Plate-forme logicielle pour systèmes de communication présents et futurs

Bluetooth, WiMAX, cdma2000, ZigBee, GSM, EDGE, RFID : la liste des normes de communication filaire et sans fil continue de s'allonger à un rythme sans précédent (voir Figure n°1). Au même moment, la visualisation des meilleurs moments du football sur V CAST et l'obtention de données de localisation à partir de Google Earth sont devenues monnaie courante, alimentées par des sociétés comme Microsoft, Vodafone et Google. Étant donné cette demande insatiable pour plus de bande passante et le fait que les communications sans fil devancent les communications terrestres dans de nombreux pays, l'important défi pour l'avancée des communications mobiles s'oriente vers la satisfaction efficace de cette demande.

Figure n°1. La demande en matière de mise en réseau et de connectivité sans fil crée un embouteillage au niveau de la normalisation.

Menées par la course à la mise des produits sur le marché, la recherche et la conception prennent une avance considérable sur le test. Les fabricants commercialisent des périphériques ZigBee et 802.11n avant même la publication définitive des normes. Les systèmes de test de conformité aux normes, généralement proposés par les fabricants d'instruments traditionnels tardent à faire leur apparition. Ceci est principalement dû au fait que le cycle traditionnel de lancement d'une norme sans fil, en faisant tester les prototypes par quelques utilisateurs et en développant un équipement de test pour une utilisation commerciale de masse, est trop long. En considérant que ce modèle est appliqué horizontalement à des dizaines de normes lancées simultanément, les fabricants d'équipements de test doivent faire face à une décision complexe : être en retard sur le marché avec un équipement de test conforme ou risquer de dépenser des millions en R&D pour une norme qui ne décolle pas. C'est ce qui pousse les ingénieurs à rechercher des solutions souples et clés en main.

Testeurs définis par logiciel

Pour que le test suive le rythme des technologies RF et sans fil, une approche possible est la voie logicielle, où les ingénieurs modélisent de nouveaux algorithmes ou de nouvelles techniques de codage et de modulation de voies. La solution logique est de choisir une approche logicielle pour l'instrumentation en utilisant un logiciel de codage et de modulation pour générer et mesurer des signaux avec des instruments RF modulaires et polyvalents. Cette approche "radio logicielle" (software-defined radio, SDR) appliquée aux tests est ainsi entièrement dirigée par l'application et définie par l'utilisateur. Cette stratégie est déjà largement privilégiée par le Department of Defense (DoD) des États-Unis. "Pour les militaires, le SDR est une technologie évolutive qui permet le développement d'une famille de radios réellement interopérables qui peuvent communiquer sur n'importe quel théâtre d'opération, avec n'importe quelle force alliée, à n'importe quel moment", a déclaré le Colonel Steven MacLaird, Directeur du Joint Systems Program et responsable du JTRS Joint Program (SDR Forum, août 2003). Pour illustrer cette capacité, la Figure n°2 présente une liaison de communication numérique obtenue grâce au logiciel LabVIEW de National Instruments. Les VIs inclus effectuent le codage de la source, le codage de la voie, la modulation et la conversion par élévation de fréquence, du côté transmission ; la conversion par abaissement de fréquence, la démodulation, le décodage de la voie et le décodage de la source, du côté réception. La liaison de communication physique comprend également l'équipement matériel et les voies physiques sur lesquels la transmission s'effectue.

Figure n°2. En exploitant le Toolkit NI LabVIEW Modulation, les ingénieurs peuvent modéliser leur code à la suite des systèmes de communication numérique qu'ils conçoivent.

Article d'utilisateur : développement MIMO-OFDM à l'Université du Texas

Une application majeure de l'instrumentation logicielle a été présentée avec le développement d'un système MIMO-OFDM. La combinaison d'entrées et sorties multiples (multiple input, multiple output, MIMO) et du multiplexage par division de fréquence orthogonale (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) sont deux nouvelles technologies sous-jacentes de nombreuses normes de communication filaire et sans fil émergentes. C'est le cas des communications cellulaires mobiles 4G et la mise en réseau de données Wi-Fi 802.11n, respectivement conçues pour augmenter le nombre d'abonnés et le débit de données sur les téléphones cellulaires et les ordinateurs. Les avantages de l'OFDM incluent la résilience aux interférences RF, une efficacité spectrale élevée et une distorsion par chemins multiples inférieure, tandis que le mode MIMO promet des bandes passantes élargies grâce à la propagation de signaux par chemins multiples. Le groupe Wireless Networking and Communications (WNCG) de l'Université du Texas à Austin a étudié les caractéristiques de ce système pour valider la recherche et les bénéfices du mode MIMO-OFDM. L'étude menée par trois membres du groupe WNCG a impliqué deux composantes principales : la simulation et l'intégration matérielle complète. Elle a été achevée en moins de six semaines.

