques multiples en important une horloge de référence externe et en utilisant la génération PPS pour des applications nécessitant un alignement temporel précis telles que le MIMO massif.

Avec des bandes passantes plus larges et un plus grand nombre de voies, déplacer une grande quantité de données sur et en dehors de la radio peut être un défi. Pour résoudre ce problème, l’USRP X410 de NI Ettus dispose de deux ports QSFP (Quad Small Form Factor Pluggable) configurables que vous pouvez utiliser pour tirer parti de deux 10 GbE ou deux 100 GbE embarqués. De plus, la radio comprend un port PCI Express x8 Gen 3 pour des vitesses de transfert jusqu'à 8 Go/s.

Figure 5. Le diagramme de l’USRP X410 de NI Ettus montre ses fonctions RF et numériques. 

Résumé

Les performances puissantes de l’USRP X410 de NI Ettus constituent une plate-forme idéale pour construire vos dernières innovations. Associée à votre choix de chaîne d’outils logicielle, cette radio logicielle dispose des capacités et de la flexibilité nécessaires pour répondre à vos besoins. Que vous effectuiez de la recherche pour la 5G et au-delà ou que vous déployiez des systèmes pour atténuer les menaces en constante évolution, l’USRP X410 de NI Ettus peut accélérer votre prototypage de périphériques sans fil.