Eine softwaredefinierte Prüfplattform für heutige und zukünftige Kommunikationssysteme
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Bluetooth, WiMAX, cdma2000, ZigBee, GSM, EDGE, RFID – die Liste der Wireless- und Kommunikationsstandards wächst unaufhaltsam (siehe Abbildung 1). Dies hängt nicht zuletzt damit zusammen, dass sich Anwendungen wie Google Earth und portable Multimedia-Anwendungen einer wachsenden Beliebtheit erfreuen. Um den riesigen Bedarf an Bandbreite zu decken, ist die Industrie gezwungen, immer neuere und leistungsfähigere Protokolle zu entwickeln. Sehr häufig werden dafür drahtlose Übertragungsmedien eingesetzt.
Abb. 1: Der Bedarf an Wireless-Netzwerken und -Anbindungsmöglichkeiten sorgt für eine steigende Anzahl an Wireless- und Kommunikationsstandards
Der steigende Druck, neue Produkte immer schneller auf den Markt zu bringen, sorgt häufig dafür, dass Wireless-Lösungen nicht effizient genug überprüft werden. Hersteller bringen bereits ZigBee- und 802.11n-basierte Geräte auf den Markt, bevor die Standards vollständig entwickelt sind. Hinzu kommt, dass bisher keine vordefinierten Standardprüfsysteme von Herstellern traditioneller Messgeräte in Sicht sind. Dies ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass der gesamte Prozess − von der Entwicklung eines Wireless-Standards über die Prototypisierung bis zur endgültigen Erstellung der Prüfgeräte für den kommerziellen Masseneinsatz − zu lange dauert. Hersteller von Prüfgeräten sehen sich deshalb mit der schwierigen Entscheidung konfrontiert, ihre Produkte entweder zu spät auf den Markt zu bringen oder Millionen in Forschung und Entwicklung zu investieren, ohne eine Garantie zu haben, dass sich der Standard durchsetzen wird. Aus diesem Grund herrscht ein enormer Druck auf Ingenieure, flexible und sofort einsetzbare Lösungen zu entwickeln.
Anpassbare softwaredefinierte Lösungen
Der Einsatz von Software, in der Ingenieure u. a. neue Funktionen zur Kanalkodierung und Modulationstechniken bzw. -algorithmen entwickeln können, ist eine Möglichkeit, mit den Fortschritten bei RF- und Wireless-Prüflösungen Schritt zu halten. Die naheliegendste Lösung ist ein softwaredefinierter Ansatz, bei dem zusammen mit modularen, universellen RF-Messgeräten Kodierungs- und Modulationssoftware für die Erzeugung und Messung von Signalen zum Einsatz kommt. Dieser SDR-Ansatz (Software-Defined Radio) für Prüfanwendungen ist somit vollständig anwendungsgesteuert und benutzerdefinierbar.
Abbildung 2 zeigt eine einfache digitale Kommunikationsschnittstelle in NI LabVIEW. Die enthaltenen VIs sorgen für Quell- und Kanalcodierung, Modulation und Aufwärtswandlung auf Seiten des Senders sowie Abwärtswandlung, Demodulation, Kanal- und Quelldecodierung auf Seiten des Empfängers. Eine reale Kommunikationsschnittstelle enthält zusätzlich noch die Hardware und einen physikalischen Kanal für die Übertragung.
Abb. 2: Mithilfe des NI Modulation Toolkit für LabVIEW können Ingenieure Prüfcode für digitale Kommunikationssysteme entwickeln.
Kundenlösung: Entwicklung eines MIMO-OFDM-Systems an der University of Texas
Ein führendes Beispiel für ein softwaredefiniertes, modulares Messsystem ist ein MIMO-OFDM-Systems. MIMO (Multiple Input, Multiple Output) und OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) sind zwei neue Technologien, die zusammen die Grundlage für viele der neuesten Wireless- und Datenstandards bilden, darunter die Mobilfunkkommunikationstechnologie der vierten Generation und der Standard 802.11n Wi-Fi zum Aufbau drahtloser lokaler Netzwerke. Sie wurden entwickelt, um die Anzahl der Nutzer von Mobiltelefonen sowie den Datendurchsatz bei Computern zu erhöhen. Vorteile von OFDM sind u. a. Toleranz gegenüber RF-Interferenzen, hohe Spektrumeffizienz und geringere Multipath-Verzerrung, während MIMO höhere Bandbreiten über mehrere Signalwege gewährleistet. Die Wireless Networking and Communications Group (WNCG) an der University of Texas in Austin untersuchte die Charakteristiken dieses Systems, um die Studien und Vorteile von MIMO-OFDM zu überprüfen. Die Studie, die von drei WNCG-Mitgliedern durchgeführt wurde, umfasste zwei Hauptschwerpunkte – Simulation und komplette Hardwareintegration – und war in weniger als sechs Wochen abgeschlossen.