Pour la simulation, le groupe a utilisé NI LabVIEW pour ses fonctions (VIs) de simulation et d'analyse de données. L'environnement LabVIEW est complété par les Toolkits NI LabVIEW Spectral Measurements et NI LabVIEW Modulation, deux extensions spécifiquement conçues pour la conception, la simulation et l'analyse de systèmes de communication. Avec ces outils, le groupe a pu contrôler directement les paramètres systèmes, tels que le codage de la voie, la puissance et les vitesses de transfert, tout en ajoutant l'effet de fondu et l'interférence par chemins multiples pour déterminer l'immunité et la réponse du système. Le groupe a également utilisé la simulation pour transférer des données et des informations en direct, afin de visualiser les effets de l'ajustement des paramètres de la couche physique et des caractéristiques de la voie ; ce qui n'était possible qu'avec un système logiciel. De plus, l'équipe WNCG a pu vérifier les effets du débit de données en ajustant le nombre d'antennes et les algorithmes de traitement des données reçues des antennes. Dans cet environnement, les membres du WNCG ont pu évaluer efficacement, par la simulation, les bénéfices et les points faibles du mode MIMO-OFDM pour les communications de données de prochaine génération. La Figure n°3 présente l'une des interfaces du WNCG utilisées lors de l'étude MIMO-OFDM.

Figure n°3. L'interface MIMO-OFDM du Groupe WNCG de l'Université du Texas a utilisé NI LabVIEW pour comparer l'image envoyée avec l'image reçue.

Adaptation du logiciel de simulation pour une implémentation complète

L'équipe a ensuite réutilisé le code de simulation logicielle pour développer le système matériel d'émission/réception sans fil MIMO-OFDM. Elle a utilisé des instruments modulaires NI pour composer le système, dont un module générateur de formes d'ondes arbitraires pour la génération de bandes de base et de fréquences FI et un module RF de conversion par élévation de fréquence pour établir la liaison montante du système MIMO-OFDM. De façon similaire, les membres du WNCG ont utilisé le numériseur et les modules RF de conversion par abaissement de fréquence pour la liaison descendante de l'émetteur/récepteur sans fil. Ils ont installé ces modules dans un châssis PXI muni d'un contrôleur embarqué pour le traitement des mesures à haut débit et en temps réel. La Figure n°4 présente ce système, qui comprend le générateur de signaux vectoriels PXI–5660 RF et l'analyseur de signaux vectoriels PXI-5670 RF de National Instruments.

Figure n°4. Diagramme d'un système émetteur/récepteur MIMO-OFDM à deux antennes

Une fois le système développé, les membres du WNCG ont pu vérifier leurs hypothèses et les résultats de simulation grâce à des systèmes matériels d'émission et de réception. Parce qu'ils ont simulé et conçu le système émetteur et récepteur MIMO-OFDM de façon logicielle et avec une instrumentation modulaire, les membres du WNCG ont expérimenté une transition directe et efficace à partir d'une simulation vers une liaison sans fil réelle, en moins de six mois.

L'assemblage de la forme d'ondes souhaitée pour obtenir la modulation correcte constitue le défi de la conception de l'émetteur à base d'instrumentation définie de façon logicielle. Le Toolkit NI LabVIEW Modulation apporte les blocs de construction requis pour modifier un signal porteur avec le message pour obtenir la modulation correcte. Le toolkit fournit également des fonctions courantes de codage, d'égalisation et de mesure de voie pour simplifier la création et l'analyse de la forme d'ondes. Une fois la forme d'ondes créée (configuration de la vitesse, des bandes passantes, des fréquences et des autres paramètres du matériel), son téléchargement concrétise la génération.

Les systèmes de communication définis de façon logicielle représentent l'avenir

La tendance aux systèmes de test de communication définis par logiciel va continuer à s'accentuer. Des organisations ont suivi le mouvement parce qu'il les aide à développer des systèmes de test en conjonction avec le développement des normes. Le test défini de façon logicielle offre une solution pour des systèmes de communication actuels, mais, de manière plus importante, il fournit un paradigme et une plate-forme pour des systèmes de communications émergents et futurs.

Ron Harrison
Responsable Marketing produits RF et Communication
ron.harrison@ni.com

Téléchargez les exemples du Toolkit NI LabVIEW Modulation et d'autres ressources sur la RF et les communications.

Cet article a été initialement publié le 7 février 2006, dans la NI News et dans l'édition du premier trimestre 2006 de la revue Instrumentation Newsletter.

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