LabView Communications Grafische FPGA-Entwicklung

NI LabView Communications mit SDR-Hardware.
NI LabView Communications mit SDR-Hardware.

Beim Entwurf von Funk-Kommunikationssystemen ist der Zeitdruck groß, auch der Entwicklungszyklus neuer Algorithmen muss hierauf optimiert werden. Die Plattform »LabView Communications« von National Instruments verkürzt die Entwicklungszeit echtzeitfähiger FPGA-Hardware drastisch.

LabView Communications unterstützt die schnelle Entwicklung von FPGA-basierter Hardware. Dies gelingt mit modernen HF-Front-Ends und Xilinxs Kintex-7-FPGAs. Darüber hinaus können die »Software Defined Radio«-Messgeräte (SDR) der Serien »USRP-RIO« oder »FlexRIO« von National Instruments in das Entwicklungssystem integriert werden. Die grafische FPGA-Programmierung erlaubt die unmittelbare Analyse der Wirkung realer HF-Signale auf das Verhalten der Algorithmen.

Warum Prototypen?

Die Anzahl miteinander vernetzter Systeme wächst rasant. Dies betrifft nicht nur Endgeräte wie Smartphones und Haus-Automatisierungsanlagen, sondern auch die Produktionsanlagen der Industrie selbst. Der US-amerikanische IT-Marktforscher Gartner prognostiziert 25 Mrd. Geräte im IoT [1] bis zum Jahr 2020: Entwickeln und Testen neuer Funk-Kommunikationstechnik für Milliarden von vernetzten Geräten ist ein heißes Thema. Das verfügbare Frequenzspektrum ist jedoch begrenzt. Dies fordert neue Lösungsstrategien (Algorithmen) für die Probleme hinsichtlich Koexistenz, Ressourcennutzung und Kosteneffizienz. Solche Algorithmen sind zunächst zu verifizieren und zu testen. Physikalische Simulationen vernachlässigen häufig wichtige Effekte, theoretische Betrachtungen werden mitunter im Test widerlegt. Neue Techniken sollten daher auch mit realen HF-Signalen in einer Testumgebung verifiziert werden.

Entwicklungszyklus eines Prototypen

Ein neuer Signalverarbeitungsalgorithmus wird in aller Regel mit einem Tool für numerische Mathematik (z. B. Matlab) entwickelt und simuliert. Anschließend wird der Code zur FPGA-Implementierung in eine Hardware-Beschreibungssprache wie VHDL oder Verilog überführt. Und abschließend wird das HF-Front-End entwickelt und mit dem FPGA-Design verbunden.

Da jeder dieser Schritte erhebliches Expertenwissen fordert, sind in der Praxis mehrere Teams mit der Entwicklung eines Prototypen beschäftigt. Doch die knappe Verfügbarkeit der Experten für FPGA-Design und HF-Hardwareentwürfe wird für viele Entwicklerteams zum Problem. Hingegen fordert das Entwickeln komplexer Prototypen für neue Kommunikationstechniken mit LabView Communications keine speziellen Kenntnisse der FPGA-Programmierung und des Hochfrequenz-Schaltungsdesigns. Der Entwurfsprozess besteht üblicherweise aus Algorithmenentwicklung, »System-Mapping« und Systemimplementierung.

Entwickler nutzen in LabView Communications entweder den nativen grafischen Code oder bereits vorhandene Codemodule in den Sprachen Matlab und Ansi C.

Der »System Designer« bietet die zentrale Ansicht der im Projekt verwendeten Hardware. Grundsätzlich besteht ein Prototyping-System aus Host-Rechner und dem FPGA-Ziel. Den Host stellt entweder ein Standard-PC/Notebook oder ein PXI-Express-Controller. Unterstützte FPGA-Ziele sind die Geräte aus der USRP-RIO- und der FlexRIO-Serie. Die USRP-RIO-Hardware wird über die PCIe-Buserweiterung »MXI« mit dem Host-Rechner oder PXI-Express-Controller verbunden. Die FlexRIO-Karten stecken wie der Controller in dem PXIe-Chassis. Eine weitere Konfigurationsmöglichkeit sind mehrere USRP-RIO- oder FlexRIO-Karten als »Mimo«-System.

Der Begriff System-Mapping bezeichnet die Zuordnung der Funktionen und damit der Codemodule zu den Systemkomponenten. Mit dem System Designer weist der Entwickler diese per »Drag and Drop« dem Host oder den vorhandenen Zielen zu. Die Compilerauswahl geschieht dabei automatisch. Der Host kommuniziert mit einem oder mehreren FPGA-Zielen über die Treibersoftware »NI-RIO«. Diese übernimmt die Konfiguration der SDR-Hardware und die Verschaltung sämtlicher Ressourcen. Über die FPGA-Host-Schnittstellen-API gelingt der Datentransfer zum Ziel per Register-I/O oder »Direct Memory Access«.

Bei der konventionellen Prototypenentwicklung kümmert sich ein zusätzliches Team um das Boarddesign und die Integration des HF-Front-Ends mit dem FPGA. Diese komplexe zeit- und kostenintensive Aufgabe muss mit jedem Entwurf neu gelöst werden. Das Konzept von LabView Communications ist modular skalierbar und sofort einsatzbereit. Die Wiederverwertbarkeit ergibt sich aus der Entwicklung auf der Metaebene, was auch die Entwicklungszeit erheblich reduziert.