Für die Simulation verwendete die Gruppe die Datensimulations- und Analysefunktionen (genannt VIs) von NI LabVIEW.Zusätzlich zu LabVIEW setzten sie das NI Spectral Measurements Toolkit und das NI Modulation Toolkit ein, da diese LabVIEW-Erweiterungen speziell für Design, Simulation und Analyse von Kommunikationssystemen konzipiert wurden. Mit diesen Werkzeugen war die Gruppe in der Lage, Systemparameter direkt zu steuern, u. a. Kanalkodierung, Stromversorgung und Übertragungsraten, und gleichzeitig Funktionen wie Überlagerungen und Multipath-Interferenzen hinzuzufügen, welche Systemreaktionen und -anfälligkeiten feststellen sollten.Die Gruppe nutzte die Simulation auch zur Übertragung von Live-Daten, um die Auswirkungen von Parameteränderungen zu überprüfen, ein Vorgang, der nur mit einem softwaredefinierten System möglich ist. Des Weiteren konnte das WNCG-Team durch Änderung der Antennenanzahl und der Algorithmen zur Verarbeitung der Antennendaten die Auswirkungen auf den Datendurchsatz überprüfen. Mithilfe der Simulation waren die Teammitglieder in der Lage, die Vor- und Nachteile von MIMO-OFDM für neueste Datenübertragungssysteme zu evaluieren. Abbildung 3 zeigt eine der Schnittstellen, die von der WNCG-Gruppe während der MIMO-OFDM-Studie eingesetzt wurde.
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Abb. 3: Die von der WNCG-Gruppe der University of Texas erstellte MIMO-OFDM-Schnittstelle nutzt NI LabVIEW zum Vergleich des gesendeten mit dem empfangenen Bild.
Anpassung der Simulationssoftware für die Implementierung
Die Gruppe nutzte anschließend den Simulationssoftwarecode, um ein hardwarebasiertes Wireless-MIMO-ODFM-System zum Senden/Empfangen von Signalen zu entwickeln. Sie setzte zudem modulare NI-Messgeräte zur Entwicklung des Systems ein, einschließlich eines arbiträren Signalverlaufsgenerators zur Basisband- und ZF-Frequenzerzeugung und eines RF-Aufwärtswandlers zur Erstellung eines MIMO-OFDM-System-Uplinks. Des Weiteren nutzten sie einen Digitizer und einen RF-Abwärtswandler zur Erstellung des Wireless-Transceiver-Downlinks. Anschließend wurden die Module zusammen mit einem Embedded-Controller in einem PXI-Chassis installiert, um eine Echtzeitverarbeitung von Messdaten mit hoher Durchsatzrate zu erreichen. Abbildung 4 zeigt dieses System, in dem der Vektorsignalgenerator NI PXI-5660 RF und der Vektorsignalanalysator NI PXI-5670 RF zum Einsatz kamen.
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Abb. 4: Blockdiagramm eines MIMO-OFDM-Systems zum Senden/Empfangen von Signalen mit zwei Antennen.
Mit diesem hardwarebasierten System zum Senden/Empfangen von Daten war die WNCG-Gruppe in der Lage, ihre Hypothesen und Simulationsergebnisse zu verifizieren. Da die Gruppe das MIMO-OFDM-System bereits in Software entwickelt und simuliert hatte, war die Implementierung des eigentlichen Wireless-Systems mit softwaredefinierter Hardware in weniger als sechs Wochen zu bewältigen.
Die Herausforderung bei der Entwicklung eines Senders für softwaredefinierte Messgeräte liegt darin, den gewünschten Signalverlauf zu erstellen, um die richtige Modulation zu erreichen. Das NI Modulation Toolkit für LabVIEW enthält viele der notwendigen Bausteine zur Modifizierung eines Trägersignals, um die richtige Modulation zu erhalten. Das Toolkit bietet zudem Funktionen zur Kanalkodierung und Kanalentzerrung sowie Messfunktionen für die vereinfachte Entwicklung und Analyse von Signalverläufen. Im Anschluss an die Konfiguration der Übertragungsrate, Bandbreite, Frequenz und anderer Hardwareparameter muss der Signalverlauf nur noch heruntergeladen werden.
Softwaredefinierte Kommunikationssysteme bieten eine Plattform für zukünftige Anforderungen
Der Einsatz softwaredefinierter Kommunikationsprüfsysteme wird weiterhin zunehmen.Unternehmen unterstützen den Einsatz von Wireless-Technologien, da sie Prüfsysteme zusammen mit Standards entwickeln können. Softwaredefinierte Prüfsysteme sind nicht nur die Lösung für aktuelle Kommunikationssysteme, sondern bieten auch eine Plattform für zukünftige Anforderungen.
Dieser Artikel erschien am 7. Februar 2006 in den NI News und im ersten Halbjahr 2006 im Instrumentation Newsletter.
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